Секреты ранней эволюции животных, раскрытые хромосомной «тектоникой»

Большие генные блоки, сохранившиеся за сотни миллионов лет эволюции, дают подсказку о том, как появились первые хромосомы животных.

Хромосомы — узлы ДНК, блистающие в митотическом танце клеточного деления, — играют ведущую роль в системе живой природы. Однако долгое время никак не удавалось ответить на вопрос о появлении и эволюции хромосом. Отчасти это связано с отсутствием на хромосомном уровне геномной информации, а отчасти с гипотезой о том, что эоны эволюционных изменений стёрли все следы этой древней истории.

И вот в журнале Science Advances появилась статья международной группы исследователей во главе с профессором биологических наук Калифорнийского университета (University of California) в Беркли Дэниелом Рохсаром (Daniel Rokhsar) об изменениях, происходивших в хромосомах аж 800 миллионов лет назад. Авторы статьи идентифицировали 29 крупных генных блоков, оставшихся различимыми и после того, как они перешли в три самых ранних подразделения многоклеточной животной жизни. Используя эти блоки в качестве маркеров, учёные проследили слияние и рекомбинацию хромосом по мере образования ранних групп животных.Авторы статьи назвали применённый ими подход «геномной тектоникой». Эти биологи реконструируют появление нынешних хромосом в процессе различных геномных дупликаций, слияний и транслокаций точно так же, как геологи, используя знание о тектонике плит, реконструируют появление и движение континентов.

Данное исследование знаменует новую эру в сравнительной геномике. Ранее исследователи изучали коллекции генов разных линий и описывали за раз изменения в одной базовой паре. Теперь, когда стало доступным исследование большего количества сборок на хромосомном уровне, учёные могут проследить эволюцию целых хромосом вплоть до её начала. Затем они могут использовать эту информацию для составления статистических прогнозов и строгой проверки гипотез о связях между группами организмов.

Два года назад, используя аналогичные инновационные методы, Рохсар и его коллеги разрешили давнюю загадку о сроках геномных дупликаций, сопровождавших появление челюстноротых позвоночных. Но данный подход имеет важное значение не только в области ретроспективных исследований. Делая с его помощью открытия, учёные выявляют алгебраически простые правила, на основе которых хромосомы обмениваются фрагментами. Эта информация может послужить путеводной звездой для будущих геномных исследований и помочь предсказывать, что будет найдено в геномах видов, для которых биологи ещё не провели полное секвенирование.

«У нас появилась возможность создать более широкую картину эволюции хромосом с охватом всего древа жизни», — говорит Полин Картрайт (Paulyn Cartwright), профессор экологии и эволюционной биологии Университета Канзаса (University of Kansas). Теперь, по её словам, учёные могут судить о содержимом хромосом самых первых животных. Кроме того, появилась возможность исследовать, как по мере диверсификации животных менялись или оставались неизменными различные участки хромосом — и почему. «Мы в самом деле не могли всего этого делать, пока не были получены эти высококачественные геномы».

Что общего у древних геномов

Рохсар и большая международная команда его коллег осуществили для опубликованного только что исследования первую высококачественную сборку генома гидры на хромосомном уровне. Они описали её как модель для «почтенной книдарии». Сравнивая геном гидры с другими хорошо изученными геномами животных, учёные обнаружили крайне консервативные группы (блоки) связанных друг с другом генов. На протяжении длительного эволюционного времени порядок расположения генов в границах этих блоков часто менялся, но сами блоки оставались стабильными.

Когда около 20 лет назад началось секвенирование геномов животных, в отношении многих геномов отсутствовала уверенность в том, что связанные группы генов в хромосомах могут оставаться стабильными и распознаваемыми на протяжении эонов, тем более в том, что окажется возможным отслеживать прохождение этих генных блоков практически по всем линиям животных.

Животные отделились от своих одноклеточных родственников 600 или 700 миллионов лет назад, и, говорит Джорди Папс (Jordi Paps), биолог-эволюционист Бристольского университета (University of Bristol), Великобритания, «возможность распознавать фрагменты хромосом, которые сохранились с того времени, вызывает восхищение».

«Пока не были получены эти данные о целых хромосомах, мы изучали небольшие фрагменты хромосом и видели множество перестановок, — отмечает Картрайт. — Поскольку порядок расположения генов в изучаемых фрагментах довольно часто менялся, мы резонно предполагали, что этот порядок не сохраняется».

Тем не менее, несмотря на частое изменение порядка расположения генов в хромосомах, Рохсар, опираясь на интуицию и данные его более ранних исследований геномов животных, предполагал, что существует относительная стабильность в совместном появлении генов. «Сравнение морской анемоны или губки с человеком … говорит о том, что на одном и том же участке ДНК набор генов, по-видимому, не менялся, — объяснил Рохсар. — И этот паттерн наводит на мысль, что целые хромосомы тоже не меняли своё содержание». Однако до недавнего времени в силу нехватки геномной информации в хромосомном масштабе о различных группах животных проверить эту гипотезу не представлялось возможным.

Геномная инерция

Но что заставляет генные блоки оставаться связанными друг с другом? Одно из объяснений этого явления, которое называется синтенией, связано с функционированием генов, говорит Харрис Левин (Harris Lewin), профессор эволюции и экологии Калифорнийского университета (University of California) в Дэвисе, исследующий эволюцию геномов млекопитающих. Возможно, что гены эффективнее функционируют вместе, если и структурно они находятся вместе; таким образом, клетке не нужно осуществлять координацию, необходимую при транскрипции генов из нескольких локусов на разных хромосомах.

Это, вероятно, объясняет устойчивость некоторых наборов генов, расположение которых имеет критическое значение: например, отвечающие за план тела животных Hox-гены, чтобы паттерн тела оказался правильным, должны располагаться в определённом порядке. Но эти тесно связанные гены не выходят за пределы относительно короткого участка ДНК. Рохсар говорит, что ему не известно ни о какой функциональной корреляции, охватывающей целую хромосому и способной объяснить открытия, сделанные его командой.

Вот почему Рохсар скептически относится к функциональному объяснению. Оно привлекательно («В некотором смысле, — сказал учёный, — оно могло бы оказаться самым крутым достижением»), но ещё и, похоже, не является необходимым, ибо, если рекомбинация генов в хромосомах не предоставляет значительных функциональных преимуществ, ей, в сущности, трудно получить распространение. А рекомбинации, как правило, не приносят пользы: во время мейоза и образования гамет каждая хромосома должна объединиться в пару с подходящим партнёром. Без партнёра непарная хромосома не способна стать частью жизнеспособной гаметы, поэтому у неё очень мало шансов попасть в следующее поколение. Небольшие мутации, которые меняют порядок генов в хромосомах, всё-таки могут происходить. («Вероятно, есть немного места для ошибок в смысле незначительных рекомбинаций, поэтому гены всё же могут распознавать друг друга», — сказала Картрайт). Но сломавшиеся или сросшиеся хромосомы, как правило, ведут в тупик.

Возможно, что в таких группах, как млекопитающие, популяции которых имеют небольшие размеры, рекомбинация генов случайно распространяется с помощью так называемого генетического дрейфа, предполагает Рохсар. Но, отмечает он, в больших, свободно смешивающихся популяциях, таких как популяции морских беспозвоночных, где самка откладывает сотни или тысячи яиц, «очень трудно закрепиться одной из новых рекомбинаций». «Дело не в том, что они не пытаются. Просто эволюция не даёт им никаких шансов».

Следовательно, гены, как правило, застревают на одной хромосоме.

«Просто-напросто процессы, способствующие их движению, очень медленные, требуют сотен миллионов лет, — сказал Рохсар. — Несмотря на то, что прошло огромное количество времени, его всё ещё недостаточно для того, чтобы они переместились».

Однако команда Рохсара обнаружила, что когда эти редкие слияния хромосом всё же происходят, они оставляют чёткую подпись: после слияния гены из двух блоков перемешиваются и переупорядочиваются, потому что с течением времени в них накапливаются «инверсионные мутации». В результате гены из двух блоков, смешавшись, как чай и молоко, навсегда остаются неразделимыми. «Существует энтропийное стремление к смешиванию, которое нельзя отменить», — отметил Рохсар.

И поскольку процессы слияния, смешения и дупликации генных блоков настолько редки, необратимы и специфичны, их можно отслеживать: крайне маловероятно, что хромосома дважды сломается в одном и том же месте, а затем сольётся и смешается с другим генным блоком таким же образом.

Поэтому подписи, оставляемые данными событиями в хромосомах, представляют собой новые наборы производных характеристик, которые можно использовать для проверки гипотез о родстве видов. Если у двух линий общая смесь двух генных блоков, то смешение, скорее всего, произошло у их общего предка. Если линии имеют два набора одних и тех же генных блоков, то, вероятно, у их общего предка произошла дупликация генома. Это делает синтении «очень, очень мощным инструментом», отметил Олег Симаков (Oleg Simakov), специалист по геномике Венского университета (University of Vienna) и первый автор статей о данном исследовании.

Отпечатки эволюционных событий

«Одним из моих любимых аспектов нашего исследования является предсказание того, чего следует ожидать в пока ещё не секвенированных геномах», — написал Рохсар в одном из электронных писем, отправленных в редакцию журнала Quanta. Например, его команда обнаружила, что для всех беспозвоночных, которые классифицируются как спиральные, являются общими четыре специфических паттерна слияния с перемешиванием, указывающие на то, что события слияния произошли у их общего предка.

«Из этого следует, что у всех спиральных должны наблюдаться эти паттерны слияния с перемешиванием, — написал Рохсар. — Если будет найдено хотя бы одно спиральное, у которого отсутствуют эти паттерны, тогда эта гипотеза может быть отброшена!»

И вот что он добавил:

«Не часто удаётся делать такие громкие заявления об эволюционной истории».

В своей новой статье в журнале Science Advances Симаков, Рохсар и их коллеги, чтобы улучшить наши знания о возникновении некоторых из самых ранних групп животных около 800 миллионов лет назад, использовали тектонический подход. Изучая широкий спектр животных, представленных губками, книдариями (такими как гидры, медузы и кораллы) и билатериями (животными с двусторонней симметрией), исследователи обнаружили 29 генных блоков, крайне консервативных в хромосомах этих животных.

Затем исследователи, используя выявленные ими правила слияния хромосом и перемешивания генов, реконструировали события хромосомного уровня, которые сопровождали возникновение указанных трёх линий животных в ходе эволюции их общего предка. Учёные показали, что в хромосомах губок, книдарий и билатерий представлены отличительные способы комбинирования элементов генома предка.

Одним из дерзких открытий было то, что некоторые из связанных генных блоков, похоже, присутствуют и в геномах некоторых одноклеточных существ, таких как хоанофлагеллаты, ближайшие родственники многоклеточных животных. У многоклеточных животных один из этих блоков содержит разнообразный набор генов гомеобокса, которые управляют развитием общей структуры тела. Это говорит о том, что, по-видимому, одним из самых ранних событий в процессе появления многоклеточных животных были экспансия и диверсификация данных генов, имеющих важное значение. «Эти древние единицы сцепления дают основу для понимания генной и геномной эволюции у животных», — отметили учёные в своей статье.

Применённый ими подход позволяет различать тонкие, но очень важные аспекты хромосомных событий. Например, в статье 2020 года исследователи пришли к выводу, что где-то в кембрийский период, прежде чем эволюция разделила бесчелюстных и челюстноротых рыб, геном позвоночных подвергся дупликации. Затем они нашли доказательства того, что позже два вида челюстноротых рыб скрестились и произошла вторая дупликация геномов; получившийся гибрид впоследствии стал предком всех костистых рыб.

Джон Послтуэйт (John Postlethwait), специалист по геномике из Университета штата Орегон (University of Oregon), подчёркивает важность метода анализа, предложенного командой Рохсара. «Они использовали статистический подход, и они не просто предположили: “Ну, наверное, произошло то-то и то-то”, — сказал он. — Этот подход — важная часть их методологии, не только потому, что у них была возможность работать с геномами более высокого качества, но и потому, что они использовали этот количественный подход, чтобы тщательно проверить свои гипотезы».

Описанные исследования знаменуют собой только начало того улучшения наших знаний, которое позволяют осуществить геномная тектоника и генетические синтении. В недавних препринтах, опубликованных на сайте biorxiv.org, команда Рохсара реконструировала эволюцию хромосом лягушки, а одна европейская команда изучила эволюцию хромосом телеостов. Исследование, результаты которого опубликованы в журнале Current Biology, обнаружило «массовую геномную инверсию», управляющую сосуществованием дивергентных форм у обыкновенных перепелов и позволяющую предполагать некоторые функциональные последствия рекомбинации хромосом.

Напрашивается гипотеза о том, что перемешивание групп сцепления генов связано с диверсификацией линий и эволюционными инновациями, происходившими в течение последних 500 миллионов лет. Весьма вероятно, что при спаривании хромосомные рекомбинации могут приводить к несовместимости, способной вызвать раздвоение линии. Кроме того, весьма вероятно, что обретение генами новых соседей может приводить к инновациям в генной регуляции. «Возможно, это было одной из движущих сил диверсификации животных», — говорит Симаков.

«Это исключительно важный вопрос, — подчёркивает Левин. — Это поистине тектонические геномные сдвиги, и было бы странно, если бы они не повлекли за собой серьёзных последствий».