Ученые обнаружили скрытые «магистрали», направляющие эволюцию животных

Ученые обнаружили скрытые «магистрали», направляющие эволюцию животных. Масштабное сравнение более 5800 геномов показало, что у эволюции может быть гораздо меньше возможных путей, чем кажется на первый взгляд.

Человек, осьминог и коралл могут показаться не имеющими почти ничего общего, однако в их хромосомах все еще содержатся узнаваемые фрагменты, унаследованные от животного-предка, жившего более 600 миллионов лет назад. Исследователи из Венского университета проследили, как эти древние фрагменты генома перестраивались по мере diversification животного мира.

Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, предполагает, что геномы животных эволюционируют не через бесконечное число возможных путей. Вместо этого изменения хромосом, как правило, движутся по ограниченному набору необратимых траекторий, которые исследователи описывают как «эволюционные магистрали». Эти находки также могут стать ценной основой для усилий по пониманию и сохранению биоразнообразия животных.

Прослеживая более 600 миллионов лет эволюции генома

Каждое ныне живущее животное в конечном счете происходит от общего предка, существовавшего более 600 миллионов лет назад. С тех пор хромосомы неоднократно сливались, разделялись и перестраивались по мере появления новых линий животных.

В настоящее время секвенированы тысячи геномов животных, но сравнение их долгосрочной эволюции оставалось сложной задачей. В этом исследовании международная команда под руководством ученых Венского университета объединила тысячи геномов в одном масштабном сравнении.

«Понимание этих правил эволюции говорит нам не только о прошлом, — заявил Олег Симаков, профессор Венского университета, который был одним из руководителей исследования. — Это также позволяет нам задаться вопросом, куда эволюция генома может направиться дальше, и дает возможность определить ключевые меры для сохранения биоразнообразия животных».

Многие секвенированные геномы остаются «черновиками». Они могут показать, какими генами обладает животное, не показывая точного расположения этих генов на хромосомах. Сборки хромосомного уровня предоставляют гораздо больше деталей, располагая гены в правильном порядке по полным хромосомам. Создание таких сборок значительно сложнее, и только недавно было проанализировано достаточное количество видов на этом уровне, чтобы стало возможным широкое сравнение по всему животному царству.

Крупнейшее сравнение хромосом в животном мире

Исследователи изучили более 5800 общедоступных геномов хромосомного уровня, представляющих 4454 вида из 19 типов животных. По словам команды, это крупнейшее сравнение такого рода в животном мире.

Чтобы систематизировать такой огромный объем информации, ученые создали структуру, названную эволюционной геномной топологией. Она помещает огромное разнообразие структур геномов животных на единую карту.

Эта карта выявила важную закономерность. Архитектура генома, по-видимому, не меняется случайным образом. Вместо этого линии животных, как правило, движутся по «эволюционным магистралям». Данные сотен ныне живущих видов показывают, что разные группы перемещались по этим маршрутам или отклонялись от них в разное время и с разной скоростью.

«Впервые мы можем увидеть тысячи геномов на одной карте и проследить уникальные пути, по которым эволюционировала ДНК животных. Взгляд на карту в целом дает нам картину закономерностей, по которым геномы животных изменялись с течением времени, — сказал Даррин Шульц, который руководил работой в качестве постдокторанта Венского университета, а сейчас является доцентом Университета Лихай и Lehigh Oceans. — И если мы сложим карту другим способом, мы сможем сравнить, как разные группы животных пошли разными путями после разделения на разные эволюционные ветви».

Необратимое смешивание хромосом оставляет генетическую запись

Основной силой, стоящей за этими закономерностями, является процесс, который исследователи ранее назвали «слияние со смешиванием». Он происходит, когда две хромосомы соединяются, а их гены перемешиваются. Как только это происходит, исходное расположение восстановить невозможно.

Эта необратимость делает такие хромосомные изменения особенно полезными для реконструкции эволюционной истории. Каждое событие оставляет постоянную геномную запись, которая может служить маркером общего происхождения. Исследователи уже использовали этот тип доказательств, чтобы помочь идентифицировать сестринскую группу всех остальных животных.

Команда обнаружила, что различия в числе хромосом среди групп животных могут возникать двумя основными способами. Предковые хромосомы могут объединяться или разделяться. В любом случае «слияние со смешиванием» может направить разные линии по совершенно разным эволюционным траекториям.

Группы животных занимают различные области архитектуры генома

Поскольку этот процесс необратим, крупный хромосомный «объезд» может навсегда повлиять на то, где линия окажется в том, что исследователи описывают как «пространство архитектуры генома».

После такого изменения («слияния со смешиванием») основные группы животных могут быть перемещены в отдельные области этого геномного ландшафта. По мере накопления смешивания хромосом с течением времени линии продолжают расходиться. Эти изменения могут оказывать долгосрочное влияние на многие гены, включая важные гены, участвующие в контроле развития.

Эволюционная геномная топология фокусируется на расположении и структуре геномов, а не только на последовательностях ДНК. Это дает исследователям общую систему координат для сравнения быстро растущего числа геномов животных хромосомного уровня.

Эта структура может облегчить выявление необычных эволюционных линий, заслуживающих более пристального изучения. Она также может помочь ученым исследовать, связаны ли изменения в структуре хромосом с различиями в регуляции генов, развитии или биоразнообразии.

Выявление некоторых из наиболее самобытных геномов животных

Потенциальные применения выходят за рамки реконструкции эволюционной истории. Некоторые клады занимают сильно изолированные части карты генома, поскольку их хромосомная архитектура имеет мало близких аналогов.

Комары, стеклянные губки и дождевые черви входят в число линий, которые выделяются таким образом. Выделяя группы с особенно самобытной организацией генома, эта структура может помочь исследователям выявить эволюционно необычных животных, которые могут заслуживать большего научного или природоохранного внимания.

Система также может моделировать возможные будущие направления эволюции генома. Это может дать ученым способ исследовать, как геномы животных и биоразнообразие могут продолжать меняться с течением времени.

Резюме

• Исследователи создали первую единую «карту» организации геномов животных, сравнив более 5800 геномов хромосомного уровня из 4454 видов, относящихся к 19 основным группам животных. Это крупнейший анализ такого рода на сегодняшний день.
• Результаты показывают, что геномы животных движутся по ограниченному набору «эволюционных магистралей». Слияния и разделения хромосом могут вызывать необратимые изменения, не позволяя геномам просто возвращаться к более ранним конфигурациям.
• Новая карта показывает, какие линии животных имеют особенно необычную архитектуру генома, и может также использоваться для моделирования возможных будущих направлений эволюции генома.
• Исследователи могут использовать эту структуру для выявления необычных линий для дальнейшего изучения и для проверки того, связаны ли изменения хромосом с различиями в регуляции генов, развитии или биоразнообразии.
• Эти находки также могут стать важной научной основой для сохранения биоразнообразия животных.

Финансирование этого исследования было предоставлено Европейским исследовательским советом (Horizon 2020 / Программа Европейского союза по исследованиям и инновациям, грант № 945026), Австрийским научным фондом (FWF, грант P32190) и премией Руперта Ридля Венской ассоциации Haus des Meeres.

Источники:

Материалы предоставлены Венским университетом.

Darrin T. Schultz, Arno Blümel, Dalila Destanović, Fatih Sarigol, Oleg Simakov. Topological mixing and irreversibility in animal chromosome evolution. Science Advances, 2026; 12 (34) DOI: 10.1126/sciadv.adz5561