Under de senaste 100 miljoner åren har däggdjur anpassat sig till nästan alla möjliga miljöer - ekosystem på
I flera artiklar i specialnumretTidskrifts Science forskare visar hur jämförande genomik kan kasta ljus över hur vissa arter uppnår evolutionär framgång och hjälpa forskare att bättre förstå vilka delar av vårt genom som är funktionella och hur de kan påverka hälsa och sjukdomar.
Vad studerar Zoonomia-projektet?
Zoonomia är ett internationellt projekt somanvänder moderna framsteg inom DNA-sekvenseringsteknik för att förstå hur genom ger upphov till den enorma mångfalden av däggdjur. Forskningsprojektet samlar mer än 30 team av forskare från hela världen, ledda av genetiker från Sveriges Uppsala universitet och Broad Institute, ett gemensamt forskningscentrum mellan Massachusetts Institute of Technology och Harvard University.
Redan 2020 slutförde forskare arbetet medsekvensering av de fullständiga genomen av 240 däggdjursarter, av vilka 131 inte har beskrivits tidigare. Även om detta verkar som ett litet antal - mer än 6 500 arter av däggdjur är kända - var provet utformat för att samla in data från olika undergrupper av djur. Studien omfattar därför mer än 80 % av däggdjursfamiljerna, som spänner över nästan 110 miljoner år av evolution.
I nya arbeten använder forskare anpassninggenomsekvenser för att identifiera förändringar som driver evolutionen. Detta är en bioinformatisk metod som bygger på att sekvenser av DNA-monomerer eller proteiner placeras under varandra på ett sådant sätt att man hittar liknande regioner i dem.
Forskare har identifierat de mest konservativaregioner av genomet, och ibland enskilda nukleotider ("bokstäver") av DNA, som förblir oförändrade i däggdjur under tiotals miljoner år av evolution. Det är de områden som verkar vara de mest biologiskt viktiga. De hittade också en del av den genetiska grunden för ovanliga däggdjursegenskaper, såsom förmågan att övervintra eller upptäcka svaga lukter över stora avstånd.
Tidslinje för däggdjurs evolution
Däggdjur levde tillsammans med dinosaurier och överlevdeen massutrotning som utplånade de flesta av dessa forntida arter förutom de moderna fåglarnas förfäder. Under lång tid trodde forskare att den massiva diversifieringen av däggdjur (den snabba ökningen av antalet nya arter) började precis efter denna händelse.
I en studie spårade forskare förändringar i icke-kodande regioner av genomet hos olika däggdjur för att bygga en "molekylär klocka".
Molekylära klockor ger oss förmågan att förstå exakt när och var olika linjer av däggdjur senast delade gemensamma förfäder, även i avsaknad av fossila poster.
William Murphy, medförfattare till studien från Texas A&M University
Forskarna fann att den första separationendäggdjur till arter inträffade före massutrotningen - under krita- och tertiärperioden. Till exempel kan utvecklingen av placenta däggdjur spåras tillbaka för 102 miljoner år sedan. Den första stimulansen för bildandet av nya arter var kanske kontinentaldriften, som fick enorma landmassor att flytta isär och återförenas under miljontals år.
Ännu en period av aktiv diversifieringinträffade faktiskt precis efter dinosauriernas utrotning - för cirka 65 miljoner år sedan, då däggdjuren hade mer utrymme, resurser och stabilitet. Denna accelererade evolution har lett till en rik mångfald av däggdjur, inklusive sådana olika grupper som köttätare, primater och klövdjur.
Genetisk historia av utvecklingen av däggdjur. Bild: Nicole M. Foley et al., Science
Förlorade mänskliga gener
DNA-funktioner påverkas inte bara av nya gener utan ocksåsaknade delar av genomet. I studien, ledd av Broad Institute och Yale University, tittade forskare på mycket konserverade gener – de som kan hittas i nästan alla däggdjur. Genom att jämföra det mänskliga genomet med andra arter, särskilt våra nära släktingar primaterna, letade forskarna efter regioner i genomet som hade gått förlorade under evolutionen.
Analysen visade att hos människor, jämfört medHos andra däggdjursarter finns det 10 032 deletioner - kromosomala omarrangemang som resulterar i förlust av en liten del av DNA. De flesta av dem är mycket korta sekvenser, bestående av endast ett fåtal nukleotidpar.
Illustration av studien av deletioner i genometperson (i mitten). Forskarna studerade hur sådana förändringar påverkar funktionen hos olika vävnader och organ (överst till vänster), förändrar fenotypen från schimpanser till människor (längst ner till vänster), förändrar genaktivitet (överst till vänster) och hur återföring av förlorade fragment kommer att påverka processer i celler. Bild: James R. Xue et al., Science
Några av förändringarna relaterar till gener med neurala ochkognitiva funktioner, inklusive bildandet av celler i den utvecklande hjärnan, andra styr ämnesomsättningen, inklusive fettcellernas och leverns arbete. Forskarna märkte att i stället för att förstöra mänsklig biologi skapade några av dessa raderingar nya genetiska koder - de tog bort element som normalt stänger av gener.
Detta kan jämföras med frasen "att inte göra något"från vilken "inte"-partikeln faller ut under evolutionsprocessen, förklarar forskare. Som ett resultat vrids "instruktionerna för att skapa en levande organism" 180°. Sådana små förändringar ledde bland annat till bildandet av komplexa kognitiva funktioner och en unik mänsklig hjärna.
Vi tror ofta att nya biologiska funktionerborde kräva nya bitar av DNA, men detta arbete visar oss att borttagning av genetisk kod kan få allvarliga konsekvenser för de egenskaper som gör oss unika som art.
Stephen Reilly, en genetiker vid Yale School of Medicine och medförfattare till studien
Sök efter orsakerna till sjukdomsutveckling
Jämförande genetik hjälper ocksåforskare kan förstå hur vissa sjukdomar uppstår hos både djur och människor. I en studie fokuserade genetiker på några av de mest bevarade enbokstavsregionerna som finns i genomen hos de flesta studerade däggdjur och jämförde dem med genetiska varianter som tidigare kopplats till sjukdomar som cancer.
Personer med cancer kan ha mutationerutspridda i genomet. När sjukdomen fortskrider tenderar dessa genetiska förändringar att ackumuleras. Det är ofta svårt att veta vilka mutationer som spelar roll och vilka som orsakar eller främjar sjukdomar.
Forskare fann att förändringar ikonserverade områden av genomet, minst mottagliga för evolutionära förändringar, är starkt korrelerade med utvecklingen av sjukdomar. Forskare har identifierat mutationer som sannolikt kan orsaka både sällsynta och vanliga sjukdomar.
Forskare har till exempel visat att närmedulloblastom, den vanligaste typen av maligna hjärntumörer hos barn, uppvisar patienter många nya mutationer vid evolutionärt konserverade positioner.
Vi hoppas att analys av dessa mutationer kommer att lägga grunden för nya diagnostiska och behandlingsmetoder.
Karin Forsberg-Nilsson, professor vid Uppsala universitet och medförfattare till studien
Andra upptäckter
Resultaten som beskrivs ovan är bara en del av ett storskaligt genetiskt projekt. Andra studier, till exempel:
- förklarade varför den berömda slädhunden Balto från 1920-talet kunde överleva de svåra förhållandena i Alaska;
- visade att "hoppande gener" är vanligare hos köttätare än hos växtätare."
- обнаружили, что виды с исторически меньшими популяциями сегодня подвергаются более высокому риску исчезновения;
- определили с помощью машинного обучения части генома, связанные с несколькими исключительными чертами мира млекопитающих, такими как необычайный размер мозга, превосходное обоняние и способность впадать в спячку зимой.
Опубликованные результаты — только начало масштабной работы, многое еще предстоит проанализировать. Они показывают разнообразие возможностей использования сравнительной генетики, отмечают исследователи проекта. Собранные данные о млекопитающих и секвенирование геномов других видов животных помогут больше узнать об эволюции, болезнях и их лечении.
Läs mer:
Formen på Vintergatan är inte alls vad vi trodde hela tiden, har forskare funnit
Två superjordar finns på kanten av den beboeliga zonen: en av dem har en behaglig temperatur
Hittade ett svart hål som förstör ett stjärnrekord nära jorden