Геномы 233 приматов: генетическое разнообразие, темпы эволюции и многое другое

В спецвыпуске Science представлены результаты анализа геномов 233 видов приматов, относящихся к 16 семействам. Построена уточненная филогения отряда по ядерной ДНК, исследовано внутривидовое генетическое разнообразие и факторы, влияющие на него. Особый интерес представляет анализ миссенс-мутаций, как уникальных для человека, так и общих для разных видов приматов.

Изображение:

Один из видов беличьих обезьян, или саймири, Бразилия.

Credit:

Marcelo Santana

Приматы, ближайшие родственники человека, разнообразны и многочисленны, однако сравнительные анализы геномов до сих пор проводились на ограниченном количестве видов. Пробел восполнила новая работа, авторы которой проанализировали беспрецедентно большие данные по геномике приматов. Этому достижению и результатам, полученным благодаря ему, посвящен специальный выпуск Science.

Авторы секвенировали геномы 703 животных, представляющих 211 видов приматов; секвенирование проводили на платформе Illumina NovaSeq 6000. Собственные данные ученые дополнили полученными ранее — это еще 106 геномов 29 видов. В общей сложности изучены 233 видов обезьян и полуобезьян из 521 ныне живущих (47%); это представители 86% существующих родов. Исследованные виды обитают в различных регионах Земли — в Северной и Южной Америке, Африке, включая Мадагаскар, и Азии. Многие из этих приматов находятся под угрозой исчезновения, а геномы 29 видов секвенировали впервые.

Из-за проблем, связанных со сборкой коротких прочтений, все последовательности начала были выровнены на 32 референсных генома, представляющих основные систематические группы приматов.

Авторы оценили уровни гетерозиготности, иными словами, генетического разнообразия каждого из видов. Этот показатель варьирует у разных видов; он минимален у рокселланова ринопитека (Rhinopithecus roxellanae) и по медианным значениям меньше чем у человека, только у 15 видов приматов. Между родами, семействами и географическими регионами различия в генетическом разнообразии также сильно варьируют. Также авторы исследовали протяженные гомозиготные участки в геномах обезьян (runs of homozygosity, RoH) — размеры таких участков коррелируют с частотой инбридинга. Интересно, что этот показатель не был напрямую связан с риском вымирания. Хотя у некоторых видов, находящихся под угрозой, например, у западных горилл, доля RoH высока, у других редких видов она была низкой, а высокой оказалась у азарской мирикины (Aotus azarae) и галаго Гарнетта (Otolemur garnettii), которым вымирание не угрожает.

Используя локусы, содержащие генные ортологи, авторы построили филогенетическое дерево для отряда приматов. Они смогли уточнить время расхождения различных линий, для чего использовали также недавно полученные палеонтологические данные. В частности, расхождение между предками человека и шимпанзе произошло между 9,0 и 6,9 млн лет назад — несколько раньше, чем оценивается в других работах.

Количество мутаций на сайт на поколение, рассчитанное для разных видов приматов, и оказалось существенно выше, чем сообщалось ранее: от 0,25×10−8 до 1,62×10−8. Новые данные в очередной раз подтвердили гипотезу дрейфового барьера (drift-barrier hypothesis), сформулированную Майклом Линчем: скорость мутаций уменьшается с ростом эффективного размера популяции. (Об этой гипотезе читателям PCR.NEWS недавно рассказывал Александр Марков; суть ее в том, что чем ближе признак к «совершенству», тем меньше преимущество мутаций, а баланс между влиянием естественного отбора и генного дрейфа определяется, в частности, размером популяции.)

Далее ученые выяснили, какие факторы сильнее влияют на уровень генетического разнообразия и скорость возникновения мутаций. Рассмотрены были 32 возможных признака, в том числе масса тела, особенности индивидуального развития, уровень активности, социальная организация, диета, климатические условия, в которых обитает вид, и т. д. С помощью сравнительной филогенетики (метод генерализованных наименьших квадратов, PGLS) авторы показали, что наибольшее значение имеют стратегии спаривания, режим активности, климатический фактор, размер ниши и индивидуальное развитие. Примечательно, что влияние климата на генетическое разнообразие снижается в направлении с юга на север: у лемуров Южного полушария этот показатель очень велик.

Следующий раздел статьи посвящен миссенс-мутациям. Из 647 высокочастотных миссенс-мутаций, ранее описанных только у человека, 406 (63%) теперь удалось обнаружены по меньшей мере еще у одного вида приматов. Это предполагает их более раннее, чем считалось до сих пор, появление в ходе эволюции и возможное широкое распространение среди приматов.

Однако авторы обнаружили и миссенс-мутации, специфичные для Homo sapiens. Это 124 мутации в 107 генах, из которых 17 (в 12 генах) выявлены впервые. Варианты, которые повторяются менее чем у 1% видов приматов с частотой менее 0,1%, затрагивают 80 генов. Ассоциаций с какой-либо функцией или патологией авторы не обнаружили. Но в каталог вошли два хорошо известных гена, функционально различающихся у неандертальцев и человека современного типа, — NOVA1 и ADSL; варианты, характерные для нашего вида, отличают нас и от других приматов.

Данные о миссенс-мутациях могут быть полезными для понимания генетических основ заболеваний человека. В другом исследовании, опубликованном в том же номере Science, рассмотрены миссенс-варианты, которые встречаются не только у человека, но и у других приматов; такие мутации можно классифицировать как, вероятно, не вызывающие заболеваний. «Шесть процентов из 4,3 миллионов идентифицированных миссенс-мутаций широко распространены у приматов и поэтому считаются ”потенциально доброкачественными” для человека», — объясняет Кайл Фарх, вице-президент по искусственному интеллекту компании Illumina.

Патогенность других человеческих миссенс-вариантов в той же работе оценила 3D-сверточная нейросеть с частичным привлечением учителя PrimateAI-3D — ИИ-алгоритм, разработанный в Illumina.

 

Еще о геномике и эволюции приматов в том же номере Science:

Геномы западных желтых павианов содержат гены трех близких видов

Источники

Kuderna, L. F. K., et al. A global catalog of whole-genome diversity from 233 primate species // Science. 2023. Vol. 380, Issue 6648, DOI: 10.1126/science.abn7829

Hong Gao, et al. The landscape of tolerated genetic variation in humans and primates // Science. 2 Jun 2023 Vol 380, Issue 6648, DOI: 10.1126/science.abn8197

Цитата по пресс-релизу

Добавить в избранное