Птицы сэкономили на геноме

Изучая геном птиц, ученые прочитали их «историю успеха»

Надежда Маркина 12.12.2014, 09:56
iStockPhoto

Как птицы потеряли зубы, почему они такие разные, что общего между пением птиц и речью человека? Ответы на эти и другие вопросы биологи нашли в исследовании генома 48 видов пернатых. О работе международного геномного консорциума «Газете.Ru» рассказал один из его руководителей Стивен О'Брайен.

В журнале Science случился «день птиц»: восемь статей сегодняшнего выпуска посвящены анализу генома пернатых и изучению генетики происхождения, строения, разнообразия, размножения и образа жизни этого класса летающих позвоночных. Все эти статьи, так же как и вышедшие в других научных журналах (Genome Biology, GIGA Science и прочих), общим числом 29 — результаты работы международного консорциума по изучению генома птиц.

Один из руководителей проекта — Стивен О'Брайен, профессор Юго-восточного университета Нова во Флориде и директор созданного по «мегагранту» Центра геномной биоинформатики имени Добржанского Санкт-Петербургского государственного университета. Ранее ученый уже рассказывал «Газете.Ru» о работе по сравнительной геномике кошек.

В группу филогеномики птиц (Avian Phylogenomics Group) входят 200 ученых из 80 институтов в 20 странах. Руководители команд по изучению геномов птиц — это Эрик Джарвис из Университета Дьюка и Медицинского института Говарда Хьюза, Томас Гилберт из Музея естественной истории Дании, Гуоджи Чжан из Национального генобанка Китая и Университета Копенгагена. В числе соавторов статьи есть и российская исследовательница — Полина Перельман из новосибирского Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН.

За четыре года работы исследователи прочитали и проанализировали геном 48 птиц, в том числе вороны, утки, сокола, орла, дятла, совы, пингвина, колибри, фламинго, попугая.

Биоинформатикам удалось реконструировать геном общего предка крокодилов, динозавров и птиц. Они нарисовали эволюционное дерево происхождения птиц от динозавров и уточнили время, когда на веточках этого дерева появилось огромное разнообразие видов пернатых, сегодня населяющих планету.

Из анализа генома ученые узнали, например, генетические основы пения певчих птиц.

Оказалось, между птичьим пением и речью человека гораздо больше сходства, чем считали ранее.

Исследователи нашли более 50 генов, которые изменяют свою активность в мозге в то время, как птица учится петь, и они же активны в то время, как ребенок учится говорить. В задачи этих генов входит установление связей между корой мозга и вокальным трактом.

В другой статье ученые описывают, какие мутации привели к тому, что птицы потеряли зубы. Кстати, потеря зубов стала для них важным приобретением, так как уменьшила вес тела, что очень важно для полета. Еще одна статья посвящена изучению генома антарктических пингвинов.

Гены показали, как пингвины утратили способность к полету и приобрели способность к жизни в экстремальных условиях на ледяном континенте.

Стивен О'Брайен, соавтор пяти статей в Science, ответил на вопросы «Газеты.Ru».

— Чем отличаются по геному птицы от млекопитающих?
— Геном птиц по размеру примерно в три раза меньше генома млекопитающих. Птицы выбросили из него большинство повторяющихся последовательностей. Геномы млекопитающих, как правило, наполовину состоят из повторов, а в геноме птиц они составляют только 5–10%.

Геном птиц гораздо более компактный. Они отбросили за ненадобностью несколько тысяч «генов домашнего хозяйства»

(household genes, так называют гены, необходимые для поддержания важнейших жизненных функций), так как при птичьем образе жизни они не нужны. Наконец, у птиц геном упакован по-другому — в несколько больших хромосом и от шести до десяти микрохромосом (у млекопитающих — от шести до 60 парных хромосом).

— Что нового вы узнали про эволюцию птиц?
— Птицы произошли от динозавров в течение юрского периода. Их успеху очень способствовала глобальная катастрофа, которая случилась 66 млн лет назад. Метеорит диаметром 10 км врезался в полуостров Юкатан, на планете случился блэкаут, и резкое похолодание положило конец 100-миллионолетнему господству динозавров.

Возникли свободные экологические ниши, которые заняли млекопитающие и птицы.

Их геномная формула позволила им освоить воздушное пространство и привела к успеху. В изучении генома птиц масса интересного для физиологии, нейронауки, биологии развития, биоинженерии и аэродинамики.

— Что позволило птицам достичь такого видового разнообразия?
— «Большой взрыв» привел к возникновению более 10 500 современных видов птиц, которые невероятно разнообразны, от расцветки оперения до пения. Мы думаем, что комбинация эволюционных возможностей, которые заключались в геноме рептилий вкупе с внезапным исчезновением динозавров, 66 млн лет назад открыло большое разнообразие экологических ниш, которые были заполнены видами птиц.

— Как участвовал в работе Центр геномной биоинформатики имени Добржанского в Санкт-Петербурге?
— Центр Добржанcкоrо обучает молодых специалистов по биоинформатике, которые специализируются на медицинской геномике человека и сравнительной геномике.

Задача сравнительной геномики — понять в контексте эволюции, какие изменения у каждого вида привели его к успеху.

Ученые разрабатывают инновационные технологии для прочтения генома, его представления и анализа — это те средства, которые используются и при изучении генома птиц.

Как объяснил «Газете.Ru» Стивен О'Брайен, группа филогеномики птиц возникла в рамках проекта Genome 10K Project (проект «10 тысяч геномов»), который стартовал в 2009 году. Над проектом работает консорциум исследователей, чья цель состоит в организации секвенирования (прочтения) и анализа геномов 10 тыс. видов позвоночных.