Геноми тварин еволюціонують «еволюційними магістралями»

Хромосоми людини, восьминога й корала сьогодні виглядають дуже по-різному. Однак усередині них досі можна впізнати фрагменти, успадковані від тваринного предка, який жив понад 600 мільйонів років тому. Дослідження під керівництвом Віденського університету свідчить: ці фрагменти перемішувалися не випадково. Геноми тварин проходили через обмежену мережу структурних станів, причому частину переходів майже неможливо повернути назад. Дослідники називають такі шляхи «еволюційними магістралями».

Наймасштабніше порівняння хромосомних геномів тварин

Учені проаналізували 5 821 загальнодоступний геном хромосомного масштабу, що належить 4 454 видам із 19 типів тварин. За даними Віденського університету, це найбільше порівняння такого масштабу в усій еволюційній історії тварин.

Замість того щоб розглядати окремі гени, автори оцінювали геном як цілісну систему. Кожен геном у такому підході займає певне місце в багатовимірному «просторі геномної архітектури». Види зі схожою структурною історією утворюють у ньому помітні групи, а лінії, що пережили незвичайні перебудови хромосом, опиняються далі від основних кластерів.

Це додає до еволюційних досліджень ще один рівень доказів. Зовнішність організмів за мільйони років може змінитися радикально, а окремі гени — подвоїтися, зникнути або зазнати змін. Натомість структура хромосом здатна зберігати інший тип історичного запису: які групи генів залишалися разом, які розділилися, а які згодом назавжди об’єдналися.

Чому злиття хромосом із перемішуванням працює майже в один бік

Одна з центральних ідей дослідження — злиття хромосом із перемішуванням. Під час такого процесу дві раніше окремі хромосоми об’єднуються. Якщо після цього гени з обох хромосом перемішуються між собою, подальша еволюція вже не може легко відновити початкову межу.

Тому така зміна має фактично односторонній характер. Геном може й далі перебудовуватися, але точно відтворити попередній стан після перемішування його складових надзвичайно складно. У результаті злиття стає довготривалим маркером тієї еволюційної лінії, у якій воно відбулося. Попередні дослідження цього наукового напряму також описували хромосомний масштаб збереження синтенії — спільного розташування генів — у двобічно-симетричних тварин, кнідарій і губок. Це підтримує використання структури хромосом для реконструкції давніх геномів тварин.

Метафора «магістралей» не означає, що всі тварини еволюціонують однаково або що перебудова хромосом припинилася. Йдеться про інше: деякі структурні переходи відбуваються значно легше, ніж їхнє скасування, і тому звужують кількість можливих маршрутів у просторі геномної архітектури. Дослідження топологічного перемішування та незворотності також пов’язує злиття хромосом із перемішуванням зі спрямованими змінами каріотипів тварин.

Що показує простір геномної архітектури

Відображення структурної історії геномів — це не просто спосіб зручно розкласти види по групах. Воно дає змогу побачити, де різні великі гілки тваринного світу зберігають давні хромосомні компоненти, а де окремі лінії пішли незвичними шляхами.

Серед наведених у дослідженні прикладів — скляні губки, комарі та дощові черв’яки. Вони займають особливі ділянки карти геномної архітектури. Їхня геномна історія може зробити ці групи особливо цінними для подальшого порівняльного секвенування та еволюційних досліджень. Та сама інформація потенційно допоможе природоохоронцям помічати лінії, чия еволюційна своєрідність буде втрачена в разі зникнення. Водночас сама геномна унікальність не є повною оцінкою природоохоронного статусу виду.

Такий підхід розширює саме поняття біорізноманіття. Еволюційна цінність виду визначається не лише його незвичною зовнішністю чи віддаленістю від інших видів за традиційною класифікацією. Його хромосомна архітектура може зберігати рідкісний історичний маршрут, яким розвивалося тваринне життя.

Від історичної карти до комп’ютерного моделювання

Оскільки цей підхід описує зміни геному як переходи між обмеженими архітектурними станами, його можна використовувати й у комп’ютерних моделях. Дослідники здатні моделювати ймовірні сценарії злиття, перемішування, розділення та інших хромосомних змін, а потім аналізувати, як вони могли впливати на геномне різноманіття з часом.

Це створює основу для симуляцій майбутніх шляхів еволюції геномів і можливих змін біорізноманіття. Однак ідеться саме про інструмент для перевірки сценаріїв та виявлення структурних обмежень, а не про систему, яка вже сьогодні може точно передбачити геномне майбутнє конкретного виду.

Чому це важливо

Головний внесок роботи — у зміні масштабу аналізу. Замість того щоб розглядати кожен геном тварини як окрему комбінацію, підхід еволюційної геномної топології порівнює структуру хромосом у всьому тваринному світі та шукає повторювані правила.

Картина, що вимальовується, поєднує творчість еволюції з її обмеженнями. Хромосоми можуть зазнавати масштабної перебудови, але деякі зміни залишають межі, які майже неможливо відновити. Такі односторонні переходи зберігають фрагменти дуже давнього спільного походження, розподіляють види по регіонах простору геномної архітектури та дають ученим новий спосіб досліджувати, як формувалося різноманіття тварин — і як можуть бути втрачені його унікальні еволюційні історії.