I løbet af de sidste 100 millioner år har pattedyr tilpasset sig næsten alle mulige miljøer – økosystemer på
I flere artikler i særnummerettidsskriftets videnskabelige forskere viser, hvordan sammenlignende genomik kan kaste lys over, hvordan visse arter opnår evolutionær succes og hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå, hvilke dele af vores genom der er funktionelle, og hvordan de kan påvirke sundhed og sygdom.
Hvad studerer Zoonomia-projektet?
Zoonomia er et internationalt projekt, derbruger moderne fremskridt inden for DNA-sekventeringsteknologi til at forstå, hvordan genomer giver anledning til den store mangfoldighed af pattedyr. Forskningsprojektet samler mere end 30 grupper af forskere fra hele verden, ledet af genetikere fra Uppsala Universitet i Sverige og Broad Institute, et fælles forskningscenter for Massachusetts Institute of Technology og Harvard University.
Tilbage i 2020 afsluttede forskere arbejdet medHelgenomsekventering af 240 pattedyrarter, hvoraf 131 endnu ikke er blevet beskrevet. Selvom dette virker som et lille antal - mere end 6.500 arter af pattedyr er kendt - er prøven designet til at indsamle data fra forskellige undergrupper af dyr. Derfor omfatter undersøgelsen mere end 80 % af pattedyrsfamilierne, der dækker næsten 110 millioner års evolution.
I nyt arbejde bruger videnskabsmænd justeringengenomsekvenser for at bestemme de ændringer, der driver evolutionen. Dette er en bioinformatikmetode baseret på placering af sekvenser af DNA eller proteinmonomerer, den ene under den anden på en sådan måde, at man finder lignende steder i dem.
Forskere har identificeret de mest konservativeområder af genomet, og nogle gange individuelle nukleotider ("bogstaver") af DNA, der forbliver uændrede i pattedyr over titusinder af års evolution. Det er de områder, der ser ud til at være biologisk de vigtigste. De fandt også en del af det genetiske grundlag for usædvanlige pattedyrstræk, såsom evnen til at gå i dvale eller opdage svage dufte over store afstande.
Tidslinje for pattedyrs evolution
Pattedyr levede sammen med dinosaurer og overlevedeen masseudryddelse, der udslettede de fleste af disse gamle arter, bortset fra forfædrene til moderne fugle. I lang tid troede forskere, at den massive diversificering af pattedyr (den hurtige vækst i antallet af nye arter) begyndte netop efter denne begivenhed.
I en undersøgelse sporede forskere ændringer i ikke-kodende områder af genomet hos forskellige pattedyr for at bygge et "molekylært ur.
Det molekylære ur giver os muligheden for at forstå præcis, hvornår og hvor forskellige pattedyrslinjer sidst delte fælles forfædre, selv i mangel af en fossiloptegnelse.
William Murphy, medforfatter af undersøgelsen fra Texas A&M University
Forskerne fandt, at den første divisionpattedyr til arter fandt sted før masseudryddelsen - i kridt- og tertiærperioden. For eksempel kan udviklingen af placentale pattedyr spores tilbage til 102 millioner år siden. Måske var den første drivkraft til dannelsen af nye arter kontinenternes drift, som førte til, at enorme landmasser skiltes og samledes igen i løbet af millioner af år.
Endnu en periode med aktiv diversificeringskete virkelig lige efter dinosaurernes udryddelse – for omkring 65 millioner år siden, hvor pattedyr havde mere plads, ressourcer og stabilitet. Denne accelererede udvikling har resulteret i en rig mangfoldighed af pattedyr, herunder så forskellige grupper som kødædere, primater og hovdyr.
Den genetiske historie om udviklingen af pattedyr. Billede: Nicole M. Foley et al., Science
Tabte menneskelige gener
DNA-funktioner påvirkes ikke kun af nye gener, men også aftabte områder af genomet. I undersøgelsen, ledet af Broad Institute og Yale University, så forskerne på meget konserverede gener - dem, der findes i næsten alle pattedyr. Ved at sammenligne det menneskelige genom med andre arter, især vores nære slægtninge primaterne, ledte forskerne efter dele af genomet tabt under evolutionen.
Analysen viste, at folk sammenlignede medandre arter af pattedyr har 10.032 deletioner - kromosomale omlejringer, som et resultat af, at en lille del af DNA går tabt. De fleste af dem er meget korte sekvenser, der kun består af nogle få basepar.
Illustration af undersøgelsen af deletioner i genometperson (i midten). Forskerne undersøgte, hvordan sådanne ændringer påvirker funktionen af forskellige væv og organer (øverst til venstre), ændrer fænotypen fra chimpanser til mennesker (nederst til venstre), ændrer genaktivitet (øverst til venstre), og hvordan returnering af tabte fragmenter vil påvirke processer i celler. Billede: James R. Xue et al., Science
Nogle af ændringerne vedrører gener med neuronale ogkognitive funktioner, herunder dannelsen af celler i den udviklende hjerne, andre styrer stofskiftet, herunder fedtcellernes og leverens arbejde. Forskerne bemærkede, at i stedet for at ødelægge menneskets biologi, skabte nogle af disse sletninger nye genetiske koder – de fjernede elementer, der normalt ville slukke for gener.
Dette kan sammenlignes med sætningen "gør ingenting"hvorfra partiklen "ikke" falder ud i evolutionsprocessen, forklarer videnskabsmænd. Som et resultat bliver "instruktionen til at skabe en levende organisme" vendt 180°. Sådanne små ændringer har blandt andet ført til dannelsen af komplekse kognitive funktioner og en unik menneskelig hjerne.
Vi tror ofte, at nye biologiske funktionerburde kræve nye stykker DNA, men dette arbejde viser os, at sletning af den genetiske kode kan have alvorlige konsekvenser for de egenskaber, der gør os unikke som art.
Stephen Reilly, en genetiker ved Yale School of Medicine og medforfatter af undersøgelsen
Søg efter årsagerne til udviklingen af sygdomme
Sammenlignende genetik hjælper ogsåforskere til at forstå, hvordan visse sygdomme opstår hos både dyr og mennesker. I en undersøgelse fokuserede genetikere på nogle af de mest bevarede enkeltbogstavsregioner fundet i genomerne af de fleste undersøgte pattedyr og sammenlignede dem med genetiske varianter, der tidligere var forbundet med sygdomme som kræft.
Hos mennesker med kræft kan mutationer værespredt ud over genomet. Efterhånden som sygdommen skrider frem, har disse genetiske ændringer en tendens til at akkumulere. Det er ofte svært at forstå, hvilke mutationer der betyder noget, hvilke der forårsager eller fremmer sygdom.
Forskerne fandt, at ændringer ikonservative områder af genomet, de mindst udsat for evolutionære ændringer, er stærkt korreleret med udviklingen af sygdomme. Forskere har identificeret mutationer, der sandsynligvis vil være årsagen til både sjældne og almindelige sygdomme.
Det har forskere for eksempel vistmedulloblastom, den mest almindelige type malign hjernetumor hos børn, har patienter mange nye mutationer i evolutionært bevarede positioner.
Vi håber, at analysen af disse mutationer vil lægge grundlaget for nye metoder til diagnosticering og behandling.
Karin Forsberg-Nielsson, professor ved Uppsala Universitet og studiemedforfatter
Andre opdagelser
Resultaterne beskrevet ovenfor er kun en del af et storstilet genetisk projekt. Andre undersøgelser som:
- forklaret, hvorfor den berømte slædehund fra 1920'erne ved navn Balto var i stand til at overleve under de barske forhold i Alaska;
- viste, at 'springgener' er mere almindelige hos kødædere end hos planteædere"
- fandt ud af, at arter med historisk mindre bestande i dag er i højere risiko for at uddø;
- identificeret ved hjælp af maskinlæringsdelegenomet, forbundet med adskillige usædvanlige træk ved pattedyrsverdenen, såsom ekstraordinær hjernestørrelse, overlegen lugtesans og evnen til at gå i dvale om vinteren.
Publicerede resultater er kun begyndelsenstorstilet arbejde, er der stadig meget at analysere. De viser de mange forskellige muligheder for at bruge komparativ genetik, bemærker projektforskerne. Indsamlede data om pattedyr og sekventering af genomerne fra andre dyrearter vil hjælpe med at lære mere om evolution, sygdomme og deres behandling.
Læs mere:
Formen af Mælkevejen er slet ikke, hvad vi har troet hele tiden, har videnskabsmænd fundet
To superjorde fundet på kanten af den beboelige zone: en af dem har en behagelig temperatur
Fandt et sort hul, der ødelægger en stjernerekord tæt på Jorden