«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 генома, такую как РНК или структура клетки», – сказал Дэвид Гохман. , докторант 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 их.
Их работа, опубликованная 22 апреля в eLife, 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.
«Это кажется невероятным, что вы могли бы сделать звонок типа« Я думаю, что голосовой ящик эволюционировал », исходя из имеющейся у нас информации», – сказал Дмитрий Петров, профессор Школы гуманитарных и естественных наук Мишель и Кевина Дугласов. соавтор статьи с Гохманом и Надавом Ахитувом, профессором биоинженерии в UCSF. "Предсказания – почти научная фантастика.
Если бы пять лет назад мне сказали, что это возможно, я бы не стал вкладывать в это много денег."
Путь к современному человеку
При таком большом количестве вариантов исследователи полагались на метод, называемый «массово-параллельный репортерный анализ», чтобы проверить, какие последовательности действительно влияют на регуляцию генов. Их версия этой техники, 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 развиваться в ячейке в реальной жизни, и сообщает о результатах.
Лана Харшман, аспирантка UCSF и соавтор статьи, заразила три типа ячеек с помощью вариантов пакетов команды. Эти клетки были связаны с мозгом, скелетом и ранним развитием – субъекты, 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, кажутся чрезмерно представленными.
«Это предполагает некоторую быструю эволюцию этих органов или какой-то путь, характерный для современных людей», – сказал Гохман. Следующим шагом, добавил он, будет попытка лучше понять эти последовательности и роль, которую они сыграли в эволюции современных людей.
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 Петров. "Это важный концептуальный шаг от простой последовательности – без ткани и без клеток – до биологической информации, и он позволит провести множество будущих исследований."
Хантер Фрейзер, доцент кафедры биологии в Стэнфорде, и Фумитака Иноуэ (UCSF) также являются соавторами статьи. Фрейзер также является членом Stanford Bio-X, Исследовательского института здоровья матери и ребенка (MCHRI) и Стэнфордского института рака.
Петров также является членом Stanford Bio-X и Исследовательского института здоровья матери и ребенка (MCHRI), а также филиалом Стэнфордского института окружающей среды Вудса.
Это исследование финансировалось стипендиями Human Frontier, Rothschild и Zuckerman; Национальный институт исследования генома человека; Национальный институт психического здоровья; Мемориальный фонд Уэхара; и Стэнфордский центр вычислительной, эволюционной и геномики человека (CEHG).