Το δελφίνι του Αμαζονίου είναι ένα από τα 52 απειλούμενα είδη που μελετήθηκαν από το Zoonomy Project.Πίστωση: Kevin Schafer/NPL
Όταν δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά στις αρχές της δεκαετίας του 2000, το πλήρες γονιδίωμα ποντικού, ανθρώπου, αρουραίου και χιμπατζή άνοιξε την πόρτα στους γενετιστές να συγκρίνουν τις αλληλουχίες τους και να μάθουν περισσότερα για το πώς εξελίχθηκαν τα θηλαστικά.
Αυτά τα κυψελωτά ρολόγια εξηγούν γιατί οι ελέφαντες είναι μεγαλύτεροι από τα ποντίκια
Τώρα, περίπου δύο δεκαετίες αργότερα, οι ερευνητές έχουν συγκεντρώσει και συγκρίνουν τα γονιδιώματα 240 θηλαστικών, δείχνοντας πόσο μακριά έχει φτάσει το πεδίο. Από αυτό το πλήθος δεδομένων, τη μεγαλύτερη συλλογή γενετικών αλληλουχιών θηλαστικών μέχρι σήμερα, έμαθαν περισσότερα για το γιατί ορισμένα θηλαστικά μυρίζουν ιδιαίτερα καλά, γιατί άλλα πέφτουν σε χειμερία νάρκη και γιατί ορισμένα είδη έχουν αναπτύξει μεγαλύτερους εγκεφάλους. Η προσπάθεια, που ονομάζεται Zoonomy Project, ανέφερε αυτά και άλλα ευρήματα σε μια σειρά 11 άρθρων στο Επιστήμη 27 Απριλίου1.
Τα δεδομένα υπογραμμίζουν όχι μόνο ποιες περιοχές του γονιδιώματος των ζώων είναι παρόμοιες, αλλά και όταν, σε μια περίοδο εκατομμυρίων ετών, οι γενετικές αλληλουχίες τους διέφεραν. «Αυτό πραγματικά δεν ήταν δυνατό χωρίς αυτήν την κλίμακα δεδομένων πριν», λέει η Katie Pollard, επιστήμονας δεδομένων στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο, η οποία συμμετέχει στο έργο.
Η αλληλούχιση τόσων πολλών ειδών θηλαστικών είναι ένα τεράστιο επίτευγμα, λέει ο David Haussler, επιστημονικός διευθυντής του Ινστιτούτου Γονιδιωματικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ. «Πάντα το ονειρευόμασταν». Ο Haussler βοήθησε στον προσδιορισμό της αλληλουχίας του πρώτου ανθρώπινου γονιδιώματος στις αρχές της δεκαετίας του 2000.
Εξόρυξη δεδομένων
Αυτά τα πρώτα γονιδιώματα θηλαστικών που δημοσιεύτηκαν εδώ και καιρό ήταν μια καλή αρχή, λέει η Kerstin Lindblad-Toh, γενετιστής στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα στη Σουηδία και ένας από τους ηγέτες της Zoonomia. Αλλά εκείνη και οι συνάδελφοί της συνειδητοποίησαν ότι θα χρειάζονταν περισσότερα από 200 γονιδιώματα για να προσφέρουν στατιστικά σημαντική εικόνα για το πώς άλλαξαν τα είδη θηλαστικών με την πάροδο του χρόνου, ειδικά αν ήθελαν να πλησιάσουν τις γενετικές αλλαγές σε επίπεδο μεμονωμένων ζευγών βάσεων DNA.
Το Zoonomy Project αποκάλυψε νέες λεπτομέρειες σχετικά με το πώς τα ζώα, όπως αυτό το φουντουκιά, εξελίχθηκαν σε χειμερία νάρκη.Πίστωση: George McCarthy/NPL
Η κοινοπραξία Zoonomia, η οποία περιλαμβάνει περισσότερους από 150 επιστήμονες και 30 ερευνητικές ομάδες από όλο τον κόσμο, έκανε τα 240 γονιδιώματά της δημόσια διαθέσιμα για πρώτη φορά το 2020.2. Από τότε, οι ερευνητές έψαχναν για ομοιότητες μεταξύ τους. Υπέθεσαν ότι εάν ορισμένα τμήματα των γονιδιωμάτων ήταν παρόμοια και παρέμειναν έτσι για δεκάδες εκατομμύρια χρόνια σε όλα τα είδη, τότε αυτά τα τμήματα πρέπει να εξυπηρετούν μια σημαντική λειτουργία για αυτά τα ζώα. Σε μια ανάλυση, μια ομάδα χρησιμοποίησε αυτή την έννοια για να υπολογίσει ότι τουλάχιστον το 10,7% του ανθρώπινου γονιδιώματος είναι πανομοιότυπο με αυτό σχεδόν όλων των ειδών που μελέτησαν οι ερευνητές.3. Οι περισσότερες από αυτές τις «συντηρημένες» περιοχές είναι τα λεγόμενα ρυθμιστικά γονίδια, τα οποία ρυθμίζουν το πώς και πότε άλλα γονίδια μεταγράφονται και τελικά μετατρέπονται σε πρωτεΐνες. Η λειτουργία περίπου των μισών από τα συντηρημένα γονίδια δεν είχε προηγουμένως χαρακτηριστεί.
Άλλες αναλύσεις εξέτασαν πώς διαφέρουν τα γονιδιώματα, υπογραμμίζοντας πώς εξελίχθηκαν ορισμένα χαρακτηριστικά όπως η αίσθηση της όσφρησης, αλλά βοήθησαν επίσης τους ερευνητές να επισημάνουν ποια γονίδια συμβάλλουν στην εμφάνιση ασθενειών. Μελέτες συσχέτισης σε επίπεδο γονιδιώματος (GWAS) έχουν ήδη συγκρίνει χιλιάδες ανθρώπινα γονιδιώματα για τον εντοπισμό παραλλαγών που σχετίζονται με ασθένειες.4. Όμως, η εύρεση των ακριβών γονιδίων που δεν συνδέονται απλώς με μια ασθένεια, αλλά την προκαλούν, έχει αποδειχθεί δύσκολη, ειδικά για καταστάσεις που έχουν εκατομμύρια συσχετισμένα γονίδια. Βλέποντας πώς αυτά τα γονίδια έχουν εξελιχθεί με την πάροδο του χρόνου σε όλα τα θηλαστικά μπορεί να βοηθήσει στον περιορισμό της αναζήτησης “κατά μια τάξη μεγέθους”, λέει ο Lindblad-Toh.
Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα Zoonomia, οι ερευνητές κατασκεύασαν επίσης ένα φυλογενετικό δέντρο που υπολογίζει πότε κάθε είδος θηλαστικού αποκλίνει από τους προγόνους του.5. Αυτή η ανάλυση υποστηρίζει την υπόθεση ότι τα θηλαστικά είχαν ήδη αρχίσει να αποκλίνουν εξελικτικά πριν ο αστεροειδής που σκοτώνει τους δεινόσαυρους χτυπήσει τη Γη πριν από περίπου 65 εκατομμύρια χρόνια, αλλά ότι αποκλίνονταν πολύ πιο γρήγορα αργότερα.
Μόνο η αρχή
Το Zoonomy Project είναι μόνο μία από τις δεκάδες προσπάθειες για την αλληλουχία γονιδιωμάτων ζώων. Μια άλλη σημαντική προσπάθεια είναι το Vertebrate Genomes Project (VGP), στόχος του οποίου είναι να δημιουργήσει γονιδιώματα για τα 71.000 ζωντανά είδη σπονδυλωτών, συμπεριλαμβανομένων των θηλαστικών, των ερπετών, των ψαριών, των πτηνών και των αμφιβίων. Αν και τα δύο έργα είναι ανεξάρτητα το ένα από το άλλο, πολλοί ερευνητές αποτελούν μέρος και των δύο προσπαθειών, λέει ο Haussler, ο οποίος είναι μέλος του διοικητικού συμβουλίου της VGP.
Κάθε πεταλούδα στις Ηνωμένες Πολιτείες και τον Καναδά έχει τώρα μια αλληλουχία γονιδιώματος
Το να έχουμε πολλά γονιδιώματα θηλαστικών είναι κατόρθωμα, λέει ο Walter Jetz, οικολόγος στο Πανεπιστήμιο Yale στο New Haven του Κονέκτικατ, αλλά η βάση δεδομένων Zoonomia μέχρι στιγμής είναι προκατειλημμένη προς είδη με μεγάλα σώματα και όχι από τροπικές περιοχές. Η αλληλουχία μιας μεγαλύτερης ποικιλίας θηλαστικών θα επιτρέψει στους ερευνητές να βγάλουν πιο έγκυρα συμπεράσματα σχετικά με την εξέλιξη των θηλαστικών, λέει. Ο Lindblad-Toh λέει ότι το έργο είχε ως στόχο την επιλογή μιας ποικιλίας ειδών προς δειγματοληψία, αλλά όσο περισσότερα είδη θηλαστικών προστίθενται σε αυτό το σύνολο δεδομένων, τόσο πιο ισχυρό γίνεται. «Εισερχόμαστε σε μια εκθετική φάση προσδιορισμού αλληλουχίας γονιδιώματος με θηλαστικά και άλλες ομάδες», λέει ο Nathan Upham, εξελικτικός βιολόγος στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα στο Tempe, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα.
Η Elinor Karlsson, γενετιστής στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης Chan School of Medicine στο Worcester και ένας από τους ηγέτες της Zoonomia, σημειώνει ότι τα δεδομένα είναι δημόσια διαθέσιμα στον ιστότοπο του έργου. «Ελπίζουμε πραγματικά ότι περισσότεροι άνθρωποι θα αρχίσουν να καταλαβαίνουν όλες τις ερωτήσεις που θα μπορούσαν να τεθούν με αυτά τα σύνολα δεδομένων», λέει.
Το Zoonomia δεν είναι το αποκορύφωμα της έρευνας στη γονιδιωματική των θηλαστικών, είναι μόνο η αρχή, λέει ο Upham. Τα τελευταία 20 χρόνια δαπανήθηκαν για να μάθουν πώς να αλληλουχούν σωστά τα γονιδιώματα, προσθέτει. «Τώρα αρχίζουμε να βουτάμε πραγματικά στα γονιδιώματα».