Viimeisten 100 miljoonan vuoden aikana nisäkkäät ovat sopeutuneet lähes kaikkiin mahdollisiin ympäristöihin - ekosysteemeihin
Useissa erikoisnumeron artikkeleissaJournal Science tutkijat osoittavat, kuinka vertaileva genomiikka voi valaista sitä, kuinka tietyt lajit saavuttavat evoluution menestystä, ja auttaa tutkijoita ymmärtämään paremmin, mitkä genomimme osat ovat toimivia ja miten ne voivat vaikuttaa terveyteen ja sairauksiin.
Mitä Zoonomia-projekti tutkii?
Zoonomia on kansainvälinen projekti, jokakäyttää DNA-sekvensointiteknologian nykyaikaisia edistysaskeleita ymmärtääkseen, kuinka genomit synnyttävät valtavan monimuotoisuuden nisäkkäitä. Tutkimushanke kokoaa yhteen yli 30 tutkijaryhmää eri puolilta maailmaa, joita johtavat ruotsalaisen Uppsalan yliopiston geneettikot ja Broad Institute, Massachusetts Institute of Technologyn ja Harvardin yliopiston yhteinen tutkimuskeskus.
Vuonna 2020 tutkijat valmistuivatKoko genomin sekvensointi 240 nisäkäslajilla, joista 131:tä ei ole vielä kuvattu. Vaikka tämä näyttää pieneltä määrältä – tunnetaan yli 6500 nisäkäslajia – näyte on suunniteltu keräämään tietoja eri eläinalaryhmistä. Siksi tutkimukseen kuuluu yli 80 % nisäkässuvoista, ja se kattaa lähes 110 miljoonan vuoden evoluution.
Uudessa työssä tutkijat käyttävät kohdistustagenomisekvenssit määrittääkseen muutokset, jotka ohjaavat evoluutiota. Tämä on bioinformatiikan menetelmä, joka perustuu DNA- tai proteiinimonomeerien sekvenssien sijoittamiseen päällekkäin siten, että niistä löydetään samanlaisia kohtia.
Tutkijat ovat tunnistaneet konservatiivisimmangenomin alueet ja joskus yksittäiset DNA:n nukleotidit ("kirjaimet"), jotka pysyvät muuttumattomina nisäkkäissä kymmenien miljoonien vuosien evoluution aikana. Nämä ovat alueita, jotka näyttävät olevan biologisesti tärkeimpiä. He löysivät myös osan geneettisestä perustasta epätavallisille nisäkäsominaisuuksille, kuten kyvylle levätä talviunissa tai havaita heikkoja tuoksuja pitkien etäisyyksien päästä.
Nisäkkäiden evoluution aikajana
Nisäkkäät asuivat dinosaurusten rinnalla ja selvisivätmassasukupuutto, joka pyyhkäisi pois suurimman osan näistä muinaisista lajeista, paitsi nykyaikaisten lintujen esi-isiä. Pitkän aikaa tutkijat uskoivat, että nisäkkäiden massiivinen monipuolistuminen (uusien lajien määrän nopea kasvu) alkoi juuri tämän tapahtuman jälkeen.
Yhdessä tutkimuksessa tutkijat seurasivat muutoksia eri nisäkkäiden genomin ei-koodaavilla alueilla rakentaakseen "molekyylikellon".
Molekyylikello antaa meille mahdollisuuden ymmärtää tarkalleen milloin ja missä eri nisäkäslinjojen viimeksi jakoivat yhteiset esi-isät, vaikka fossiilitietueita ei olisikaan.
William Murphy, tutkimuksen toinen kirjoittaja Texas A&M -yliopistosta
Tutkijat havaitsivat, että ensimmäinen jakonisäkkäiden muuttaminen lajeihin tapahtui ennen massasukupuuttoa - liitukauden ja tertiaarikauden aikana. Esimerkiksi istukan nisäkkäiden evoluutio voidaan jäljittää 102 miljoonan vuoden takaa. Ehkä ensimmäinen sysäys uusien lajien muodostumiselle oli mantereiden ajautuminen, joka johti siihen, että valtavat maa-alueet erosivat ja kokoontuivat uudelleen miljoonien vuosien aikana.
Toinen aktiivisen monipuolistamisen aikatodella tapahtui heti dinosaurusten sukupuuton jälkeen - noin 65 miljoonaa vuotta sitten, jolloin nisäkkäillä oli enemmän tilaa, resursseja ja vakautta. Tämä nopeutunut evoluutio on johtanut nisäkkäiden runsaaseen monimuotoisuuteen, mukaan lukien sellaiset erilaiset ryhmät kuin lihansyöjät, kädelliset ja sorkka- ja kavioeläimet.
Nisäkkäiden evoluution geneettinen historia. Kuva: Nicole M. Foley et ai., Science
Kadonneet ihmisen geenit
DNA:n toimintoihin ei vaikuta ainoastaan uudet geenit, vaan myösgenomin kadonneita alueita. Broad Instituten ja Yalen yliopiston johtamassa tutkimuksessa tutkijat tarkastelivat erittäin konservoituneita geenejä - sellaisia, joita löytyy melkein kaikista nisäkkäistä. Vertaamalla ihmisen genomia muihin lajeihin, erityisesti lähisukulaisiimme kädellisiin, tutkijat etsivät evoluution aikana kadonneita genomin osia.
Analyysi osoitti, että ihmiset verrattunamuissa nisäkäslajeissa on 10 032 deleetiota - kromosomaalisia uudelleenjärjestelyjä, joiden seurauksena pieni osa DNA:sta menetetään. Useimmat niistä ovat hyvin lyhyitä sekvenssejä, jotka koostuvat vain muutamasta emäsparista.
Kuva genomin deleetioiden tutkimuksestahenkilö (keskellä). Tutkijat tutkivat, kuinka tällaiset muutokset vaikuttavat eri kudosten ja elinten toimintaan (ylhäällä vasen), muuttavat fenotyyppiä simpansseista ihmisiin (alhaalla vasemmalla), muuttavat geenien toimintaa (ylhäällä vasemmalla) ja kuinka kadonneiden fragmenttien palautuminen vaikuttaa prosesseihin soluja. Kuva: James R. Xue et al., Science
Jotkut muutoksista liittyvät geeneihin, joissa on hermosolujen jakognitiiviset toiminnot, mukaan lukien solujen muodostuminen kehittyvissä aivoissa, muut ohjaavat aineenvaihduntaa, mukaan lukien rasvasolujen ja maksan toimintaa. Tutkijat huomasivat, että ihmisen biologian tuhoamisen sijaan jotkut näistä deleetioista loivat uusia geneettisiä koodeja - ne poistivat elementtejä, jotka normaalisti sammuttaisivat geenit.
Tätä voidaan verrata lauseeseen "älä tee mitään"josta hiukkanen "ei" putoaa ulos evoluutioprosessissa, tutkijat selittävät. Tämän seurauksena "elävän organismin luomisohje" on käännetty 180°. Tällaiset pienet muutokset ovat johtaneet muun muassa monimutkaisten kognitiivisten toimintojen ja ainutlaatuisten ihmisaivojen muodostumiseen.
Ajattelemme usein, että uusia biologisia toimintojaSen pitäisi vaatia uusia DNA-kappaleita, mutta tämä työ osoittaa meille, että geneettisen koodin poistamisella voi olla vakavia seurauksia ominaisuuksille, jotka tekevät meistä ainutlaatuisia lajina.
Stephen Reilly, Yalen lääketieteellisen korkeakoulun geneetikko ja tutkimuksen toinen kirjoittaja
Etsi sairauksien kehittymisen syitä
Myös vertaileva genetiikka auttaatutkijat ymmärtämään, kuinka tietyt sairaudet esiintyvät sekä eläimillä että ihmisillä. Yhdessä tutkimuksessa geneetikot keskittyivät joihinkin konservoituneimpiin yksikirjaimiin alueisiin, jotka löytyivät useimpien tutkittujen nisäkkäiden genomissa, ja vertasivat niitä geneettisiin muunnelmiin, jotka aiemmin liittyivät sairauksiin, kuten syöpään.
Syöpää sairastavilla ihmisillä voi olla mutaatioitahajallaan genomissa. Sairauden edetessä näillä geneettisillä muutoksilla on taipumus kumuloitua. Usein on vaikea ymmärtää, mitkä mutaatiot ovat tärkeitä, mitkä aiheuttavat tai edistävät sairauksia.
Tutkijat havaitsivat, että muutoksiagenomin konservatiiviset alueet, jotka ovat vähiten alttiina evoluution muutoksille, korreloivat voimakkaasti sairauksien kehittymisen kanssa. Tutkijat ovat tunnistaneet mutaatioita, jotka todennäköisesti aiheuttavat sekä harvinaisia että yleisiä sairauksia.
Esimerkiksi tutkijat ovat osoittaneet senmedulloblastooma, yleisin lasten pahanlaatuinen aivokasvain, potilailla on monia uusia mutaatioita evoluutionaalisesti säilyneissä asemissa.
Toivomme, että näiden mutaatioiden analyysi luo pohjan uusille diagnoosi- ja hoitomenetelmille.
Karin Forsberg-Nielsson, Uppsalan yliopiston professori ja tutkimuksen toinen kirjoittaja
Muita löytöjä
Yllä kuvatut tulokset ovat vain osa laajamittaista geneettistä hanketta. Muita tutkimuksia, kuten:
- selitti, miksi kuuluisa 1920-luvun rekikoira nimeltä Balto selviytyi Alaskan ankarissa olosuhteissa;
- osoitti, että "hyppygeenit" ovat yleisempiä lihansyöjillä kuin kasvinsyöjillä"
- havaitsi, että lajit, joilla on historiallisesti pienempi populaatio, ovat nykyään suuremmassa vaarassa kuolla sukupuuttoon;
- tunnistaa koneoppimisosien avullagenomit, jotka liittyvät useisiin nisäkäsmaailman poikkeuksellisiin piirteisiin, kuten poikkeukselliseen aivojen kokoon, erinomaiseen hajuaistiin ja kykyyn nukkua talvella.
Julkaistut tulokset ovat vasta alkualaajamittaista työtä, paljon on vielä analysoitavaa. Ne osoittavat vertailevan genetiikan käyttömahdollisuuksien monipuolisuutta, hankkeen tutkijat huomauttavat. Nisäkkäistä kerätty tieto ja muiden eläinlajien genomien sekvensointi auttavat oppimaan lisää evoluutiosta, sairauksista ja niiden hoidosta.
Lue lisää:
Tiedemiehet ovat havainneet, että Linnunradan muoto ei ole ollenkaan se, mitä luulimme koko ajan
Asumisvyöhykkeen reunalta löytyi kaksi supermaata: toisessa on mukava lämpötila
Löysi mustan aukon, joka tuhoaa tähtiennätyksen lähellä Maata