Kompletny genom zeberki odsłania tysiące ukrytych genów

Dlaczego genom ptaka tak trudno złożyć?

Genomy ptaków stanowią dla technologii sekwencjonowania szczególne wyzwanie. W przeciwieństwie do genomów ssaków zawierają dziesiątki niewielkich mik chromosomów, jeszcze mniejsze tak zwane chromosomy kropkowe oraz długie odcinki powtarzalnego DNA. Tradycyjne technologie odczytu krótkich fragmentów nie potrafiły ich wiarygodnie rozróżnić .

Wcześniejsze mapy nie pozwalały w całości złożyć 11 najmniejszych chromosomów. W efekcie w genomie pozostawały liczne luki, które ukrywały rzeczywistą zawartość genów .

Zespół pracujący w laboratorium Ericha Jarvisa połączył kilka technologii odczytu długich fragmentów DNA, między innymi PacBio HiFi i Oxford Nanopore . Powtarzalne sekwencje zatykały pory wykorzystywane przez urządzenia sekwencjonujące, dlatego naukowcy opracowali procedury pozwalające wielokrotnie je oczyszczać podczas odczytu. Następnie ręcznie sprawdzili i skorygowali montaż chromosom po chromosomie, zamykając pozostałe luki .

Rezultatem jest w pełni sfazowany genom diploidalny — taki, który rozróżnia DNA odziedziczone po matce i ojcu — oraz złożenie typu telomer–telomer (T2T), obejmujące każdy chromosom bez przerw, od jednego końca do drugiego .

2710 genów było „ukrytych” w lukach

Kompletna mapa ujawniła 2710 wcześniej nieznanych genów, z czego 972 kodują białka . Jeden z najbardziej wymownych przykładów dotyczy genu uczestniczącego w komunikacji komórek nerwowych. Naukowcy sądzili, że zeberka go nie posiada. W rzeczywistości gen znajdował się na chromosomie 31 — niewielkim i silnie powtarzalnym chromosomie, którego wcześniej nie udało się złożyć .

To odkrycie zmienia także interpretację wcześniejszych badań ewolucyjnych. Niektóre geny uznawane za utracone przez ptaki mogły wcale nie zniknąć — po prostu nie dało się ich odczytać z niekompletnego genomu .

Po raz pierwszy dokładnie zmapowano chromosom W

Nowa wersja genomu obejmuje również żeński chromosom W. Aż 83 proc. jego sekwencji stanowi powtarzalne DNA, a około jedna trzecia nie była wcześniej złożona .

To istotne dla badań nad różnicami między samcami i samicami w nauce wokalizacji. Geny znajdujące się na chromosomach płci Z i W są wzbogacone o te powiązane z różnicami płciowymi w uczeniu się śpiewu, między innymi w kontekście działania estrogenów. Dzięki kompletnej mapie można je teraz badać bez luk utrudniających analizę .

Centromery ptaka mają zaskakujący związek z człowiekiem

Jedno z nieoczekiwanych odkryć dotyczy centromerów — struktur, które podczas podziału komórki łączą siostrzane chromatydy. Naukowcy znaleźli przy centromerze każdego chromosomu zeberki powtórzenie o długości 716 par zasad. Zawiera ono motywy bardzo podobne do miejsca wiązania ludzkiego białka CENP-B .

Badacze wskazali też kandydujące białko wiążące, należące do tej samej pradawnej rodziny ruchomych elementów DNA, z której u ssaków wywodzi się CENP-B. Może to oznaczać, że ptaki i ssaki mają bardziej uporządkowaną architekturę centromerów, niż dotychczas sądzono .

Zbadane mik chromosomy mogą zachowywać elementy dawnej organizacji genomów kręgowców. Ich struktura daje więc nowy wgląd w ewolucję genomów na przestrzeni setek milionów lat .

Co to oznacza dla badań nad śpiewem?

Zeberka uczy się wokalizacji, słuchając innych osobników i naśladując ich dźwięki. Z tego powodu jest jednym z najważniejszych modeli zwierzęcych wykorzystywanych do badania biologii mowy i nauki śpiewu .

Dzięki nowej referencji genomowej stała się dopiero drugim gatunkiem uczącym się wokalizacji, którego genom został ukończony — pierwszym był człowiek .

Erich Jarvis, kierujący Laboratorium Neurogenetyki Języka na Uniwersytecie Rockefellera, zauważył, że jeśli istnieje cząsteczka odróżniająca gatunki uczące się wokalizacji od tych, które tego nie robią, „gdzieś tam jest”. Kompletny genom pozwala teraz szukać takich genów i bezpośrednio sprawdzać ich funkcje .

To nie oznacza jeszcze, że naukowcy znaleźli gen odpowiedzialny za naukę mowy. Nowa mapa dostarcza jednak znacznie dokładniejszego narzędzia do testowania takich hipotez oraz do badania tego, jak mózg przetwarza słyszane dźwięki i zamienia je w wyuczone zachowania.

Znaczenie dla genomiki kręgowców

Kompletny genom zeberki jest także ważnym punktem odniesienia dla porównań między gatunkami. Dotychczas trudno było rozstrzygnąć, czy danego genu rzeczywiście nie ma u ptaków, czy też nie udało się go znaleźć z powodu braków w złożeniu genomu .

Nowa mapa pomaga odróżniać rzeczywistą utratę genu w toku ewolucji od błędu wynikającego z niepełnych danych. W połączeniu z kolejnymi kompletnymi genomami kręgowców umożliwi precyzyjniejsze badania ewolucji chromosomów, powstawania złożonych zachowań i biologicznych podstaw uczenia się.

Genom zeberki T2T powstał w ramach szerszego projektu Vertebrate Genomes Project, którego celem jest stworzenie kompletnych genomów tysięcy gatunków kręgowców . Na razie daje badaczom wyjątkowo szczegółową mapę do poszukiwania genetycznych podstaw ptasiego śpiewu — a w dalszej perspektywie także wskazówek dotyczących ludzkiej mowy.