Биоинформатики использовали новые компьютерные
технологии для изучения строения хромосом и проверили их на
бабочках-бархатницах. Так удалось увидеть необычные следы бурной хромосомной
эволюции: некоторые хромосомы слились вместе, а какие-то их участки повернулись
на 180 градусов. Предполагать столь большие изменения ранее было невозможно,
ведь даже в самый лучший микроскоп хромосомы бабочек видны как маленькие черные
шарики без выраженной внутренней структуры. Такой биоинформатический подход
может применяться для выявления хромосомных заболеваний человека и быть менее
трудозатратным по сравнению с обычными методами. Исследования поддержаны грантом
Российского научного фонда. Результаты опубликованы в
журнале Genes.
Изучением хромосом занимаются тысячи исследователей во всем
мире. Для ученых-биологов это способ познать законы генетики и эволюции, ведь в
хромосомах находятся гены, а гены несут информацию, необходимую для развития
организмов. Для медиков это один из способов диагностики болезней, многие из
которых возникают из-за нарушения структуры и числа хромосом. Например, синдром
Вольфа-Хиршхорна можно точно определить только после рождения ребенка – это
редкая генетическая болезнь, которая возникает из-за потери маленького участка
одной из хромосом и приводит к множественным нарушениям развития. Многие другие
хромосомные изменения происходят при разных формах рака. Поэтому ученым очень
важно уметь выявлять хромосомные перестройки и делать это как можно более точно.
До настоящего времени такие исследования проводились – и сейчас проводятся – с
помощью микроскопа, но этот подход имеет серьезные ограничения: многие
перестройки столь малы, что их невозможно обнаружить.
В последние годы ученые из разных стран стали разрабатывать
подходы к выявлению хромосомных перестроек с помощью компьютерных технологий.
Сотрудники Зоологического
института РАН (Санкт-Петербург) и Университета Любляны (Словения)
протестировали один из алгоритмов, который можно использовать для тонкого
анализа структуры хромосом. В качестве объекта они взяли бабочек из семейства
бархатниц (сатирид), потому что ранее при исследовании их узнали, что
хромосомные наборы почти всех видов одинаковы. Авторы проанализировали
информацию о геномах бабочек из международного генетического банка. Для каждой
пары видов бархатниц ученые взяли тысячи генов, которые собрали вместе и
нанесли на графики в соответствии с их положением на хромосомах. Это позволило
выявить те участки генома, в которых в ходе эволюции изменилась структура.
График Circos, показывающий сравнение синтении между E.
ligea и E. aehtiops ( a ), E. ligea и M. jurtina ( b ) и E. aethiops и M.
jurtina ( c ). Каждое звено соответствует одному синтетическому блоку
(выравниванию) и окрашено хромосомами E. ligea ( a , b ) и M. jurtina ( c ).
Хромосомы 1–8, 18 и neo-Z E. aethiops образовались в результате межхромосомных
слияний. Хромосомы E. ligea и M. jurtina являются синтетическими. Источник:
статья Елены Александровны Паженковой и Владимира Александровича Лухтанова.
Анализ показал, что бабочки-сатириды пережили бурную
хромосомную эволюцию. У части видов это произошло за счет слияния хромосом,
когда две более мелкие хромосомы соединяются в одну. У других видов это
произошло за счет накопления множественных инверсий – разворотов фрагментов
хромосом на 180 градусов. Такие изменения важны для сохранения экологических
приспособлений, которые виды приобретают в ходе эволюции и видообразования.
Сравнение хромосом между E. ligea и E. aethiops.
Кариотипы E. ligea ( n = 29) (нижний ряд) и E. aethiops ( n = 19) (верхний ряд)
дифференцируются по 10 хромосомным слияниям и одной терминальной инверсии в
Z-хромосоме. Порядковые номера хромосом каждого вида взяты из GenBank (
дополнительная таблица S1 ) и соответствуют их размерам. Источник: статья Елены
Александровны Паженковой и Владимира Александровича Лухтанова.
«Наш анализ показал, что геномная эволюция у изученных
насекомых была гораздо более бурной, чем это предполагалось. В дальнейшем мы
хотим детально изучить их теломеры – концевые участки хромосом, которые важны
для сохранения целостности генома. Мы надеемся, что это поможет нам разобраться
в причинах и механизмах, которые вели к преобразованию хромосом», – поделился
руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Владимир Лухтанов,
доктор биологических наук, главный научный сотрудник Зоологического института
РАН.
Источник: пресс-служба Российского научного фонда.