Секвенировали рыбу, геном которой в 30 раз больше нашего

Когда их впервые обнаружили, целаканты вызвали большой ажиотаж. Это был живой пример группы рыб, которые, как считалось, существовали только в виде ископаемых. И не просто какая-то группа рыб. Считается, что целаканты и их родственники с их длинными стеблеобразными плавниками являются предками всех позвоночных, кроме рыб, — четвероногих или позвоночных с четырьмя конечностями. Это означает, помимо прочего, и мы.

Но с тех пор накопились доказательства того, что нам ближе двоякодышащие рыбы, которые обитают в пресной воде и встречаются в Африке, Австралии и Южной Америке. Но двоякодышащие рыбы немного странные. Африканские и южноамериканские виды видели, как плавники, похожие на конечности, их предков сжимались в тонкие гибкие нити. Получить некоторое представление об его эволюционной истории оказалось сложно, поскольку он содержит самый большой геном, известный у животных: геном южноамериканской двоякодышащей рыбы содержит более 90 миллиардов пар оснований. Это в 30 раз больше ДНК, чем у нас есть.

Но новая технология секвенирования сделала этот вид задачи более доступной, и международное сотрудничество теперь завершило создание самого большого генома за всю историю, в котором все хромосомы, кроме одной, несут больше ДНК, чем геном человека. Эта работа указывает на историю, в которой южноамериканские двоякодышащие рыбы добавляли дополнительно 3 миллиарда оснований ДНК каждые 10 миллионов лет в течение последних 200 миллионов лет, и все это без добавления большого количества новых генов. Вместо этого он, похоже, потерял способность держать под контролем нежелательную ДНК.

Идти долго

Эта работа стала возможной благодаря методу, обычно называемому «секвенированием длинного чтения». Большинство геномов было составлено с использованием коротких чтений, обычно в диапазоне 100–200 пар оснований. Ключевым моментом было провести достаточное секвенирование, чтобы каждое основание генома секвенировалось в среднем несколько раз. Соответственно, грамотно разработанная компьютерная программа может определить, где перекрываются две части последовательности, записать это как одну более длинную часть последовательности и повторять процесс до тех пор, пока компьютер не выведет длинные цепочки смежных оснований.

Проблема здесь в том, что большинство немикробных видов содержат участки повторяющихся последовательностей (представьте себе сотни копий оснований G и A соответственно), длина которых превышает несколько сотен оснований – почти идентичные последовательности, которые появляются в нескольких участках генома. . Невозможно сопоставить эти последовательности с уникальным местоположением, поэтому выходные данные программы сборки генома будут содержать множество пробелов неизвестной длины и последовательности.

Это создает огромные трудности для таких геномов, как геном двоякодышащих рыб, которые наполнены «нефункциональной» «мусорной» ДНК, причем все они обычно являются дубликатами. Программа имеет тенденцию создавать геном с большим количеством пробелов, чем с последовательностью.

Техника длительного чтения решает эту проблему, действуя именно так, как предполагает ее название. Вместо того, чтобы секвенировать фрагменты из 200 оснований или около того, они могут генерировать последовательности длиной в тысячи пар оснований, легко покрывая весь повтор, который в противном случае создал бы пробел. Одна из ранних версий давно прочитанной технологии заключалась в проталкивании длинных молекул ДНК через поры и наблюдении различных изменений напряжения в порах при прохождении через них различных оснований. У другого фермент репликации ДНК делал дубликат длинной цепи и отслеживал флуоресцентные изменения при добавлении различных оснований. Эти ранние версии, как правило, были немного подвержены ошибкам, но с тех пор были улучшены, и сейчас на рынке представлено множество новых конкурирующих технологий.

В 2021 году исследователи использовали эту технологию для Завершить геном Ученым удалось найти геномы африканских и южноамериканских видов, каждый из которых, по-видимому, пошел своим путем во время распада суперконтинента Гондвана, процесса, который начался примерно 200 миллионов лет назад. Получение геномов трех видов дало бы нам некоторое представление о чертах, которые являются общими для всех видов двоякодышащих рыб и, таким образом, вероятно, были общими с далекими предками, давшими начало четвероногим.