Τεράστια κρύπτη γονιδιωμάτων θηλαστικών προσφέρει νέες ιδέες για την ανθρώπινη εξέλιξη.

Όταν πρωτοδημοσιεύτηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 2000, το πλήρες γονιδίωμα του ποντικού, του ανθρώπου, του αρουραίου και του χιμπατζή άνοιξε την πόρτα στους γενετιστές να συγκρίνουν τις αλληλουχίες τους και να μάθουν περισσότερα για το πώς εξελίχθηκαν τα θηλαστικά.

Αυτά τα κυτταρικά ρολόγια εξηγούν γιατί οι ελέφαντες είναι μεγαλύτεροι από τα ποντίκια

Τώρα, περίπου δύο δεκαετίες αργότερα, οι ερευνητές έχουν συγκεντρώσει και συγκρίνουν τα γονιδιώματα 240 θηλαστικών, δείχνοντας πόσο μακριά έχει φτάσει το πεδίο. Από αυτό το πλήθος δεδομένων – τη μεγαλύτερη συλλογή γενετικών αλληλουχιών θηλαστικών μέχρι σήμερα – έμαθαν περισσότερα για το γιατί ορισμένα θηλαστικά μυρίζουν ιδιαίτερα καλά, γιατί άλλα πέφτουν σε χειμερία νάρκη και γιατί μερικά έχουν αναπτύξει μεγαλύτερο εγκέφαλο. Η προσπάθεια, που ονομάζεται Zoonomia Project, ανέφερε αυτά και άλλα ευρήματα σε μια σειρά από 11 εργασίες στο Science στις 27 Απριλίου.

Τα δεδομένα υπογραμμίζουν όχι μόνο ποιες περιοχές των γονιδιωμάτων είναι παρόμοιες, αλλά και όταν, σε κλίμακα εκατομμυρίων ετών, οι γενετικές τους αλληλουχίες διέφεραν. «Αυτό πραγματικά δεν ήταν δυνατό χωρίς αυτήν την κλίμακα δεδομένων πριν», λέει η Katie Pollard, επιστήμονας δεδομένων στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο, η οποία συμμετέχει στο έργο.

Η αλληλούχιση τόσων πολλών ειδών θηλαστικών είναι ένα τεράστιο επίτευγμα, λέει ο David Haussler, επιστημονικός διευθυντής του Ινστιτούτου Γονιδιωματικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ. «Πάντα το ονειρευόμασταν». Ο Haussler βοήθησε στον προσδιορισμό της αλληλουχίας του πρώτου ανθρώπινου γονιδιώματος στις αρχές της δεκαετίας του 2000.

Εξόρυξη δεδομένων.

Αυτά τα πρώτα γονιδιώματα θηλαστικών που δημοσιεύθηκαν πριν από πολύ καιρό ήταν μια καλή αρχή, λέει η Kerstin Lindblad-Toh, γενετιστής στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα στη Σουηδία, ένας από τους ηγέτες της Zoonomia. Αλλά εκείνη και οι συνάδελφοί της συνειδητοποίησαν ότι θα χρειάζονταν περισσότερα από 200 γονιδιώματα για να προσφέρουν μια στατιστικά σημαντική ματιά στο πώς άλλαξαν τα είδη θηλαστικών με την πάροδο του χρόνου – ειδικά αν ήθελαν να μεγεθύνουν τις γενετικές αλλαγές σε επίπεδο μεμονωμένων ζευγών βάσεων DNA.

Η κοινοπραξία Zoonomia, η οποία περιλαμβάνει περισσότερους από 150 επιστήμονες και 30 ερευνητικές ομάδες από όλο τον κόσμο, έκανε τα 240 γονιδιώματά της διαθέσιμα στο κοινό για πρώτη φορά το 2020. Από τότε, οι ερευνητές αναζήτησαν ομοιότητες μεταξύ τους. Υπέθεσαν ότι εάν ορισμένα τμήματα των γονιδιωμάτων ήταν παρόμοια – και παρέμειναν έτσι για δεκάδες εκατομμύρια χρόνια σε όλα τα είδη – αυτά τα τμήματα πρέπει να εξυπηρετούν μια σημαντική λειτουργία για αυτά τα ζώα. Σε μια ανάλυση, μια ομάδα χρησιμοποίησε αυτήν την έννοια για να υπολογίσει ότι τουλάχιστον το 10,7% του ανθρώπινου γονιδιώματος είναι πανομοιότυπο με εκείνο σχεδόν όλων των ειδών που μελέτησαν οι ερευνητές. Οι περισσότερες από αυτές τις «συντηρημένες» περιοχές είναι τα λεγόμενα ρυθμιστικά γονίδια, τα οποία ρυθμίζουν το πώς και πότε άλλα γονίδια μεταγράφονται και τελικά μεταφράζονται σε πρωτεΐνες. Η λειτουργία περίπου των μισών από αυτά τα διατηρημένα γονίδια ήταν προηγουμένως άγνωστη.

Άλλες αναλύσεις εξέτασαν πώς διαφέρουν τα γονιδιώματα, υπογραμμίζοντας τον τρόπο με τον οποίο εξελίχθηκαν ορισμένα χαρακτηριστικά όπως η αίσθηση της όσφρησης, αλλά και υποδεικνύοντας στους ερευνητές ποια γονίδια συμβάλλουν στην εμφάνιση ασθενειών. Μελέτες συσχέτισης σε επίπεδο γονιδιώματος (GWAS) έχουν ήδη συγκρίνει χιλιάδες ανθρώπινα γονιδιώματα για τον εντοπισμό παραλλαγών που συνδέονται με ασθένεια. Αλλά η εύρεση των ακριβών γονιδίων που δεν συνδέονται απλώς με, αλλά προκαλούν μια ασθένεια, έχει αποδειχθεί δύσκολη, ειδικά για καταστάσεις που έχουν εκατομμύρια σχετιζόμενα γονίδια. Βλέποντας πώς αυτά τα γονίδια έχουν εξελιχθεί με την πάροδο του χρόνου σε όλα τα θηλαστικά μπορεί να βοηθήσει στον περιορισμό της αναζήτησης «κατά μια τάξη μεγέθους», λέει ο Lindblad-Toh.

Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα της Zoonomia, οι ερευνητές κατασκεύασαν επίσης ένα φυλογενετικό δέντρο που υπολογίζει πότε κάθε είδος θηλαστικού αποκλίνει από τους προγόνους του. Αυτή η ανάλυση υποστηρίζει την υπόθεση ότι τα θηλαστικά είχαν ήδη αρχίσει να αποκλίνουν εξελικτικά πριν χτυπηθεί η Γη από τον αστεροειδή που σκότωσε τους δεινόσαυρους πριν από περίπου 65 εκατομμύρια χρόνια – αλλά ότι αποκλίνονταν πολύ πιο γρήγορα στη συνέχεια.

Μόνο η αρχή

Το Zoonomia Project είναι μόνο μία από τις δεκάδες προσπάθειες για την αλληλουχία γονιδιωμάτων ζώων. Μια άλλη μεγάλη προσπάθεια είναι το Vertebrate Genomes Project (VGP), το οποίο στοχεύει στη δημιουργία γονιδιωμάτων για περίπου και τα 71.000 ζωντανά είδη σπονδυλωτών, τα οποία περιλαμβάνουν θηλαστικά, ερπετά, ψάρια, πουλιά και αμφίβια. Αν και τα δύο έργα είναι ανεξάρτητα το ένα από το άλλο, πολλοί ερευνητές είναι μέρος και των δύο, λέει ο Haussler, ο οποίος είναι διαχειριστής του VGP.

Κάθε πεταλούδα στις Ηνωμένες Πολιτείες και τον Καναδά έχει τώρα μια αλληλουχία γονιδιώματος

Το να έχουμε τόσα πολλά γονιδιώματα θηλαστικών είναι ένα κατόρθωμα, λέει ο Walter Jetz, οικολόγος στο Πανεπιστήμιο Yale στο New Haven του Κονέκτικατ, αλλά η βάση δεδομένων της Zoonomia μέχρι στιγμής έχει μια προκατάληψη προς τα είδη με μεγάλα σώματα και αυτά που δεν προέρχονται από τροπικές περιοχές. Η αλληλουχία μιας μεγαλύτερης ποικιλίας θηλαστικών θα επιτρέψει στους ερευνητές να βγάλουν πιο έγκυρα συμπεράσματα σχετικά με την εξέλιξη των θηλαστικών, λέει. Ο Lindblad-Toh λέει ότι το έργο είχε στόχο να επιλέξει ένα ευρύ φάσμα ειδών προς δειγματοληψία, αλλά ότι όσο περισσότερα θηλαστικά προστίθενται σε αυτό το σύνολο δεδομένων, τόσο πιο ισχυρό θα είναι. «Εισερχόμαστε σε μια εκθετική φάση προσδιορισμού αλληλουχίας γονιδιώματος με θηλαστικά και άλλες ομάδες», λέει ο Nathan Upham, εξελικτικός βιολόγος στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα στο Tempe, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα.

Η Elinor Karlsson, γενετιστής στην Ιατρική Σχολή Chan του Πανεπιστημίου της Μασαχουσέτης στο Worcester, η οποία είναι ένας από τους ηγέτες της Zoonomia, επισημαίνει ότι τα δεδομένα είναι δημόσια διαθέσιμα στον ιστότοπο του έργου. «Ελπίζουμε πραγματικά ότι περισσότεροι άνθρωποι θα αρχίσουν να ανακαλύπτουν όλες τις ερωτήσεις που θα μπορούσαν να τεθούν με αυτά τα σύνολα δεδομένων», λέει.

Το Zoonomia δεν είναι το αποκορύφωμα της έρευνας στη γονιδιωματική των θηλαστικών – είναι μόνο η αρχή, λέει ο Upham. Τα τελευταία 20 χρόνια αφορούσαν την εκμάθηση του τρόπου σωστής αλληλουχίας των γονιδιωμάτων, προσθέτει. «Τώρα μόλις αρχίζουμε να βουτάμε βαθιά στα γονιδιώματα».