Grupa naukowców z ponad 20 krajów wygenerowała najbardziej wszechstronny zestaw danych sekwencjonowania naczelnych.

Zsekwencjonowano ponad 800 genomów z 233 gatunków z całego świata, reprezentujących prawie połowę wszystkich gatunków naczelnych i wszystkie 16 rodzin naczelnych na planecie.

Bezprecedensowe badanie dostarcza wglądu w odwieczne pytania dotyczące tego, jak ludzie ewoluowali od swoich przodków naczelnych, ale przynosi również potężną obietnicę leczenia chorób ludzkich, postępu w rozwoju spersonalizowanej medycyny i zwiększenia wysiłków na rzecz ochrony najbardziej zagrożonych gatunków na świecie.

Sekwencjonowanie genomu odnosi się do procesu określania dokładnej kolejności „kodu” genetycznego, który tworzy DNA organizmu. Kod składa się z różnych liter (zwanych nukleotydami), które tworzą długą sekwencję.

Sekwencjonowanie genomu pozwala naukowcom zidentyfikować geny, mutacje i potencjalne czynniki genetyczne związane z cechami, chorobami i innymi cechami biologicznymi.

Zespół – kierowany przez firmę Illumina, jednego ze światowych liderów w technologii sekwencjonowania DNA, wraz z Instytutem Biologii Ewolucyjnej Uniwersytetu Pompeu Fabra w Barcelonie w Hiszpanii oraz Bayer School of Medicine – połączył siły, aby „skatalogować genetykę naczelnych różnorodność tak szeroko, jak to możliwe” – powiedział Lukas Kuderna, który kierował generowaniem danych wszystkich sekwencji genomu naczelnych w Illumina.

„Powód tego jest dwojaki” — wyjaśnia.

Genom naczelnych w celu ochrony zagrożonych gatunków

Planeta Ziemia doświadcza głębokiego kryzysu różnorodności biologicznej, a szeroko zakrojone dane całego genomu 233 gatunków naczelnych dostarczają potężnych spostrzeżeń, aby zrozumieć, w jaki sposób utrata różnorodności biologicznej odzwierciedla się w skali genomicznej.

Ze względów konserwatorskich uzyskanie obrazu genomicznego populacji, które przeżyły, może być kluczem do „odwrócenia trajektorii gatunku” – mówi Kuderna.

Wymieranie gatunku może odzwierciedlać się w skali genomicznej, ponieważ gdy liczba osobników w populacji spada, niektóre odmiany genetyczne mogą zostać utracone z powodu przypadkowego przypadku. Innymi słowy, pozostałe osobniki stają się coraz bardziej podobne genetycznie.

„I to bardzo dobra wskazówka, że ​​zdrowie genomiczne tego gatunku nie jest w bardzo dobrym stanie, mimo że nie mamy bezpośrednich obserwacji ich w naturze” – dodaje Kuderna.

Jednak „jeśli masz wystarczającą zmienność genetyczną w tej zagrożonej populacji, początkowy wpływ zmniejszonej wielkości populacji może być mniej dotkliwy dla gatunku, w którym masz mniejszą zmienność”.

Genom naczelnych do oznaczania chorób u ludzi

Kolejny przełom ujawniony w analizie jest związany z genetyką człowieka.

„My sami jesteśmy naczelnymi, a większość tych gatunków naczelnych jest z nami stosunkowo blisko spokrewniona” – powiedział Kuderna w rozmowie z Euronews Next:

„Procesy biologiczne zachodzące między nami a innymi gatunkami naczelnych są bardzo, bardzo podobne”.

Do tej pory naukowcy zsekwencjonowali już „miliony lub dziesiątki milionów ludzkich genomów”. Jednak zrozumienie większości tych wariantów genetycznych, a także ich potencjalnego związku z chorobą, było „bardzo, bardzo ograniczone”, mówi Kuderna.

„Ludzie są właściwie jednym z najmniej zróżnicowanych gatunków naczelnych na ziemi. Tak więc prawdopodobieństwo, że zaobserwujemy, która z tych mutacji przypadkowo spowodowała choroby u ludzi, jest niezwykle małe” – zauważa.

Brak różnorodności u ludzi oznacza, że ​​kiedy klinicyści sekwencjonują ludzki genom i natrafiają na nowe warianty, trudno jest określić, czy mutacja jest rzadka, bo potencjalnie szkodliwa, czy rzadka, bo nie mieli okazji jej wcześniej zaobserwować. powiedział.

Dlaczego ludzie nie są tak różnorodni genetycznie?

Najbardziej znaczącym czynnikiem przyczyniającym się do różnorodności genetycznej jest długoterminowa historia demograficzna gatunku, wyjaśnia Kuderna. A dla ludzi ta historia jest definiowana przez serię „wąskich gardeł”.

W tym kontekście wąskie gardło odnosi się do znacznego zmniejszenia wielkości populacji, często spowodowanego drastycznym wydarzeniem, takim jak klęski żywiołowe, utrata siedlisk, wybuchy chorób lub działalność człowieka. Podczas zdarzenia wąskiego gardła duża część populacji zostaje utracona, co skutkuje mniejszą grupą osobników, które przeżywają i rozmnażają się, co skutkuje mniej zróżnicowanym składem genetycznym.

Jednym z najbardziej krytycznych wąskich gardeł w historii ludzkości było „kiedy gatunek wyemigrował z Afryki (gdzie po raz pierwszy pojawili się ludzie), aby zacząć zamieszkiwać inne części świata około 50 tysięcy lat temu. Ponieważ tylko niewielka liczba osobników migrowała, przyniosły one tylko podzbiór różnorodności, który został następnie odziedziczony przez kolejne pokolenia” – mówi Kuderna.

Sekwencjonowanie genomów naczelnych w celu pokonania bariery różnorodności człowieka jest potężnym narzędziem, któremu naukowcy wreszcie mogli się przyjrzeć. „Ludzie mogą nie być bardzo zróżnicowani na poziomie genomicznym, ale naczelne inne niż ludzie są” – mówi Kuderna.

Analizując znacznie bardziej zróżnicowane genomy naczelnych na masową skalę, naukowcy mogą zignorować mutacje genetyczne, które nie są złośliwe, aby pomóc zidentyfikować niebezpieczne u ludzi.

„Możemy sklasyfikować miliony ludzkich mutacji jako łagodne, obserwując je jako powszechne wśród innych gatunków naczelnych, a następnie wykorzystać te informacje do wyszkolenia PrimateAI-3D w przewidywaniu patogenności wszystkich pozostałych mutacji”, wyjaśnia Kuderna, dodając, że są one „bardzo pewne ”, że łagodne mutacje u naczelnych innych niż ludzie są również łagodne u ludzi.

Po zsekwencjonowaniu genomu prawie połowy wszystkich gatunków naczelnych zespół przekazał swoje odkrycia algorytmowi sztucznej inteligencji.

„Możesz myśleć o tym jak o ChatGPT, ale na poziomie genomicznym, w którym jako zapytanie wprowadzasz wariant w ludzkim genomie, który chcesz lepiej zrozumieć. Zasadniczo daje to interpretację tego, jak szkodliwy będzie ten wariant” – mówi Kuderna.

„Możemy wykorzystać wyniki tego eksperymentu do przewidywania. „Możemy wykorzystać wyniki tego eksperymentu do przewidzenia, które mutacje genetyczne są potencjalnie szkodliwe” – powiedział.

Dokładne rozróżnienie przyczyn choroby od łagodnych mutacji i interpretacja wariantów genetycznych w skali całego genomu stanowiłaby „znaczący pierwszy krok w kierunku wykorzystania potencjału spersonalizowanej medycyny genomowej” – napisali autorzy w seria papierów w czasopismach naukowych Science i Science Advances.

„Nasze badanie dotyczy jednego z kluczowych wyzwań w dziedzinie interpretacji wariantów, a mianowicie braku wystarczającej ilości oznaczonych danych, aby skutecznie trenować duże modele uczenia maszynowego”.

Dlaczego sekwencjonowanie dużej próbki genomów naczelnych trwało tak długo?

Po prostu dlatego, że technologia jest już wystarczająco zaawansowana, mówi Kuderna.

„Sekwencjonowanie genomu stało się teraz tak dostępne, że możliwe jest prowadzenie tego rodzaju badań na skalę, która była absolutnie niewyobrażalna jeszcze kilka lat temu”.

Podróż w kierunku dostępnego sekwencjonowania została podjęta dziesięciolecia. Dziesięć lat temu koszt sekwencjonowania ludzkiego genomu dla naukowców wynosił około 10 tysięcy euro. Kilka lat temu liczba ta spadła do około tysiąca. Dziś liczba ta wynosi około 600 USD (557,89 EUR), zgodnie z danymi Illumina.

I „jest o wiele więcej”, które naukowcy będą mogli zrobić z „tego rodzaju zestawami danych”, mówi Kuderna, dodając, że „bez wątpienia” zostaną one wygenerowane dla ogromnej liczby gatunków w najbliższej przyszłości.

Badanie stworzyło również katalog różnic między ludźmi a innymi gatunkami naczelnych, innymi słowy, unikalny zestaw mutacji, które zdefiniowały istoty ludzkie w procesie ewolucji.

„To nie tylko projekt mający na celu zrozumienie chorób w tym kontekście, ale także taki, który ma na celu stworzenie znacznie jaśniejszego obrazu tego, co definiuje nas jako ludzi w szerszym kontekście naczelnych” — zauważa.