Odkąd ponad dwie dekady temu naukowcy po raz pierwszy przeczytali pełne kody genetyczne stworzeń, takich jak muszki owocowe i ludzie, dziedzina genomiki obiecuje znaczący postęp w zrozumieniu podstawowych zagadnień biologii.
A teraz nadchodzi główna część tej obietnicy. W tym, co Howard Hughes Medical Institute Investigator i profesor HHMI Beth Shapiro nazywa skarbnicą badań, ponad 150 badaczy z 50 instytucji publikuje 11 różnych artykułów w numerze Science z 28 kwietnia 2023 r. Badania przynoszą nowe spostrzeżenia z Zoonomia Project, bezprecedensowego wspólnego wysiłku kierowanego przez Elinor Karlsson, dyrektor Grupy Genomiki Kręgowców w Broad Institute of MIT i Harvard, który porównuje i analizuje kompletne genomy 240 różnych gatunków ssaków, od mrówników do zebus.
Odkrycia z tej ogromnej ilości danych genetycznych obejmują wskazanie genów, które leżą u podstaw zdolności do hibernacji lub tego, jak mózgi rosły, a także zidentyfikowanie niewielkiej części genów, które czynią ludzi wyjątkowymi. “Te 11 artykułów to tylko próbka rodzaju nauki, którą można przeprowadzić z nowymi danymi genetycznymi” – mówi Shapiro, profesor ekologii i biologii ewolucyjnej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz. „Pokazują, jak ważne są naprawdę te duże konsorcja i podstawowe zbiory danych”.
Dwa artykuły, których współautorami są Shapiro i jej zespół z Santa Cruz, otwierają nowe możliwości, pokazując, jak wiele cennych informacji można znaleźć w genomach pojedynczego gatunku, takiego jak zagrożone orki, a nawet w DNA osobnika. Tym osobnikiem jest pies zaprzęgowy o imieniu Balto, który został uwieczniony w filmach i pomniku za pomoc w sprowadzeniu ratującej życie antytoksyny błonicy do Nome na Alasce podczas epickiej podróży przez pustkowia Alaski zimą 1925 roku. zachowana skóra i “te niesamowite nowe techniki, których wcześniej nie mieliśmy, byliśmy w stanie zrobić tę fajną naukową rzecz” – mówi HHMI postdoc Katie Moon, główna autorka artykułu Balto i członkini zespołu Shapiro.
Masowe wymierania
Jeden z nowych artykułów Shapiro dotyczy ważnej, pilnej kwestii ochrony przyrody. Ludzie powodują obecnie masowe wymieranie i poważną utratę różnorodności biologicznej na całej planecie. Ale które gatunki są najbardziej zagrożone? Tradycyjnie obrońcy przyrody rozwiązywali tę kwestię, skrupulatnie licząc, ile osobników liczy populacja i szacując, ile pozostało siedlisk. Takie wysiłki pokazują, że niektóre gatunki, takie jak pumy w Kalifornii, nad którymi również pracował zespół Shapiro, są poważnie zagrożone.
Ale co, jeśli dane zwierzę jest jednym z wielu tysięcy gatunków, dla których nie istnieją dobre dane dotyczące populacji lub siedlisk? W przypadku tych, zespół Shapiro zastanawiał się, czy zamiast tego możliwe byłoby oszacowanie zagrożenia wyginięciem, po prostu przeglądając genomy stworzeń w poszukiwaniu „złych” genów lub genetycznych dowodów chowu wsobnego – charakterystycznych oznak kłopotów?
Aby odpowiedzieć na to pytanie, współprowadzący autorzy, naukowiec z HHMI, Megan Supple i Aryn Wilder z San Diego Zoo Wildlife Alliance, wykorzystali „Czerwoną listę gatunków zagrożonych” Międzynarodowej Unii Ochrony Przyrody, aby uszeregować 240 ssaków w projekcie Zoonomia według kontinuum od „najmniejszej troski” do „krytycznie zagrożonego”. Następnie szukali niepokojących sygnałów w genomie każdego zwierzęcia.
Wyniki pokazują, że genomy są niezwykle odkrywcze. „Informacje zakodowane nawet w pojedynczym genomie mogą zapewnić ocenę ryzyka w przypadku braku odpowiednich danych ze spisu ekologicznego lub populacji” – czytamy w artykule. Nie ma dobrych danych na temat liczebności lub siedlisk ślepego kretoszczura z Górnej Galilei, na przykład małego gryzonia kopiącego tunele. Ale jego genom pokazuje, że gatunek ma się dobrze, dzięki. Natomiast dane genomiczne i ekologiczne orek potwierdzają, że orki są w poważnym niebezpieczeństwie.
Shapiro sugeruje, że moc przewidywania genomów można wykorzystać do identyfikacji i ratowania zagrożonych gatunków. „Wiemy, że nigdy nie będziemy mieć dość pieniędzy na ochronę, ale używając nawet jednego genomu, możemy segregować gatunki” – wyjaśnia – szybko i niedrogo identyfikując te stworzenia, które są najbardziej zagrożone.
Mistrz wyścigów psich zaprzęgów
Stawka była niższa w przypadku drugiego artykułu zespołu Shapiro, wysiłku psa zaprzęgowego, ale była o wiele fajniejsza, twierdzą naukowcy. „Mam nadzieję, że czytanie o Balto spodoba się ludziom tak samo, jak mi praca nad projektem” — mówi Moon.
Początki projektu sięgają tak naprawdę kilku lat wstecz. Heather Huson, mistrzyni wyścigów psich zaprzęgów, która została genetykiem zwierząt na Uniwersytecie Cornell, wygłaszała przemówienie na spotkaniu weterynarzy zajmujących się psami zaprzęgowymi, kiedy jeden z obecnych na widowni weterynarzy zastanawiał się, czy możliwe byłoby wyodrębnienie i analiza DNA z zakonserwowanej skóry. Miał nawet na myśli potencjalny przedmiot badań – Balto, którego wypychane ciało jest wystawione w szklanej gablocie w Muzeum Historii Naturalnej w Cleveland.
Huson był uzależniony od tego pomysłu. „Dorastałam na opowieściach o Balto” – wspomina. Ale nie miała doświadczenia w pracy ze starym DNA, „a nie zamierzałam tego schrzanić” — mówi. Sięgnęła więc do starożytnej społeczności badaczy DNA. Ścieżka szybko doprowadziła do Beth Shapiro, pionierki w odkrywaniu sekretów genetycznych wymarłych stworzeń, takich jak mastodonty, i starożytnych ludzi w dziedzinie zwanej paleogenomiką. „Skontaktowałem się z Beth, a ona powiedziała:„ Możemy to zrobić ”- mówi Huson.
Naukowcy pobrali próbkę skóry Balto z Cleveland Museum i wyodrębnili z niej DNA psa. Moonthen wykonał ciężki genetyczny lifting w zaawansowanym technologicznie starożytnym laboratorium DNA UC Santa Cruz, czytając kod fragmentów DNA Balto wystarczająco dużo razy, aby pokryć cały jego genom 40 razy.
W normalnych warunkach naukowcy dowiadywaliby się o genetyce gatunku po części, przyglądając się zmienności genetycznej między różnymi osobnikami. Balto był jednak tylko jedną osobą, więc „wyzwaniem było stworzenie projektu badawczego z jednego psa” – mówi Huson. Zespół miał jednak asa w rękawie. Oprócz możliwości porównania genomu psa zaprzęgowego z genomem 240 ssaków w projekcie Zoonomia, mogli również wykorzystać repozytorium genetyczne stworzone przez Karlssona z Broad Institute, które zawiera kompletne genomy 682 psów z różnych ras. „To niesamowity zbiór danych” — mówi Moon. Ze względu na zawarte w nim informacje „wiemy tak dużo o psach – jakie części genomu sprawiają, że wyglądają tak, jak wyglądają lub zachowują się tak, jak robią” – wyjaśnia Moon. Lub, jak dodaje Shapiro, projekt Balto „był okazją do połączenia tych dwóch zestawów danych”.
Ekscytująca chwila
Korzystając tylko z informacji zawartych w genach Balto, Kathleen Morrill, wówczas doktorantka w laboratorium Karlssona na Uniwersytecie Massachusetts Chan Medical School, była w stanie przewidzieć zarówno dokładny wzrost psa, jak i fakt, że jego czarna sierść miała brązowe refleksy na krawędziach – – których nawet nie widać na większości zdjęć. Utalentowany artysta Morrill był w stanie narysować rendering oparty na genetyce, który był dokładniejszy niż wiele obrazów. „Jej rysunek przedstawiał wygląd Balto” — mówi Moon. „To był pierwszy raz, kiedy ktoś zrobił to na osobie, która nie żyje od prawie 100 lat – i to był dla mnie naprawdę ekscytujący moment”. Potwierdza również ideę, że naukowcy mogą wykorzystać genomikę do dokładnego wyobrażenia sobie, jak naprawdę wyglądały dawno wymarłe gatunki – dla których nie istnieją żadne zdjęcia. „To pokazuje, że potrafimy całkiem nieźle przewidywać ich wygląd fizyczny” – mówi Huson.
W DNA Balto było też wiele innych naukowych samorodków. Urodzony w 1919 roku w hodowli słynnego hodowcy psów zaprzęgowych Leonarda Seppali, Balto był potomkiem psów sprowadzonych z Syberii. „Ale jedną z najfajniejszych rzeczy jest bliskość Balto do współczesnych psów zaprzęgowych z Alaski, a także do husky syberyjskiego” – mówi Huson. Jego genom wykazuje mieszankę przodków, z mniejszą liczbą szkodliwych genów w porównaniu z nowoczesnymi rasami czystej krwi, takimi jak husky syberyjskie i malamuty alaskańskie. Jego DNA jest również bogate w tak zwane geny rozwoju tkanek, które biorą udział w funkcjach takich jak wzrost mięśni, metabolizm i zużycie tlenu. „Dokładnie tego potrzebujesz u psa pracującego” – mówi Moon.
Jednak genetyka ujawnia również ograniczenia Balto. Psy zaprzęgowe były pierwotnie hodowane z myślą o dużej wytrzymałości, ale od czasów Balto hodowcy dodali większą prędkość. „Balto mógł być twardym psem zaprzęgowym o dużej wytrzymałości, ale nie byłby bardzo szybki” – mówi Huson.
W rzeczywistości eksperci od psów zaprzęgowych wiedzą, że Balto nie był prawdziwym bohaterem ratującej życie podróży w 1925 roku. Ten zaszczyt należy się psu o imieniu Togo, który prowadził zespół Seppali na najdłuższym odcinku 674-milowej wędrówki, zdumiewającej długości 264 mil (w porównaniu do 53 mil Balto na ostatnim odcinku). „Balto był drugim psem na smyczy” — mówi Huson. Nie będąc głównym materiałem na przodka, został wykastrowany, w przeciwieństwie do Togo, „który jest psem – podstawą wielu psów zaprzęgowych” – mówi Huson. Sugeruje więc, że następnym krokiem jest pobranie próbki ze szczątków Togo, obecnie przechowywanych w Nome, w celu ujawnienia kolejnego rozdziału tego psiego dramatu genetycznego.