Порівняльний геномік та еволюція геному

Вступ до порівняльного геноміки

Порівняльна геноміка використовує відмінності та подібності в послідовностях, структурах і вмісті генів між видами для виведення функцій, реконструкції еволюційної історії та розуміння архітектури та динаміки геному. Логіка полягає в еволюційному підході: функціонально важливі елементи підлягають селекції, що утримує, і тому розвиваються повільніше за нейтральну ДНК – збереження виявляє функціональні елементи навіть без прямого експериментального характеристики. Порівняльна геноміка валідує функції генів, ідентифікує регуляторні елементи (збережені некодовані послідовності, CNS), відстежує горизонтальний перенос генів у бактеріях, відкриває родинні та суперсім’ястові родини генів, а також реконструює стани працездатних геномів.

Перші аналізи порівняльної геноміки порівнювали обмежену кількість кодуючих білок послідовностей; порівняння цілого геному стали можливими з початку 2000-х років, коли бактерійні та потім еукаріотські геноми накопичувалися в публічних базах даних. Порівняння людини та шимпанзе (~99% подібності кодуючих білок, ~98% загальної ідентичності) встановило генетичну основу фенотипових відмінностей між близькими видами; порівняння людини та миші (~85% подібності білків, ~45% ідентичних синоциклічних блоків) виявило тисячі збережених регуляторних елементів, пізніше підтверджених експериментально. Аналіз порівняльний проєкту ENCODE, що охоплював 240 м’ясних геномів, оцінив, що приблизно 10,7% людського геному є функціонально обмеженим – значно більше ніж 1-2% кодуючих білок оцінки.

Вирівнювання геному та збереження

Вирівнювання цілого генома

Інструменти вирівнювання цілого геному (BLASTZ, LASTZ, Cactus, MAFFT, Mauve) збігають дві або більше послідовностей геномів, враховуючи складні перестановки, інверсії, транслокації та вставки/видалення, які відрізняють архітектуру хромосом різних видів. Синтенія – збережений порядок генів у видах – відображає спадкові сегменти хромосом, які не зазнавали перестановки. Збережені синтенічні блоки забезпечують еволюційні мітки, що дозволяють проводити порівняння на рівні хромосом між хребетними тваринами, незважаючи на 400+ мільйонів років диференціації. Оцінки збереженості PhyloP і phastCons, отримані з вирівнювань 100 хребетних тварин, що поставляються з UCSC Genome Browser, мітьовують кожну позицію нуклеотидів у людському геномі з точки зору еволюційного обмеження – це необхідно для інтерпретації патогенності неккодингових генетичних варіантів в клінічній генетиці (анотація VEP, оцінка CADD).

Ідентифікація ортологів

Ортогольні гени – гени, пов’язані з видом від спільного предка (на відміну від паралогів, що виникли в результаті дублювання генів) – мають функцію у різних видах, тому бази даних ортоголів є важливими для міжвидових функціональних висновків. Бази даних ортоголів OrthoFinder, OrthoMCL і ENSEMBL класифікують родини генів у ортогольні клади за допомогою біполярного найкращого збігу BLAST, узгодження філогенетичних дерев або графового кластерування. Повторне дублювання геному (WGD) створює паралогічні пари генів (ohnologues) – хребетні пройшли 2 раунди (2R WGD), телеостидні риби – третій, дріжджі – приблизно 100 млн років тому було створено геном Saccharomyces cerevisiae. BUSCO (Benchmarking Universal Single-Copy Orthologs) використовує збережені однокопійні ортогольні гомологи як міри якості для повноти збірки геному – це універсальна міра якості для нещодавно зібраних геномів.

Транспозоми та еволюція геному

Транспозоми як архітектори геному

Транспозомені (ТЕ) – це мобільні генетичні елементи, що складають 45–80% багатьох мезентомних геномів, і є важливими рушійними силами еволюції геному через вставну мутагенез, ектопічний рекомбінацію між копіями, що сприяє хромосомним перебудовим, та доместикацію білків, закодованих ТЕ, для функцій господаря. LINE-1 (L1) ретротранспозоми складають приблизно 17% людського геному; SINE (Alu, приблизно 11% людського геному) є найбільш поширеними елементами. Вставки Alu в інтрони генів створюють нові альтернативно сплайноваді екзони; Alu-посередкована рекомбінація видаляє хромосомні сегменти (рекомбінація між двома сусідніми елементами Alu в одному напрямку). Приблизно 50 активно мобільних елементів L1 на диплоїдний людський геном генерують нові вставки з низькою частотою – що іноді призводить до випадкових рецесивних захворювань (задокументовано 12 вставлень L1/Alu, включаючи гемофілію A, нейрофіброматоз та BRCA2). Доместикація ТЕ використовує послідовності ТЕ як провідники, ізолятори та функціональні гени (синцитини з ретровірусних генів env, що функціонують у плацентації).

Горизонтальний Генний Трансфер

Горизонтальний генний трансфер (ГГТ)—переміщення ДНК між організмами не через вертикасне успадкування від батька та дитини—дуже поширене у прокаріотів (оціночно 20-30% геному *Е. coli* є іноземним, набутим), і відповідає за поширення резистентності до антибіотиків. Механізми: трансформація (прийом ДНК з навколишнього середовища), трансподукція (передача через бактеріофаги), кон’югація (передача плазмід). Філогенетична невідповідність між окремими деревцями генів та деревцями видів сигналізує про події ГГТ; аномалії вмісту GC та упередження кодової інформації виявляють нещодавно набуті гени, які все ще несуть підпис донора. ГГТ в євкріотні геноми (ГГЕ—горизонтальний трансфер генів з органели в ядро, перенесення приблизно 1500 мітохондріальних генів у ядерний геном; горизонтальне набуття генів від бактерій на ранніх етапах еволюції євкріотів—особливо від роду *дельлоїди*, які отримали сотні бактеріальних генів, можливо, завдяки їхній незвичній біології виживання під час посухи).

Приклади та застосування

Приклад 1: Порівняння геному людини та шимпанзе Послідовність геному шимпанзе (опублікована в Nature у 2005 році), дозволила систематичне порівняння з генемом людини, виявивши приблизно 1,23% нуклеотидних замін, у десять разів більше інсерцій/деліцій, близько 35 мільйонів SNP між видами та хромосомні відмінності (людина хромосома 2 є злиттям древніх хромосом, підтверджено везикулярним центроміром і теломрічними послідовностями на точці злиття chr2q13). Визначено області прискореної еволюції людини (HAR – регіони прискореної еволюції людини, некодуючі послідовності, які сильно зберігаються в інших ссавцях, але демонструють пришвидшений розвиток у лініях людини) завдяки аналізу поширеності геному — регіон підвищеної експресії HACNS1 біля гену CENTG2 та HAR1 (виражений в каяль-реція нейронах, критичних для розвитку кору), є одними з найвпливовіших. Порівняльний аналіз виявив гени з сигналами позитивного відбору у лініях людини, пов’язаних із збільшенням мозку, мовою та біпедальною анатомією. Приклад 2: Проект «Зономія» Консорціум «Зономія» (2023) послідовно та вирівняв геноми 240 плацентарних тварин, що охоплюють усі основні родинні угруповання м’язових тканин, забезпечивши незбагненний розгляд функціонально обмежуючих елементів у людському геномі. При середній дивергенції 20-30 мільйонів років нейтральний ДНК дивергентно, а функціональна послідовність збігається в її обмеженій складовій. «Зономія» ідентифікувала: 10,7% людського геному під дією пригнічуючого відбору (у порівнянні з 1,8% кодуючих білків); 4552 ультраобмежені елементи (UCE) – регіони довжиною 100 нм+, без змін у всіх 240 тваринах, включаючи регуляторні РНК та ядра промоторів; пришвидшена еволюція в приматах, дельфінах і леріках за певними локусами, що відображає адаптивні зміни. Приклад 3: Панегеномний референс Один повноцінний генемичний референсний геном не представляє повну генетичну різноманітність людського виду — приблизно 300 Мб загальнопоширених послідовностей відсутні в референсному геномі GRCh38. Консорціум панегеному людини (2023) зібрав 47 генемично різноманітних геномів з усіх глобальних походжень, використовуючи довгі читання PacBio HiFi та Hi-C з якістю майже рівною T2T, побудувавши граф, який захоплює основну людську структурну варіативність як референсний — замінюючи лінійний одногеномний референсний геном багатошляховою репрезентацією. Панегеном зменшує упередження при картограмуванні для послідовностей, не походять з Європи на 26%; 119 Мб нової послідовності відсутніх в GRCh38; тисячі нових структурних варіацій були включені. Приклад 4: Порівняльний патогенетичний геноміка Порівняльна патогенетична геноміка розкриває еволюцію шорсткості, динаміку передавання та механізми стійкості до ліків. Yersinia pestis — агент чуми — має середню нуклеотидну ідентичність 97% із нештормовою Yersinia pseudotuberculosis; її пандемічна шорсткість виникла шляхом придбання двох плазмідів, що містять кодуючий фосфоліпазу D та мусні токсини; pPst, що містить активатор плазміну Pla для розщеплення фібрину, що дозволяє поширенню від укусу кліща через фібрінозні мережі. SARS-CoV-2 порівняльна геноміка виявила область RBD з унікальною зв’язуючою ангіотензинову перетворювачу фермент 2 при наявність фуринового сайту розщеплення, відсутнього в вірусах SARS-подібних із лемурів — ідентифікували ключові молекулярні події еволюції пандемії. Приклад 5: Генетичне дублювання рослин Поліплоїдія є поширеною в еволюції рослин — більшість видів рослин мають підписи давньої WGD, що варіюються від нещодавньої аллополіплоїдії до давньої палеополіплоїдії. Золота пшениця (Triticum aestivum) є гексаполіплоїдною (AABBDD, 2n=42 хромосоми, 16 Гб геному від трьох древніх диплоідних предків); бавовна (Gossypium hirsutum) — аллотетраплоїд. WGD забезпечує сировий генетичний матеріал для функціональної диференціації — дублювані генні пари (гомеоломи) можуть підділити функції між копіями або набути нової функції, поки інша зберігає початкову — порівняльний аналіз геномів Arabidopsis і рису — двох відмінних модельних рослин — встановив давній анфіосомовний генемічний референс і виявив генні родини, що утримуються або розділені після кількох поліплоїдних циклів. Синтетичний аналіз на основі синентії допомагає у селекції культур, визначаючи гомеологічні ділянки генів для введення ознак. Приклад 6: Варіація розміру геному Варіація розміру геномів коливається в 200 000 разів від геному мікроспороцидної паразитичної організмів (8,2 Мб) до геному великого листяного дерева Парис японська (150 Гб). Ця варіація — парадокс C-value: складні організми не мають пропорційно більших генів. Варіація розміру геному в основному зумовлена вмістом TE — організми з високою активністю TE (амфібиї, рослини, жуки-волохарі) мають геноми, що домінує повторення TE; число копій генів варіюється набагато менше (~7000–40 000 кодуючих генів серед еукаріотів). Великі геноми обмежують час циклу клітин і метаболічні витрати; птахи та леміри мають зменшені геноми (~1,2 Гб), можливо, через метаболічні потреби польоту, які вимагають швидкого поділу клітин. Приклад 7: Збіжна еволюція на рівні геному Збіжна еволюція — незалежна еволюція подібних фенотипів у несхожих лініях — часто передбачає однакові гени та навіть однакові молекулярні зміни. Ехолокація у лемурів і дельфінів еволюціонувала незалежно; збіжні послідовності еволюції були знайдені в гені Prestin (електромотильність у зовнішніх волосках слухової раковини для високочастотного сприйняття) та гені KCNQ4 калієвого каналу — однакові амінокислотні позиції змінювалися збіжно в лемурах і дельфінах. Збіжна втрата функції SLC2A5 (транспортера фруктози) і GULO (L-глюконат оксидазу, вітаміну C синтезу) відбувалася незалежно у багатьох приматичних та ґвінетських лініях і ґвінетів. Ген PCSK9 втратив функцію незалежно декілька разів в еволюції людини — особини з природним PCSK9 втратою функції мають дуже низький LDL і нульовий атеросклероз — збіжні генетичні природні експерименти, що підтверджують цільовий препарат. Приклад 8: Еволюція телумерів і центромер Телумери та центромери — спеціалізовані структури ущільнення кінців хромосом і прикріплення сполучної мішечки — надзвичайно швидко еволюціонують незважаючи на свою важливу функцію (парадокс центромери: швидка еволюція ДНК з надзвичайно консерватованими кінетохорами в більшості організмів) визначає центромеру епігенетично — центромери можуть переміщуватися шляхом неоцентромної утворення за допомогою механізму рекомбінації розширення телумерів, що діє в ~15% пухлин, які не мають телурези та працюють на розширенні телумерів.

Спробуйте онлайн

Все вище працює у вашому браузері — відкрийте симулятор «Геномні синтени та перестановки» і змінюйте параметри під час його роботи. Не встановлюється нічого, не завантажується нічого, весь модель живе в одному вікні.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Genome Synteny & Rearrangement Simulator і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.