Ученые завершили расшифровку первого генома певчей птицы и обнаружили 2710 генов

Фото из открытых источников

Ученые считали, что у зебровой амадины отсутствует ген, отвечающий за коммуникацию нервных клеток. На самом деле он всегда присутствовал, скрытый на крошечной, сильно повторяющейся хромосоме, которую никому не удавалось собрать. Впервые прочитав каждую хромосому птицы от начала до конца, исследователи обнаружили тысячи ранее пропущенных генов, включая этот. Результаты исследования были опубликованы в журнале Cell.

Джулио Форменти и Эрих Джарвис из Рокфеллеровского университета руководили работой вместе с десятками соавторов. Зяблик — одно из наиболее изученных животных в нейробиологии, поскольку он усваивает свою песню, слушая и копируя её, подобно тому, как дети учатся говорить.

Ни одно пресмыкающееся или млекопитающее не обладает таким маленьким геномом, как у птицы. Зебровая амадина содержит примерно миллиард букв ДНК, упакованных в 40 пар хромосом, и большинство из этих пар очень маленькие.

Маленькие хромосомы содержат гены и длинные участки повторяющейся ДНК. Секвенирующие машины неправильно считывали повторяющиеся последовательности, поэтому маленькие хромосомы постоянно выдавались поврежденными или пустыми.

«В более ранних версиях генома зебровых амадин было много пробелов, поэтому исследователи никогда не могли быть уверены, действительно ли отсутствующий ген или последовательность отсутствовали или просто попали в один из этих пробелов», — рассказал Форменти.

В этот раз 11 самых маленьких хромосом оказались целыми, с тем, что Форменти назвал «последовательной внутренней организацией, которая, по-видимому, отражает исходную архитектуру геномов позвоночных».

Первое упоминание о зебровой амадине появилось в 2010 году, вторая птица, геном которой был секвенирован после курицы. Гораздо более качественная запись появилась в 2021 году в рамках проекта «Геномы позвоночных». Ни одна из них не была полной.

В лаборатории генома позвоночных Рокфеллеровского института крошечные поры, через которые ДНК проходит через секвенирующий аппарат, постоянно забивались, поэтому команда снова и снова открывала и очищала их. Они секвенировали геном одной самки птицы и обоих ее родителей, используя несколько типов секвенаторов, а затем вручную проанализировали результаты, хромосома за хромосомой.

Команда Форменти восстановила 89,9 миллиона букв ДНК, которых не было в версии 2021 года, что составляет 7,8% генома. В нем они насчитали 2710 генов, которые были пропущены или неправильно обозначены в старом справочнике. Из них 972 содержат инструкции по построению белков.

Один из белков, участвующих в синтезе этого вещества, помогает нервным клеткам передавать химические сигналы, и он важен для функционирования мозга. До сих пор считалось, что у зебровой амадины он отсутствует. Команда Форменти обнаружила его на 31-й хромосоме.

Наибольшие пробелы были обнаружены в W-хромосоме, которая присутствует только у самок птиц. Повторяющиеся участки составляют 83% её структуры, а треть, 11,5 миллионов букв, никогда не была собрана целиком. На этот раз она сформировалась полностью.

«Теперь мы наконец можем напрямую исследовать эту биологию, включая генетику обучения вокализации, используя, по сути, полную эталонную модель», — сказал Форменти.

Джарвис ответил отдельно и сказал, что гены, которые он больше всего хочет исследовать, расположены на половых хромосомах Z и W. Его лаборатория сообщила об обогащении этих генов, связанных с потерей способности к обучению вокалу у женщин, что связано с контролем уровня эстрогена.

Теперь эти гены полностью сформированы, и появились новые, поэтому, по словам Джарвиса, лаборатория может начать тестирование половых различий в обучении речи.

У каждой хромосомы есть точка сужения, где клетка захватывает её и разрывает во время деления. У млекопитающих белок CENP-B зажимает в этом месте короткий, специфический участок ДНК. Учёные считали, что у птиц ничего подобного нет.

Повтор из 716 букв обнаруживается в точке сужения на каждой хромосоме зебровой амадины и содержит мотивы, очень похожие на участок связывания CENP-B у человека. В версии 2021 года было обнаружено всего около 300 копий этого повтора. Команда Форменти насчитала более 13 000 на каждый родительский набор.

Затем команда начала искать белок, способный связываться с этим участком, и нашла одного перспективного кандидата, созданного из того же семейства древней подвижной ДНК, которое дало млекопитающим ген CENP-B. Моделирование его формы предполагает, что он может образовывать пары и связываться с повторяющимся участком.

Джарвис и его коллеги называют это скорее возможностью, чем результатом. Никто еще не наблюдал, как этот белок выполняет свою функцию внутри живой клетки.

Птица происходит из колонии, содержащейся в неволе и частично являющейся результатом инбридинга. Подсчет повторов, скопированные участки и наличие генов могут указывать на принадлежность к этой колонии, а не ко всем зебровым амадинам, и дикие птицы и подвиды не представлены.

Осталось шесть пробелов. Четыре находятся на Z-хромосоме, а два — в кластере повторяющихся генов, которые проект «Геном человека» также не смог разрешить в 2022 году. Команда заполнила все шесть пробелов с помощью смоделированной последовательности, а не путем прямого считывания.

Они также пропустили этап полировки, который обычно исправляет мелкие ошибки, потому что никто еще не придумал, как отполировать геном с двумя отдельными родительскими копиями. Наибольшая вероятность ошибок наблюдается в тех участках, которые может прочитать только одна машина. Сейчас разрабатывается доработанная версия.

Практически у каждой певчей птицы есть дополнительная хромосома, которая присутствует только в яйцеклетках и сперматозоидах и отторгается от всех остальных клеток организма. У зебровой амадины она большая. Она не входит в этот набор хромосом, и её функция неизвестна.

Никто не проверял, имеют ли другие птицы такое же расположение хромосом, как у зяблика, описанное командой исследователей. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо повторить ту же медленную работу на другом виде, по одной птице за раз.

Геном зебровой амадины уже является общедоступным эталонным геномом, поэтому следующей команде, которая попытается это сделать, не придётся начинать всё сначала.