Расшифровка геномов — это отправная точка для множества научных исследований. С помощью таких карт учёные могут проследить эволюционные корни человеческого языка, лучше понять интеллект других животных или даже попытаться вернуть шерстистых мамонтов из вымершего состояния.
Однако большинство ранее доступных геномов содержали ошибки и пробелы, которые часто приводили к тупиковым результатам. В связи с этим был запущен проект Vertebrate Genomes Project (VGP) — амбициозная инициатива, призванная создать почти идеальные геномы для каждого из примерно 70 000 позвоночных видов на планете. Эрих Д. Джарвис, руководитель Лаборатории нейрогенетики языка в Рокфеллеровском университете и председатель VGP, представляет будущее, в котором такие базы данных проложат путь для прорывных достижений в области сохранения природы, эволюционной биологии и фундаментальной науки.
Проект «Геномы позвоночных» и его цели
Проект Vertebrate Genomes Project (VGP) стал основой для ещё более амбициозной инициативы — проекта Earth BioGenome Project (EBP), целью которого является секвенирование высококачественных геномов для всех 1,8 миллиона эукариотических видов на Земле.
После успешного пилотного проекта, в рамках которого были изучены несколько сотен видов, представляющих отряды позвоночных, Джарвис, председатель EBP Харрис Левин и другие специалисты разрабатывают план по секвенированию геномов всех эукариотических видов на территории США.
Интервью с участниками проекта
Мы поговорили с Джарвисом и Джулио Форменти, доцентом-исследователем и одним из содиректоров Лаборатории генома позвоночных, об уже полученных уроках, причинах создания консорциума, ориентированного на виды в США, и о том, куда проект движется дальше.
Джарвис: Существует острая необходимость в высококачественных сборках геномов для видов по всему миру. С чисто научной точки зрения лучше всего начать секвенирование видов, представляющих части генеалогического древа, независимо от того, откуда они родом. Группировка позвоночных по странам — это условно; у видов, не относящихся к человеку, нет национальных границ. Но многие регулирующие и финансирующие органы учитывают именно это.
Форменти: Европейский пилотный проект стартовал во время COVID и стал возможен благодаря Европейскому зелёному курсу. Европа хотела разработать общеконтинентальную политику, направленную на повышение устойчивости во всех сферах. Сохранение природных ресурсов, включая биологические и экосистемные, было для них ключевым приоритетом. Мы предложили создать справочные геномы для изучения организмов по всей Европе и запустили пилотный проект, чтобы продемонстрировать полезность безошибочных справочных геномов.
Джарвис: Одним из первых вымирающих видов, геном которого мы секвенировали на высоком уровне, был какапо — нелетающий попугай. Последняя из особей этого вида обитает на изолированных островах у побережья Новой Зеландии, где они оказались после последнего ледникового периода. Работая с Николасом Дюссе и Ловом Даленом из Центра палеогенетики, мы обнаружили, что островная популяция какапо пережила большее количество инбридинга, чем обычно бывает в малых популяциях, и наше секвенирование показало, что они нашли способ избавиться от вредных мутаций, вызывающих болезни.
С тех пор мы секвенировали и другие вымирающие виды и узнали, что какапо — не единственный такой случай. Изучение принципов работы в малых популяциях, которые каким-то образом разработали методы очистки от проблемных мутаций, имеет решающее значение. Такая информация может лечь в основу стратегий сохранения, позволяя определить, какие виды генетически устойчивы к инбридингу, а каким требуется вмешательство для предотвращения вредных мутаций.
Форменти: Мы также работаем с организациями, занимающимися возрождением вымерших видов. Например, мы предоставили высококачественные геномы для Revive & Restore и Colossal — групп, заинтересованных в возвращении странствующего голубя, шерстистых мамонтов и других видов, вымерших в прошлом веке. Это косвенно способствует усилиям по сохранению исчезающих видов. Такие геномы и инструменты также могут быть полезны для сохранения того, что у нас ещё осталось.
Джарвис: Давайте начнём с моих собственных исследовательских интересов как руководителя Лаборатории нейрогенетики языка в Рокфеллеровском университете. Мы убедились, что на начальных этапах проекта VGP секвенировали представителей всех линий вокалистов и их ближайших родственников. Вскоре мы сможем использовать эти высококачественные геномы, чтобы изучить генетические изменения, которые привели к появлению устной речи.
Мы также будем использовать геномы для изучения генов, экспрессируемых в различных нейронах у позвоночных. Это может наконец-то решить давний вопрос о том, есть ли у птиц и рептилий нейроны, гомологичные тем, которые обнаружены в неокортексе млекопитающих. Многие исследователи считают, что только у млекопитающих есть неокортекс, но, возможно, другие животные используют похожие типы клеток для тех же целей. Ответ на этот вопрос даст нам новое понимание того, как развивается интеллект животных.
Наконец, мы будем использовать более качественные сборки, чтобы обновить генеалогическое древо позвоночных и даже генеалогическое древо генов — выяснить, какие гены связаны друг с другом. Последствия этого огромны.
Форменти: Виды на территории США вымирают с каждым днём. Запуск этого проекта в США — не просто попытка догнать Европу — это национальный приоритет, который поможет сохранить природные ресурсы страны.
Джарвис: Помимо огромных преимуществ для науки, наше предложение позволит финансировать не отдельное исследование или проект, а создать целую инфраструктуру вокруг высококачественного секвенирования геномов в США. Это чрезвычайно увлекательно и может кардинально изменить ситуацию в этой области. Создав централизованную инфраструктуру, мы сможем стандартизировать методы секвенирования, обеспечить безошибочную сборку и значительно ускорить темпы открытий.
Если мы получим необходимое финансирование, мы работаем над преобразованием нашей Лаборатории генома позвоночных в Рокфеллеровском университете в Национальный центр эталонных геномов, который станет основным центром для всего консорциума США. В планируемый консорциум входят Рокфеллеровский университет (под моим руководством, Форменти и Дженнифер Балаку, другого содиректора VGL), а также сотрудники Университета штата Аризона (под руководством Кристал Цоси и Харриса Левина), Университета Канзаса (под руководством Нико Франца), музеев США и многие эксперты в области геномики и видового разнообразия.
Мы сможем сформировать общенациональную сеть. Чтобы получить высококачественные эталонные геномы для всех эукариотических видов на территории США, мы потенциально можем секвенировать до 600 000 видов. Для сравнения: проект Vertebrate Genome Project секвенировал более 500 видов за шесть лет.
Форменти: Сбор сотен тысяч образцов высокого качества в полевых условиях, их сохранение до момента секвенирования и последующее секвенирование — это довольно сложная задача, особенно из-за разнообразия образцов. Секвенирование жука — это не то же самое, что секвенирование млекопитающего, потому что извлечь достаточно ДНК из маленького организма может быть очень сложно. Много раз эксперименты по секвенированию терпят неудачу из-за качества ДНК, загрязнения веществами, содержащимися в организме, или постороннего загрязнения — и тогда приходится начинать всё сначала.
Кроме того, хотя США более однородны, чем Европа, с точки зрения языка и регулирования, это всё равно требует масштабного сотрудничества между учреждениями, музеями и полевыми исследователями. Иногда это кажется очень сложным, почти невозможным. Но потом я вспоминаю проект «Геном человека», который продемонстрировал, что как только вы создадите стандартизированный, высокопроизводительный конвейер для чего-либо, то, что когда-то казалось непреодолимым, может стать рутиной.
Джарвис: Благодаря низовым усилиям. Любой, у кого есть финансирование и кто согласен с политикой нашего консорциума, может заказать у нас высококачественные геномы, при условии, что результаты будут общедоступны для науки. Например, если кто-то запросит 100 геномов бабочек, но не захочет высококачественные сборки или включение в проект Earth BioGenome Project, мы не возьмёмся за этот проект. Производство почти полных, безошибочных геномов требует специализированных методов — это искусство. С помощью этого и других дополнительных подходов мы уже достигли 80% начальной фазы VGP: 230 видов, представляющих большинство отрядов позвоночных и некоторые беспозвоночные.
Предоставлено Рокфеллеровским университетом.