Zsekwencjonowano rybę o genomie 30 razy większym od naszego

Kiedy odkryto je po raz pierwszy, coelacanth wywołał wiele emocji. Był to żywy przykład grupy ryb, o których sądzono, że istnieją jedynie w postaci skamieniałości. I to nie byle jaką grupę ryb. Uważa się, że celakanty i ich krewni, posiadający długie, przypominające łodygi płetwy, należą do przodków wszystkich kręgowców niebędących rybami – czworonogów, czyli kręgowców o czterech kończynach. Oznacza to między innymi my.

Jednak od tego czasu zgromadzono dowody na to, że jesteśmy bliżej ryb dwudysznych, które żyją w wodach słodkich i występują w Afryce, Australii i Ameryce Południowej. Ale dwudyszne są trochę dziwne. Gatunki afrykańskie i południowoamerykańskie widziały, jak przypominające kończyny płetwy ich przodków kurczyły się w cienkie, elastyczne włókna. Uzyskanie pewnej perspektywy na jego historię ewolucyjną okazało się trudne, ponieważ zawiera on największy genom znany u zwierząt, przy czym genom południowoamerykańskiej ryby dwudysznej zawiera ponad 90 miliardów par zasad. To 30 razy więcej DNA, jakie mamy.

Jednak nowa technologia sekwencjonowania uczyniła tego rodzaju wyzwanie bardziej dostępnym, a w ramach międzynarodowej współpracy ukończono obecnie budowę największego w historii genomu, w którym wszystkie chromosomy z wyjątkiem jednego zawierają więcej DNA niż genom ludzki. Praca ta wskazuje na historię, w której południowoamerykańskie ryby dwudyszne dodawały dodatkowe 3 miliardy zasad DNA co 10 milionów lat w ciągu ostatnich 200 milionów lat, a wszystko to bez dodawania dużej liczby nowych genów. Zamiast tego wydaje się, że utracił zdolność kontrolowania niechcianego DNA.

Idzie długo

Praca ta była możliwa dzięki technice powszechnie zwanej „sekwencjonowaniem długiego odczytu”. Większość genomów została ukończona przy użyciu krótkich odczytów, zwykle w zakresie 100–200 par zasad. Kluczem było przeprowadzenie wystarczającego sekwencjonowania, aby każda zasada w genomie była sekwencjonowana średnio kilka razy. Odpowiednio, sprytnie zaprojektowany program komputerowy może określić, gdzie dwa fragmenty sekwencji nakładają się, zapisać to jako jeden dłuższy fragment sekwencji i powtarzać proces, aż komputer wygeneruje długie łańcuchy sąsiadujących zasad.

Problem polega na tym, że większość gatunków niedrobnoustrojowych zawiera odcinki powtarzających się sekwencji (wyobraź sobie, odpowiednio, setki kopii zasad G i A), które mają ponad kilkaset zasad długości – prawie identyczne sekwencje, które pojawiają się w wielu miejscach genomu . Niemożliwe jest dopasowanie tych sekwencji do unikalnej lokalizacji, zatem dane wyjściowe programu składania genomu będą zawierać wiele luk o nieznanej długości i sekwencji.

Stwarza to ogromne trudności w przypadku genomów, takich jak genom ryby dwudysznej, które są wypełnione „niefunkcjonalnym” „śmieciowym” DNA, z których wszystkie są zazwyczaj duplikatami. Program ma tendencję do tworzenia genomu z większą liczbą luk niż sekwencji.

Technika długiego czytania pozwala obejść ten problem, robiąc dokładnie to, co sugeruje jej nazwa. Zamiast sekwencjonować fragmenty o długości około 200 zasad, mogą generować sekwencje o długości tysięcy par zasad, z łatwością pokrywając całe powtórzenie, które w przeciwnym razie stworzyłoby lukę. Jedna z wczesnych wersji technologii o długim odczycie polegała na wpychaniu długich cząsteczek DNA przez pory i obserwowaniu różnych zmian napięcia w porach w miarę przechodzenia przez nie różnych zasad. Inny miał enzym replikujący DNA, który tworzył duplikat kopii długiej nici i monitorował zmiany fluorescencyjne po dodaniu różnych zasad. Te wczesne wersje były zazwyczaj nieco podatne na błędy, ale od tego czasu zostały ulepszone, a na rynku dostępnych jest obecnie wiele nowszych, konkurencyjnych technologii.

W 2021 roku badacze wykorzystali tę technologię do Uzupełnij genom Naukowcom udało się znaleźć genomy gatunków afrykańskich i południowoamerykańskich, z których każdy najwyraźniej podążał własną ścieżką podczas rozpadu superkontynentu Gondwany, procesu, który rozpoczął się około 200 milionów lat temu. Uzyskanie genomów tych trzech gatunków dałoby nam pewne spojrzenie na cechy wspólne wszystkich gatunków ryb dwudysznych, a zatem prawdopodobnie wspólne z odległymi przodkami, którzy dali początek czworonogom.