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

Сырые земли Сырые земли

Почему важно изучать водно-болотные угодья, или ветланды?

Наука и жизнь
Крупным планом: что происходит с отечественным кинорынком Крупным планом: что происходит с отечественным кинорынком

Какое кино сейчас интересно зрителям в России?

Inc.
Резерфорд и рождение экспериментальной ядерной физики Резерфорд и рождение экспериментальной ядерной физики

Первое искусственное превращение химических элементов

Наука и жизнь
Вечная молодость: 7 легендарных внедорожников, которые выпускались более 20 лет Вечная молодость: 7 легендарных внедорожников, которые выпускались более 20 лет

Автотитаны, которые десятилетиями остаются на конвейере

4x4 Club
Сердечные орешки! Сердечные орешки!

Как растут орешки кешью?

Наука и жизнь
Физика идеального порядка: 5 научных лайфхаков для безупречной уборки Физика идеального порядка: 5 научных лайфхаков для безупречной уборки

Как превратить рутинную уборку в увлекательное исследование?

ТехИнсайдер
Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной

Как складывались теории формирования Солнечной системы и Земли

Наука и жизнь
Чьим голосом вы говорите с собой? Чьим голосом вы говорите с собой?

Тест: как часто вы точно понимаете, чего на самом деле хотите

Psychologies
Альтернативные электроны Альтернативные электроны

Кто сказал, что электрокар непременно должен работать от аккумулятора?

Quattroruote
В сосновом бору В сосновом бору

Настоящий гимн природе в интерьере загородного дома в пригороде Новосибирска

SALON-Interior
Первая встреча Первая встреча

Если мы получим сигнал от братьев по разуму, то что будем делать дальше?

ТехИнсайдер
Дэвид Хокни: большой всплеск Дэвид Хокни: большой всплеск

В 88 лет Дэвид Хокни сумел остаться актуальным в XXI веке

Монокль
Все фильмы и сериалы Джеймса Ганна от худшего к лучшему Все фильмы и сериалы Джеймса Ганна от худшего к лучшему

Фильмы Джеймса Ганна от инди-ужасов до супергероев Marvel и DC

Maxim
Как правильно зарядить телефон: простые правила, которые сберегут его аккумулятор Как правильно зарядить телефон: простые правила, которые сберегут его аккумулятор

Что влияет на срок службы аккумулятора и как правильно заряжать телефон

CHIP
Няня для хвостатого: спрос на услуги по уходу за животными вырос на 162% Няня для хвостатого: спрос на услуги по уходу за животными вырос на 162%

Категория «Уход за животными» стала самой быстрорастущей на рынке услуг

Forbes
Контекст советского фотоискусства: отрывок из книги «Время непосредственной фотографии» Контекст советского фотоискусства: отрывок из книги «Время непосредственной фотографии»

Отрывок из истории объединения фотохудожников второй половины 1980-х годов

Правила жизни
10 фильмов про Супермена, от худших к лучшим 10 фильмов про Супермена, от худших к лучшим

Самые лучшие и самые худшие фильмы про Супермена

Maxim
Как ожидаемое вознаграждение управляет вниманием и решением человека Как ожидаемое вознаграждение управляет вниманием и решением человека

Концентрация внимания и выбор решения контролируются разными областями мозга

ТехИнсайдер
Регулировать, но не передавить Регулировать, но не передавить

На каких принципах должно основываться регулирование технологий в сфере ИИ

Ведомости
56 млн лет назад Земля пережила климатический кризис. Может ли он случиться вновь 56 млн лет назад Земля пережила климатический кризис. Может ли он случиться вновь

Ученые изучили древние отложения в бассейне Бигхорн в Вайоминге, США

ТехИнсайдер
Александр Овечкин: «Работай, доверяй себе – и всё сложится» Александр Овечкин: «Работай, доверяй себе – и всё сложится»

Про детскую площадку в московском дворе, где начиналась история легенды

Psychologies
Монеты, отчеканенные 1500 лет назад с одного штемпеля, рассказали о древних торговых путях Монеты, отчеканенные 1500 лет назад с одного штемпеля, рассказали о древних торговых путях

Что древние монеты рассказали об экономической интеграции Юго-Восточной Азии

ТехИнсайдер
Несовершеннолетние инвестиции Несовершеннолетние инвестиции

Брокеры фиксируют спрос на открытие счетов подросткам, но сегмент нишевый

Ведомости
Насколько вы готовы заниматься любимым делом? Насколько вы готовы заниматься любимым делом?

Пройдите тест и узнайте, насколько вы настроены заниматься тем, что любите

Psychologies
Культ кумари: почему в Непале поклоняются девочкам и за что критикуют эту традицию Культ кумари: почему в Непале поклоняются девочкам и за что критикуют эту традицию

Почему правозащитники выступают за отказ от традиций культа кумари

Forbes
Футбольный бог из машины Футбольный бог из машины

О работе ИИ, который подбирает потенциальных новичков в футболе

Ведомости
Правда ли, что горячие напитки ведут к раку? Правда ли, что горячие напитки ведут к раку?

Существует ли связь между горячими напитками и раком пищевода?

ТехИнсайдер
Потому что гладиолус Потому что гладиолус

Что мы знаем о Первом сентября и советской школе

Лиза
Показывают то, что скрыто Показывают то, что скрыто

Зачем музейное закулисье выходит на авансцену

Weekend
«Простая геометрическая фигура»: какую историю пережил «Черный квадрат» Малевича «Простая геометрическая фигура»: какую историю пережил «Черный квадрат» Малевича

История успеха наследия художника Казимира Малевича

Forbes
Открыть в приложении