Forskere finder 2.710 skjulte gener i verdens første komplette sangfuglegenom

Hvorfor er fuglegenomer så vanskelige at samle?

Fuglegenomer giver sekventeringsteknologien en særlig udfordring. I modsætning til pattedyr har fugle ofte snesevis af meget små mikrochromosomer – samt endnu mindre punktkromosomer – og lange områder med gentagne DNA-sekvenser. De gentagelser kan traditionelle kortlægningsmetoder have svært ved at placere korrekt .

De 11 mindste kromosomer havde tidligere ikke kunnet samles i deres fulde længde. Derfor var ældre referencegenomer fyldt med huller, som skjulte en del af det reelle genindhold .

Rockefeller-holdet, der arbejdede med Erich Jarvis’ laboratorium, kombinerede flere teknologier til såkaldt langlæsningssekventering, blandt andet PacBio HiFi og Oxford Nanopore . Undervejs opdagede forskerne, at gentagne DNA-sekvenser kunne tilstoppe sekventeringsporerne. De udviklede derfor metoder til at rense porerne gentagne gange under kørslerne.

Til sidst gennemgik de samlingen manuelt, kromosom for kromosom, for at lukke de sidste huller .

Resultatet er et fuldt faset, diploidt genom. Det betyder, at kortet kan skelne mellem det DNA, fuglen har arvet fra hver af sine forældre. Samlingen er desuden lavet fra telomer til telomer – fra den ene ende af hvert kromosom til den anden uden afbrydelser .

2.710 gener var skjult i hullerne

Det nye genomkort afslørede 2.710 tidligere ukendte gener, herunder 972 gener, der indeholder opskrifter på proteiner .

Et opsigtsvækkende eksempel er et gen, der er involveret i kommunikationen mellem nerveceller. Forskere havde troet, at zebrafinken manglede genet. I virkeligheden lå det skjult på kromosom 31 – et lille kromosom med så mange gentagelser, at det hidtil ikke havde kunnet samles .

Opdagelsen viser, hvorfor manglende gener i ældre genomkort ikke nødvendigvis betyder, at generne er forsvundet gennem evolutionen. Nogle af dem har ganske enkelt ligget i områder, som teknologien ikke kunne læse ordentligt.

Det kvindelige W-kromosom er nu kortlagt

Forskerne fik også samlet det kønsspecifikke W-kromosom, som kun findes hos hunner. Hele 83 procent af kromosomet består af gentaget DNA, og omkring en tredjedel af sekvensen havde aldrig tidligere været samlet .

Det er vigtigt for forskningen i kønsforskelle i vokal indlæring. Gener på Z- og W-kromosomerne er beriget med gener, der forbindes med forskelle mellem kønnene i evnen til at lære vokaliseringer, blandt andet gennem forbindelse til østrogenregulering. Med den komplette samling kan forskerne nu undersøge disse gener direkte .

Kromosomernes centromerer peger mod en fælles fortid

En anden overraskende opdagelse handler om centromerer. Det er strukturer, der holder søsterkromatider sammen, når en celle deler sig.

Holdet fandt en gentagelse på 716 basepar ved centromeren på hvert eneste zebrafinkromosom. Gentagelsen indeholder motiver, der minder tæt om det sted, hvor det menneskelige protein CENP-B binder sig .

Forskerne identificerede samtidig et muligt bindingsprotein fra den samme gamle familie af mobilt DNA, som gav ophav til CENP-B hos pattedyr. Det peger på, at fugle og pattedyr kan have en mere organiseret centromerstruktur til fælles, end man hidtil har antaget .

De strukturer, der blev synlige på mikrochromosomerne, menes desuden at afspejle en tidlig grundplan for hvirveldyrs genomer. Det kan give nye spor om, hvordan genomer har udviklet sig gennem hundreder af millioner af år .

Hvad betyder det for forskningen i sang og tale?

Zebrafinken lærer sin sang ved at lytte og efterligne. Netop derfor er den en af de vigtigste dyremodeller for forskere, der undersøger biologien bag tale og vokal indlæring .

Med det nye referencegenom er zebrafinken kun den anden vokalt indlærende art med et komplet genom. Den første er mennesket .

Erich Jarvis, der leder Laboratory of Neurogenetics of Language på Rockefeller University, har sagt, at hvis der findes et centralt molekyle, som adskiller arter, der lærer vokaliseringer, fra arter, der ikke gør, så "er det der et sted". Det komplette genom gør det nu muligt at lede mere målrettet efter og teste sådanne gener .

Resultatet styrker også den bredere sammenligning af hvirveldyrs genomer. Forskere har i årevis diskuteret, om bestemte gener reelt var gået tabt hos fugle, eller om de blot manglede i ufuldstændige genomkort. Den nye samling gør det lettere at skelne mellem ægte evolutionære tab og fejl, der skyldes mangelfuld sekventering .

Næste skridt

Zebrafinkens telomer-til-telomer-genom indgår i et større arbejde under Vertebrate Genomes Project, som har som mål at fremstille komplette genomer for tusindvis af hvirveldyr .

Efterhånden som flere komplette genomkort bliver tilgængelige, kan forskere stille mere præcise spørgsmål om genomerens udvikling, vokal indlæring og det genetiske grundlag for kompleks adfærd.

For zebrafinken betyder det nye kort først og fremmest, at forskere har fået et langt skarpere værktøj til at undersøge, hvordan en fugl lærer sin sang – og måske også hvilke genetiske mekanismer der ligger bag menneskets tale.