Геномы человекообразных обезьян дочитали до конца
Повторяющиеся последовательности в ДНК шести видов обезьян добавили их эволюции молекулярно-генетических подробностей.
Человеческий геном прочли к 2004 г., геном обыкновенного шимпанзе – к 2005, орангутана – к 2011, гориллы – к 2012, бонобо – к 2021. Но вот три года назад мы писали, что человеческий геном наконец-то дочитали до конца, а в позапрошлом году – что его дочитали совсем до конца, то есть вместе с Y-хромосомой. Дело в том, что между «прочесть» и «прочесть до конца» у человека долгое время оставалось около 200 млн нуклеотидов. Эти 200 млн составлены большей частью из многочисленных повторов, более или менее крупных.
Зоны с повторами раньше предпочитали пропускать по чисто методическим соображениям. Взять и прочесть всю хромосому от начала до конца, как она есть, мы не можем – существующие методы позволяют читать ДНК лишь определённой длины, намного меньше длины хромосомы. Поэтому огромную хромосомную ДНК дробят на части, эти части читают, а потом получившиеся последовательности соединяют вместе. Но не будем забывать, что весь алфавит ДНК – это всего четыре буквы, четыре нуклеотида: А, Т, Г, Ц. Можно догадаться, насколько непростыми должны быть алгоритмы, которые ищут, где перекрываются разные куски ДНК, где соединяются конец одного фрагмента и начало другого. Задача тем сложнее, чем меньше фрагмент, потому что тем сложнее понять, в каком контексте он стоит в геноме. (Для сравнения можно представить, что вам нужно определить, из какого места в незнакомом романе взята одна глава, или полглавы, или абзац – или всего лишь словосочетание, например, «голубое небо»: это голубое небо может стоять в тексте много где.) И задача ещё более усложняется, если мы имеем дело с фрагментами, составленными из повторов. Но если научиться читать достаточно длинные куски ДНК, то можно прочитать и зоны с повторами. Собственно, в этом направлении методы чтения ДНК и развивались – фрагменты ДНК, которые можно просеквенировать-прочесть за раз, постоянно удлинялись. Кроме того, совершенствовались алгоритмы и сама вычислительная техника, которую биоинформатики используют для сборки геномов.
Так что дочитывание до конца означает, что последовательность генома собрали со всеми его повторами. Несколько лет назад эту процедуру проделали для людей. Сейчас её выполнили для человекообразных обезьян: на днях в Nature появилась статья с доделанными геномами обоих видов шимпанзе, обыкновенного и карликового, западной гориллы, орангутанов калимантанского и суматранского, а также сиаманга из семейства Гиббоновых – они тоже относятся к человекообразным обезьянам.
Главные области повторов – это теломеры и центромеры. Теломерами называют концевые участки хромосом, они ничего не кодируют, но зато защищают кодирующие участки от повреждений при копировании ДНК. Центромеры нужны для другого: к ним крепятся белки, которые растаскивают хромосомы при делении клетки к её полюсам, чтобы каждой дочерней клетке досталась нормальная полноценная копия родительского генома. Центромеры находятся примерно посередине хромосомы, хотя в некоторых случаях они сильно смещены к одному её концу – такие хромосомы, с очень неравными плечами, называют акроцентричными. Как можно понять, центромеры играют очень важную роль в клеточном делении, потому строение центромерной ДНК представляет особый интерес. Она может насчитывать миллионы нуклеотидов, образующих небольшие повторы. (Один из самых распространённых типов повторов называется α-сателлитами длиной в 170 нуклеотидов.) При этом повторы могут организовываться по-разному, складываться в разные узоры, и вот такие узоры-паттерны представляют особый интерес в смысле эволюционного развития.
Впрочем, эволюционные изменения затрагивают все характеристики центромер. Исследователи выяснили, что у бонобо 40% центромерных последовательностей сократились в 300 раз, и произошло это совсем недавно, максимум около миллиона лет назад (с обыкновенными шимпанзе бонобо разделились 1,8 млн лет назад). У калимантанского и суматранского орангутанов, которые разошлись в эволюции около 960 тыс. лет назад, пятая часть хромосом отличается вышеупомянутыми узорами, образуемыми α-сателлитными повторами центромер. Важные результаты были получены при сравнении акроцентричных хромосом, которые разделены центромерами на неравные части. В их коротких плечах почти не бывает генов, за исключением генов рибосомной РНК (рРНК). Эта РНК служит основой для сборки белок-синтезирующих машин рибосом. У генов рибосомной РНК всегда есть много копий, собранных в особые кластеры. Количество и структура таких кластеров, как оказалось, внутри человекообразных обезьян сильно меняется: например, у сиаманга такой кластер один, а у орангутанов десять. Меняется и их расположение в смысле номеров хромосом – эволюционное перемещение кластеров генов рРНК с хромосомы на хромосому может быть следствием того, что в ходе отбора часть генов на одной хромосоме портилась от мутаций и исчезала, а оставшиеся перемещались к схожим генам на другой хромосоме.
Повторы возникают не только в некодирующих участках и не только среди генов рРНК. В частности считается, что увеличение числа копий некоторых генов позволило людям обзавестись обширной корой мозговых полушарий. Удвоенные гены не обязательно занимаются одной и той же задачей, одна из копий может стать эволюционным полигоном, накапливая изменения и постепенно обретая какую-нибудь новую функцию. Так обычно говорят про белок-кодирующие последовательности, про «белковые гены». Но у «белковых генов» есть последовательности-регуляторы, влияющие на их активность. Регуляторы тоже накапливают мутации, и считается, что отличия человека от обезьян заключаются главным образом не в удвоении и новой функционализации генов, а в регуляторных изменениях, то есть гены те же, просто клетка оперирует ими иначе. Однако с более полным прочтением человекообразных геномов в них удалось увидеть именно умножение копий генов в разных обезьяньих линиях. Не отрицая значение регуляторных изменений, стоит получше присмотреться к регулируемым генам: возможно, в эволюции человекообразных обезьян большую роль играло удвоение последовательностей, кодирующих белки.
Не исключено, что новые геномные данные добавят нюансов в картину эволюции человека, всё-таки Homo sapiens тоже относится к человекообразным обезьянам. Но хотя сейчас говорится о полном прочтении геномов, небольшая доля, 0,1–0,8% генетических последовательностей пока ещё собрана неаккуратно – их будет перечитывать и перемонтировать, и в будущем нас ждут сообщения о ещё более полно прочитанных обезьяньих геномах.
