Геном сам по себе подобен рецепту без повара — он полон важной информации, но требует интерпретации. Итак, хотя мы секвенировали геномы наших ближайших вымерших родственников — неандертальцев и денисовцев — остается много неизвестного относительно того, как различия в наших геномах на самом деле приводят к различиям в физических характеристиках.
«Когда мы смотрим на архаичные геномы, у нас нет всех слоев и отметок, которые мы обычно имеем в образцах современных людей, которые помогают нам интерпретировать регуляцию в геноме, такую как РНК или структура клетки», — сказал Дэвид Гохман, доктор биологии Стэнфордского университета.
«У нас есть просто голая последовательность ДНК, и все, что мы действительно можем сделать, это смотреть на нее и надеяться, что однажды мы сможем понять, что она означает», — сказал он.
Обоснованная такими надеждами, группа исследователей из Стэнфорда и Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) разработала новый метод сбора большего количества информации из геномов архаичных людей, чтобы потенциально выявить физические последствия геномных различий между нами и нашими предками.
Их работа была сосредоточена на последовательностях, связанных с экспрессией генов — процессом, посредством которого гены активируются или заглушаются, что определяет, когда, как и где выполняются инструкции ДНК. Экспрессия генов, как правило, является генетической деталью, определяющей физические различия между близкородственными группами.
Начиная с 14042 генетических вариантов, уникальных для современных людей, исследователи обнаружили 407, которые конкретно способствуют различиям в экспрессии генов между современными и архаичными людьми. В ходе дальнейшего анализа они определили, что различия, скорее всего, связаны с голосовым трактом и мозжечком, который является частью нашего мозга, которая получает сенсорную информацию и контролирует произвольные движения, включая ходьбу, координацию, равновесие и речь.
Путь к современному человеку
При таком большом количестве вариантов исследователи полагались на метод, называемый «массивно-параллельным репортерным анализом», чтобы проверить, какие последовательности действительно влияют на регуляцию генов. Их версия этого метода, разработанная Ахитувом, включает упаковку варианта последовательности ДНК в «репортерный ген» внутри вируса. Затем этот вирус помещается в клетку. Если этот вариант влияет на экспрессию гена, репортерный ген производит молекулу со штрих-кодом, которая идентифицирует, из какой последовательности ДНК он произошел. Штрих-код позволяет исследователям одновременно сканировать товары большого количества вариантов.
По сути, весь процесс имитирует сокращенную версию того, как каждый вариант будет разыгрываться в ячейке в реальной жизни, и сообщает результаты.
Лана Харшман, аспирантка UCSF и соавтор статьи, заразила три типа ячеек пакетами вариантов команды. Эти клетки были связаны с мозгом, скелетом и ранним развитием — субъектами, которые, скорее всего, обнаружат эволюционные различия между нами и нашими последними предками. Карли Вайс, научный сотрудник лаборатории Петрова и соавтор статьи, проанализировала результаты этих экспериментов.
В общей сложности исследователи обнаружили 407 последовательностей, которые отражают изменение экспрессии у современных людей по сравнению с нашими предшественниками. Среди этого списка гены, влияющие на мозжечок, и гены, влияющие на голосовой ящик, глотку, гортань и голосовые связки, по-видимому, чрезмерно представлены.
«Это предполагает некоторую быструю эволюцию этих органов или какой-то путь, характерный для современных людей», — сказал Гохман. Следующим шагом, добавил он, будет попытка узнать больше об этих последовательностях и той роли, которую они сыграли в эволюции современного человека.
По словам Петрова, даже с учетом этих неизвестных факторов, этот метод сам по себе является значительным достижением в эволюционных исследованиях.
«Это выходит за рамки секвенирования ДНК костей неандертальцев и денисовцев. Это придает смысл этим различиям», — сказал исследователь Дмитрий Петров. «Это важный концептуальный шаг от простой последовательности — без ткани, без клеток — до биологической информации, и он позволит провести множество будущих исследований».
