Геномы животных эволюционировали по «эволюционным магистралям»

Хромосомы человека, осьминога и коралла сегодня выглядят совершенно по-разному. Однако внутри них сохранились узнаваемые фрагменты генома животного предка, жившего более 600 миллионов лет назад. Исследование под руководством Венского университета показывает, что перестройка этих фрагментов происходила не хаотично: геномы животных двигались по ограниченной сети в основном необратимых структурных состояний — своеобразным «эволюционным магистралям».

Самое масштабное сравнение хромосомных геномов животных

Исследователи изучили 5 821 общедоступный геном хромосомного уровня, представляющий 4 454 вида из 19 типов животных. По данным Венского университета, это крупнейшее на сегодняшний день сравнение такого масштаба по всему эволюционному древу животных.

Вместо отдельных генов учёные рассматривали архитектуру генома целиком. В этой модели каждый геном занимает определённое положение в многомерном «пространстве архитектуры геномов». Виды с похожей структурной историей формируют заметные области, а линии, пережившие необычные хромосомные изменения, оказываются дальше от основных групп.

Такой подход добавляет к эволюционным сравнениям ещё один источник информации. Внешний облик организмов за миллионы лет может измениться радикально, а отдельные гены — дублироваться, исчезать или перестраиваться. Но расположение участков на хромосомах способно сохранять другой исторический след: какие группы генов оставались связанными, какие разделились и какие позднее оказались навсегда объединены.

Почему «слияние с перемешиванием» почти невозможно обратить

Один из центральных элементов этой концепции — слияние хромосом с последующим перемешиванием. Сначала две ранее отдельные хромосомы соединяются. Затем гены из этих хромосом перемешиваются между собой. После этого эволюции крайне трудно восстановить исходную границу между ними.

Поэтому такое изменение фактически становится однонаправленным. Геном может продолжать перестраиваться, но точно вернуться к прежнему состоянию уже нелегко. Возникающий рисунок становится долговечным маркером той эволюционной линии, в которой произошло слияние. Более ранние исследования той же научной школы выявили сохранение хромосомных блоков у двусторонне-симметричных животных, кишечнополостных и губок, что поддерживает использование структуры хромосом для реконструкции древних геномов животных.

Метафора «магистралей» не означает, что все виды развиваются по одному маршруту или что перестройки хромосом прекращаются. Речь о другом: одни структурные переходы происходят значительно легче, чем их отмена, и тем самым ограничивают число возможных направлений в пространстве архитектуры геномов. Исследования топологического перемешивания и необратимости также связывают такие слияния с направленными изменениями кариотипов животных.

Что показывает пространство архитектуры геномов

Нанесение структурной истории геномов на карту даёт больше, чем простую визуальную классификацию. Оно позволяет увидеть, какие крупные группы животных сохраняют древние хромосомные компоненты, а какие линии пошли необычными путями.

Среди примеров, приведённых в исследовании, — стеклянные губки, комары и дождевые черви. Эти группы занимают особые области на карте архитектуры геномов. Их история может сделать их особенно важными объектами для дальнейшего сравнительного секвенирования и эволюционных исследований.

Такие данные потенциально полезны и для охраны природы: они помогают заметить линии, чья уникальная эволюционная история будет утрачена в случае исчезновения. При этом одна лишь геномная уникальность не может служить полной оценкой природоохранной значимости вида.

Этот взгляд расширяет само понятие биоразнообразия. Значимость вида для эволюционной науки определяется не только его необычным внешним видом или далёким родством с другими организмами. Архитектура его хромосом может сохранять редкий исторический маршрут, которым шла эволюция животных.

От исторической карты к компьютерным моделям

Поскольку новый подход описывает изменения генома как переходы между ограниченным числом архитектурных состояний, его можно использовать и в вычислительных моделях. Учёные могут просчитывать возможные сценарии слияния, перемешивания и разделения хромосом, а затем изучать, как такие процессы влияли на геномное разнообразие с течением времени.

Это создаёт основу для симуляций будущих направлений эволюции геномов и возможных изменений биоразнообразия. Однако такую модель следует воспринимать как инструмент проверки сценариев и выявления структурных ограничений, а не как способ точно предсказать судьбу генома конкретного вида.

Эволюция одновременно изобретательна и ограничена

Главный вклад исследования — изменение масштаба анализа. Вместо того чтобы рассматривать каждый геном как изолированную комбинацию, «эволюционная топология геномов» сопоставляет архитектуру хромосом во всём животном царстве и ищет повторяющиеся правила.

Картина получается двойственной. Эволюция способна сильно перетасовывать хромосомы, но некоторые изменения оставляют границы, которые уже почти невозможно восстановить. Эти однонаправленные переходы сохраняют фрагменты древнего общего происхождения, объединяют виды в области пространства архитектуры геномов и дают новый способ понять, как формировалось разнообразие животных — и какие уникальные эволюционные истории могут быть потеряны.