Сотни новых геномов приматов открывают окно в человеческое здоровье и наше прошлое | Наука

Люди уже давно видят свое отражение в других приматах, а социальное поведение и когнитивные способности обезьян проливают свет на наше собственное. Теперь две международные команды заглянули в зеркало поглубже. Секвенировав ы более 200 нечеловеческих приматов, от мышиных лемуров размером с ладонь до 200-килограммовых горилл, они нашли ключ к пониманию я и болезней человека, а также к происхождению нашего вида.

Геномы и их анализы, опубликованные сегодня в Наука и Научные достижения, представляют собой масштабные усилия, в которых приняли участие более 100 исследователей из примерно 20 стран, которые, невзирая на логистические проблемы и бюрократические барьеры, собрали образцы крови примерно у 800 диких и содержащихся в неволе приматов. Полученные данные показывают, как знание генетического разнообразия приматов может повысить шансы на спасение видов, находящихся под угрозой исчезновения.

Но наш собственный вид также может извлечь выгоду. Одна команда использовала геномы для обучения инструмента машинного обучения, который мог бы оценивать, могут ли генетические варианты человека вызывать заболевания. И оба исследовали сложность эволюции приматов, проливая свет на нашу собственную. «Этот массивный образец в конечном итоге вызовет новые и неожиданные исследования, имеющие прямое отношение к происхождению человека», — говорит Луис Дарси Верде Аррегитиа, маммолог из Мексиканского института экологии, не связанный ни с одной из групп.

Большую из двух работ по геному возглавил не приматолог или биолог-эволюционист, а клинический генетик из компании Illumina, занимающейся секвенированием ДНК. Для Кайла Фарха, как и для многих других медиков, революция в области геномики была источником разочарования и надежды. Секвенирование генов человека выявило множество вариантов отдельных генов, которые могут объяснить болезни или методы лечения. Но генетика человека сама по себе часто не может сказать, имеет ли тот или иной вариант значение с медицинской точки зрения.

Фарх думал, что сможет найти больше ясности, если будет искать аналогичные варианты у других видов приматов. «Мы признали, что данных о нашем собственном виде недостаточно». После проверки этой идеи с помощью геномов приматов, доступных несколько лет назад, в 2019 году он обратился с предложением к генетику-эволюционисту Томасу Маркесу-Боне из Института эволюционной биологии в Барселоне, Испания, и генетику приматов Джеффри Роджерсу из Медицинского колледжа Бейлора. Если бы они могли найти образцы крови нескольких представителей многих из более чем 500 приматов в мире, Illumina помогла бы финансировать секвенирование ДНК.



Амбиции были ошеломляющими, говорят некоторые ученые, не участвовавшие в проекте. «Для получения генетических образцов диких приматов требуется огромное количество времени, усилий и государственных разрешений», — говорит Пол Гарбер, почетный биологический антрополог из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. И это еще сложнее для видов, классифицируемых как находящиеся под угрозой исчезновения, а это более 60% нечеловеческих приматов.

Неустрашимый Маркес-Боне нанял исследователей по всему миру. «Это была удивительная возможность расширить сферу моих исследовательских интересов», — вспоминает эколог Жан Бубли, выросший и работавший в Бразилии, прежде чем основать британскую лабораторию в Солфордском университете. Он предоставил образцы для 77 южноамериканских видов, большинство из которых были получены в течение 30 лет его исследований и жизни в Amazonсотрудничая с местными учеными, музеями и зоопарками.

Получение образцов крови от анестезированных или обездвиженных диких приматов в зоопарках или центрах разведения в неволе часто было сложной задачей, говорит другой участник исследования, Говиндхасвами Умапати. Биолог-природоохранник из Центра клеточной и молекулярной биологии, Умапати путешествовал из штата в штат Индии, чтобы лоббировать у лесных управленцев и местных чиновников доступ к гиббонам, лори, макакам и лемурам.

Во главе с постдоком Маркеса-Бонета Лукасом Кудерной, который сейчас работает в Illumina, консорциум секвенировал 703 особи 211 видов, используя технологию «короткого считывания», в которой ДНК сначала разбивается на маленькие фрагменты. Новые данные объединили 106 уже секвенированных геномов 29 дополнительных видов приматов и набор новых геномов 27 других видов приматов. Эти геномы были получены от второго консорциума, возглавляемого Донг-Донг Ву, генетиком из Куньминского института зоологии Китайской академии наук, который использовал метод, позволяющий считывать более длинные участки ДНК.

Используя свои данные и геномы других приматов, Ву и его коллеги усовершенствовали генеалогическое древо этой группы млекопитающих и выявили неожиданные геномные перестройки — например, дуплицированные или инвертированные участки хромосом, — которые отличают приматов, живущих в разных средах, например, в тропических лесах. и полупустыня. Дальнейшее исследование может показать, помогло ли перетасовка этим видам адаптироваться к различным условиям.

Находка геномов приматов позволила Фарху, Роджерсу, Маркесу-Боне и их коллегам отправиться на охоту за однонуклеотидными полиморфизмами (SNP), индивидуальными вариациями оснований ДНК внутри или между видами, которые могут изменить белки, кодируемые генами, или изменить активность гена. Они обнаружили 4,3 миллиона, которые изменили аминокислотную последовательность белка. «От первых презентаций у меня перехватило дыхание, — вспоминает Аманда Мелин, биологический антрополог из Университета Калгари, предоставившая образцы коста-риканских приматов. «Масштабы этого были действительно ошеломляющими».

Предположив, что человеческий SNP с часто наблюдаемыми аналогами у приматов, вероятно, не вызывает болезни, Фарх реабилитировал многие человеческие варианты. Его команда также использовала «доброкачественные» SNP приматов для обучения нейронной сети под названием Primate AI-3D. Используя AlphaFold, инструмент прогнозирования структуры белка, основанный на искусственном интеллекте (ИИ), в качестве каркаса, его программа строит 3D-модели каждого белка. Основываясь на доброкачественных SNP, он идентифицирует области, в которых изменения в структуре белка не нарушат его функции. И наоборот, изменения в других регионах, скорее всего, вызовут проблемы.

Затем он применил ИИ, чтобы предсказать потенциальный вред человеческих SNP. И когда он и его коллеги сопоставили эти прогнозы с базой данных изменений человеческого основания, которые были предварительно связаны с болезнями, они пришли к выводу, что 6% SNP, вероятно, невиновны. «Сначала я была немного скептична», — говорит Кейтлин Самоча, генетик из Массачусетской больницы общего профиля. Но «этот ресурс — отличный способ «исключить» вариант как наносящий ущерб, и он меняет нашу способность интерпретировать изменения, изменяющие белок».

Команда также использовала искусственный интеллект, обученный приматам, чтобы делать обратное: выявлять вредные гены. Они применили его к медицинским записям и данным о вариантах генов 454 712 человек в UK BioBank, чтобы найти SNP, которые могут играть роль в 90 проблемах со здоровьем человека. «Это позволяет нам определить, какие гены являются потенциальными мишенями для лекарств», — говорит Фарх.

Нил Риш, генетик из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, говорит, что другие исследователи должны будут проверить предсказания ИИ. Но он действительно считает, что эти геномы приматов являются «драгоценными образцами».

Эволюционные биологи согласны. Уже геномы выявили важную роль гибридизации в эволюции, которая когда-то считалась редкостью. В одной Наука В статье Ву и его коллеги показывают, что находящаяся под угрозой исчезновения серая курносая обезьяна, эндемичная для гор южно-центральной части Китая, возникла после скрещивания золотистой курносой обезьяны с предками двух других видов этого рода. Ринопитек. Более того, одна из трех групп макак возникла в результате гибридизации между двумя другими около 3,5 млн лет назад, сообщают они в Научные достижения.

Другой консорциум, возглавляемый Роджерсом, также обнаружил признаки безудержной гибридизации в ДНК 225 диких бабуинов разных видов, которые помог получить и проанализировать биолог по охране природы Джулиус Кейю из Танзанийского научно-исследовательского института дикой природы. «Эта работа представляет собой потенциальный аналог недавней эволюции человека», — отмечает Элеонора Шерри, археолог-эволюционист из Института геоантропологии Макса Планка. Все больше свидетельств показывает, что когда-то смешение происходило между различными гоминидами — неандертальцами, современными людьми, денисовцами и, возможно, другими — десятки тысяч лет назад.

Приматы, передающие эти идеи, сами находятся под угрозой из-за разрушения среды обитания и другой деятельности человека. Но неожиданный вывод из исследований может помочь усилиям по их спасению. Обычно крах популяции вида также сужает его генетическое разнообразие благодаря инбридингу среди выживших. Тем не менее все, кроме 15 видов приматов, секвенированных командой, по-прежнему обладали относительно высоким генетическим разнообразием — выше, чем у людей. Это было верно даже для находящихся под угрозой исчезновения, таких как северный спортивный лемур (Lepilemur septentrionalis), из которых известно только 40, все в пределах 12 квадратных километров от Мадагаскара.

Это говорит о том, что крах популяции приматов, некоторые из которых, вероятно, были вызваны разрушением среды обитания человека, произошел настолько недавно, что не было времени для инбридинга, чтобы снизить разнообразие видов. «Сокращение популяции происходит настолько быстро, что генетика не успевает его догнать», — говорит Катерина Гущански, биолог-эволюционист из Эдинбургского и Упсальского университетов.

Умапати и другие исследователи говорят, что открытие обнадеживает, потому что большее разнообразие должно сделать виды более устойчивыми. Как отмечает эколог-зоотехник Фабиано Мело из Федерального университета Висозы, который сотрудничает с Бубли, «это означает, что у нас еще есть время исправить эту ситуацию».