Что делали биологи в сфере генетики, нейробиологии и эволюционной генетики

Наука и жизньНаука

Чем занимались биологи в 2023 году

Материал подготовил Кирилл Стасевич

Генетика

Человеческому геному добавили подробностей

Как известно, геном человека прочитали к 2004 году. Однако в нём довольно долго оставались белые пятна — то были участки хромосом, может быть, не самые важные с точки зрения генетической информации, но которые всё же надо было дочитать. Белые пятна закрыли к 2022 году, о чём журнал «Наука и жизнь» писал в прошлогоднем обзоре. Так о каких подробностях речь, геном ведь дочитали? Тут нужно уточнить, что называют прочитанным геномом. Например, взяли ДНК у конкретного человека и прочитали её, то есть просеквенировали последовательность азотистых оснований (генетических букв) во всех хромосомах. Получили прочитанный геном — но геном именно этого человека. Однако люди отличаются друг от друга: по внешности, по физиологии, по интенсивности биохимических реакций. Не все, но многие из этих отличий коренятся в ДНК. Если сравнить геномы любых двух человек, то примерно 0,4% всей ДНК-последовательности у них будут разными.

Поэтому когда говорят о прочитанном геноме не конкретного человека, а человека вообще, имеют в виду референсный геном. Он не соответствует никакой индивидуальной ДНК. Это массив данных, в котором записаны варианты последовательностей в том или ином фрагменте генома, встречающиеся у разных людей. Можно подумать, что для референсного генома нужно прочесть ДНК всего человечества, но это не так. Наши бесконечно разнообразные индивидуальные отличия есть результат сложившейся мозаики многих участков генома. Да, генетические буквы в генах могут меняться одна на другую, но, во-первых, букв всего четыре, а во-вторых, если речь о здоровых вариантах гена, то далеко не во всей последовательности они могут варьировать. Кое-где замены букв (или какие-то другие виды мутаций) дадут такой вариант гена, с которым человек просто не выживет.

В любом случае, чтобы поймать все здоровые вариации человеческого генома, нужна ДНК не от одного человека, а от нескольких десятков или даже сотен. Эту работу ведут давно, и референсный геном уже есть. Однако насколько он полон? ДНК для референсного генома брали более чем у шестидесяти человек, но вариации искали не во всём геноме, а в конкретных зонах. То есть, можно сказать, что где-то референсный геном был очень референсным, а где-то не очень.

На рисунке линии разного цвета соответствуют геномам нескольких людей. На  одном и том же небольшом участке ДНК часть генетической последовательности  будет одинаковой во всех геномах, некоторые буквы будут отличаться или вообще  отсутствовать, в некоторых фрагментах последовательность будет удвоена или  инвертирована. Референсный геном должен учитывать все эти варианты. Источник: National Human Genome Research Institute (с изменениями)

Кроме того, частичная референсность генома связана с тем, что ДНК брали у людей преимущественно европейского происхождения. Если же нужен здоровый геном во всём его разнообразии, требуется ДНК разных этнических групп. Дело не в разнообразии как таковом, а в том, что народы перемешиваются, и чем дальше, тем активнее, и у конкретного человека в геноме могут оказаться варианты с противоположных концов мира.

Ещё одна причина неполной референсности заключается в технических ограничениях. Хромосомную ДНК от начала до конца за один раз никто не секвенирует. Её дробят на много коротких отрезков, читают их, а потом с помощью сложных алгоритмов определяют, где какой отрезок стоит в хромосоме. Отрезки получаются отчасти перекрывающиеся друг с другом, и все перекрытия видны в последовательностях генетических букв. Но в геноме есть длинные повторяющиеся куски, которые трудно правильно прочесть. Например, бывает так, что какая-то область в геноме удвоилась (дуплицировалась) и в одной из копий появились небольшие отличия от другой. Чтобы отличить копии друг от друга, каждую нужно прочесть за один раз без разрывов, без разрезания на маленькие фрагменты. Если их разрезать, прочесть отрезки, а потом попробовать смонтировать из них одну большую область, то обе копии в момент сборки генома сольются в одну.

До поры до времени читать непрерывно длинные куски генома было технически невозможно. В конце концов эту трудность преодолели, и благодаря «длинному чтению» удалось дочитать геном до конца и увидеть вариации в повторах. Чтобы повысить общую референсность генома, международный исследовательский консорциум прочитал ДНК у сорока семи человек с разных континентов; результаты были опубликованы весной прошлого года в нескольких статьях в «Nature», «Genome Research», «Nature Biotechnology» и «Nature Methods».

Общечеловеческий геном не только стал выглядеть полнее, новые данные выявили некоторые подробности, относящиеся к человеческой эволюции — в частности, к эволюции мозга. У живых существ гены нередко удваиваются, и новая копия становится эволюционным испытательным полигоном, накапливая мутации и меняя функции. Однако у человека есть несколько десятков генов, которые мало менялись после удвоения. Такие гены оказались связаны с увеличением мозга. В ходе естественного отбора преимущество оказалось у тех из наших предков, чей мозг был крупнее. От генома потребовалось усилить функционирование соответствующих генов, не меняя их сущность, — то есть генов должно было стать больше, но выполнять они должны были ту же самую работу, что и прежде.

Проект «референсизации» человеческого генома ещё не закончен: к середине 2024 года исследователи собираются довести число прочитанных геномов до трёхсот пятидесяти.

Y-хромосому дочитали до конца

Человеческий «игрек» дочитали в рамках всё того же длящегося проекта по ликвидации белых пятен и повышению референсности генома, но результаты, которые получились, всё же стоят несколько особняком. Особенности Y-хромосомы описаны в статье в журнале «Nature», опубликованной в конце прошлого лета сотрудниками Консорциума по изучению структурных вариантов генома человека (Human Genome Structural Variation Consortium). Оказалось, что Y-хромосома необычайно разнообразна. На ней находятся гены TSPY и TSPY2, влияющие на формирование сперматозоидов. У них много копий — по несколько десятков, и их число меняется от человека к человеку. Например, у кого-то может быть тридцать девять копий TSPY, у кого-то — двадцать три, а ещё у кого-то — тридцать.

В геноме, кроме «осмысленных» участков, кодирующих белки и служебные РНК, есть зоны, которые ничего не кодируют. Они бывают очень большими, состоят из множества повторов и выполняют некоторые важные функции. (Например, из бессмысленных повторов состоят центромеры и теломеры: от первых зависит расхождение хромосом по дочерним клеткам во время деления, от вторых — само число клеточных делений.) Выяснилось, что некодирующие зоны у разных мужчин отличаются на миллионы генетических букв. В то же время у отдельного человека размер такой некодирующей зоны может уменьшаться с возрастом. Зависит ли как-то жизнь мужчин от «игрекового» разнообразия, пока что не очень ясно.

Закончив полностью чтение Y-хромосомы, исследователи обнаружили, что фрагменты из неё есть в последовательностях многих бактериальных геномов, которые давно прочитаны и хранятся в базах данных. Дело в том, что образцы бактерий для чтения генома часто брали от людей. Вместе с бактериальной ДНК в процедуру секвенирования попадала и человеческая. Ту человеческую ДНК, из которой состоят другие наши хромосомы, можно было быстро отличить от бактериальной — потому что почти все наши хромосомы были давно и хорошо прочитаны. Ну а «игрек» так и оставался «полусырым». Биоинформатические алгоритмы, собирая бактериальный геном, вставляли «игрек»-фрагменты в бактериальную ДНК, туда, где их можно было смонтировать с соседними бактериальными последовательностями. Судя по базе данных бактериальных геномов, Y-хромосома «наследила» в геномах примерно 5 тысяч видов — но теперь её, конечно, оттуда быстро вычистят. Значимость работы над ошибками не стоит недооценивать: на геномные базы данных опираются исследователи из самых разных научных областей, начиная от тех, которые занимаются эволюционно-теоретическими вопросами, и заканчивая теми, кто ищет новые антибиотики.

Звериные гены

Ещё одно заметное событие, связанное с анализом больших массивов генетических данных, — опубликованные в журнале «Science» одиннадцать статей международного проекта «Зоономия» (Zoonomia Project). В статьях описаны результаты сравнительного анализа геномов 241 вида млекопитающих. У млекопитающих много общего, иначе бы их не объединяли в один биологический класс: они вскармливают детёнышей молоком, на теле у них растёт шерсть, у них очень острое обоняние и т. д. Но у кого-то шерсти много, у кого-то мало, у кого-то нос более чуткий, у кого-то менее, кто-то научился летать, кто-то способен жить в воде. Про мозг и говорить не стоит: есть большой и сложный человеческий мозг, и есть маленький мышиный, на котором вообще нет извилин.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Резерфорд и рождение экспериментальной ядерной физики Резерфорд и рождение экспериментальной ядерной физики

Первое искусственное превращение химических элементов

Наука и жизнь
От синтеза клетки до зрелого цветка От синтеза клетки до зрелого цветка

Как выращиваются орхидеи рода фаленопсис на базе тепличного комбината

Агроинвестор
Каждая личинка — индивидуальность Каждая личинка — индивидуальность

Эти небольшие червячки красного цвета — объект пристального внимания биологов

Наука и жизнь
Нажми на кнопку: фильмы по мотивам азиатских игр Нажми на кнопку: фильмы по мотивам азиатских игр

Гид по экранизациям азиатских видеоигр

Правила жизни
Сердечные орешки! Сердечные орешки!

Как растут орешки кешью?

Наука и жизнь
Минус вайб Минус вайб

Чем опасно доверять написание кода нейросетям?

N+1
Зажечь плазму для термояда и сделать зеркало для рентгена Зажечь плазму для термояда и сделать зеркало для рентгена

Академик Григорий Денисов — чем занимаются физики в ИПФ РАН Нижнего Новгорода

Наука и жизнь
От Тегерана до Потсдама: большая дипломатия в конце Второй мировой войны От Тегерана до Потсдама: большая дипломатия в конце Второй мировой войны

Как Сталин, Рузвельт и Черчилль преодолевали взаимное недоверие

Монокль
Мостик в будущее Мостик в будущее

Последнее творение Илона Маска

Quattroruote
Что делать и куда жаловаться, если вас сбил электросамокат Что делать и куда жаловаться, если вас сбил электросамокат

Как действовать в случае ДТП с электросамокатом

РБК
Квантовое превосходство Квантовое превосходство

«Квантовый компьютер – атомная бомба XX века»

ТехИнсайдер
Индивидуалистка из СССР: как Айн Рэнд боролась с коммунизмом и создавала бестселлеры Индивидуалистка из СССР: как Айн Рэнд боролась с коммунизмом и создавала бестселлеры

Как Айн Рэнд, дочь аптекаря из Петербурга, смогла покорить США

Forbes
Тянет в Италию Тянет в Италию

Италия — точка притяжения художников, моряков и мечтателей

Y Magazine
Свежая ягода — круглый год Свежая ягода — круглый год

Как функционирует круглогодичный комплекс по выращиванию ягод в Ставрополье

Агроинвестор
Александр Невский и его время Александр Невский и его время

Александр Невский правил в тяжелое для нашего отечества время

Знание – сила
Красная-красная смесь. Гидросистемы летательных аппаратов Красная-красная смесь. Гидросистемы летательных аппаратов

Как устроены гидросистемы в авиации — от цвета до принципов работы

Наука и техника
Древние и красивые: 5 важных археологических памятников Древние и красивые: 5 важных археологических памятников

Самые впечатляющие и ценнейшие археологические памятники

ТехИнсайдер
Что такое робот? Что такое робот?

Роботы вокруг нас: объясняем, как они работают и зачем нужны

Наука и техника
Небо и море люблю одинаково… Небо и море люблю одинаково…

Боевой и жизненный путь генерал-майора авиации Ивана Васильевича Рожкова

Знание – сила
Сага мужества и стойкости Сага мужества и стойкости

Четыре года схваток сплотили союзников сильнее, чем дипломатические трактаты

Монокль
Атлантические крепости Третьего рейха Атлантические крепости Третьего рейха

Атлантический вал: порты-крепости и их роль в обороне Третьего рейха

Наука и техника
Поэты-ифлийцы на фронтах Великой Отечественной Поэты-ифлийцы на фронтах Великой Отечественной

Вступить в «кружок поэтов ИФЛИ» было никак не легче, чем в Союз писателей СССР

Знание – сила
Напитки с плюсом Напитки с плюсом

Почему растет рынок функциональных продуктов

Агроинвестор
Пять штрихов к портрету «Афгана» Пять штрихов к портрету «Афгана»

Ключевые задачи и решения 40-й армии в Афганистане

Монокль
Совсем другой сюжет Совсем другой сюжет

Портрет итальянской верфи Cantiere del Pardo и самые актуальные ее модели

Y Magazine
Нейросети в поисках персонала: как компании используют искусственный интеллект в рекрутинге уже сейчас Нейросети в поисках персонала: как компании используют искусственный интеллект в рекрутинге уже сейчас

Как рекрутеры используют нейросети — кейсы из России

ТехИнсайдер
Раннее взросление Раннее взросление

История одной семьи, переданная в письмах

Знание – сила
Отец и сын. Великая Отечественная в жизни Константина и Алексея Симоновых Отец и сын. Великая Отечественная в жизни Константина и Алексея Симоновых

Какой след оставила война в жизни Константина и Алексея Симоновых?

Знание – сила
«Любовь к Родине. Куда она может исчезнуть?» «Любовь к Родине. Куда она может исчезнуть?»

Борис Николаев о военных кампаниях на Северном Кавказе, службе в спецназе и вере

Монокль
Афганская эпопея: оценки сегодняшнего дня Афганская эпопея: оценки сегодняшнего дня

Об условиях, в которых принимались решения о вводе и выводе войск из Афганистана

Монокль
Открыть в приложении