Геном панды раскрыл секрет ее любви к бамбуку

Секвенирование геномов всех живых организмов -- всего лишь дело времени, и с каждым шагом оно становится проще и дешевле. Теперь подошла очередь большой панды. Международная команда, в основном из китайских лабораторий, но с участием ученых из США, Дании и Канады, прочитала ее геном, используя новейшие методики секвенирования. Руководитель работы -- Цзунь Ван (Jun Wang), профессор Пекинского института геномики (Beijing Genomics Institute). Ученые объявили о расшифровке генома панды еще 12 октября, теперь же они публикуют в Nature первые результаты его анализа.

Разборка путем сборки

Суть метода, который называется также пиросеквенированием, в том, что последовательность нуклеотидов в цепочке ДНК распознают путем синтеза. Сначала молекулу ДНК режут на кусочки размером не больше 150 пар оснований. Затем на одноцепочечной ДНК каждого кусочка строят комплиментарную цепочку из нуклеотидов в растворе. Реакция молекулы с каждым следующим нуклеотидом сопровождается люминисценцией, которая и позволяет регистрировать последовательность их присоединения. А затем, используя специальную программу, геном «собирают», как пазл, из расшифрованных кусочков, только не физически, а в суперкомпьютере.

Большая панда стала первой среди медвежьих и второй среди хищных млекопитающих (после собаки), чей геном ученые полностью расшифровали. ДНК из клеток крови взяли у трехлетней самки из питомника в Китае.

Панда, собака, человек -- в чем разница?

Размер полного генома большой панды ученые оценили в 2,4 Гб. В геноме панды содержится примерно такое же количество мобильных элементов, что в геноме собаки (36,2% и 36,1% соответственно), но меньше, чем в геноме человека (46,1%).

Когда же исследователи сравнили неповторяющиеся (уникальные) последовательности в геномах панды, собаки и человека, то получилось следующее. Каждый из геномов содержит около 1,4 Гб уникальных последовательностей, из которых 846 Мб разделяют все три генома, 322 Мб -- геномы панды и собаки, 163 Мб -- геномы панды и человека и лишь 58 Мб -- геномы собаки и человека. Можно сделать вывод, что генетически панда больше похожа на собаку, чем на человека, но человек, со своей стороны, более похож на панду, чем на собаку.

В геноме панды меньше последовательностей, присущих только ей (83 Мб). Для сравнения: у собаки 188 Мб, у человека 399 Мб. Ученые по этим данным пришли к заключению, что геном панды более консервативен, он медленнее изменяется.

Данные секвенирования позволили ученым предсказать количество генов в геноме панды, они оценили его в 21 тысячу. Из них около двух с половиной тысяч генов специфичны для панды (это в полтора раза больше, чем собакоспецифичных генов -- 1677).

Зверь-символ привередлив в еде и плохо размножается

Большая панда, или бамбуковый медведь, живет в горных районах Западного Китая. В природе осталось 2500-3000 особей. Долгое время классификация большой панды вызывала споры, так как у этого зверя есть признаки как медвежьих, так и енотовых. Но современные молекулярно-генетические данные показали, что панда -- это все-таки медведь, ее ближайший родственник -- южноамериканский очковый медведь.

Этот зверь стал национальной эмблемой Китая, а еще, как редкий и исчезающий вид, символом Всемирного фонда дикой природы (WWF).

У панды есть две особенности, которые осложняют ей жизнь. Во-первых, хотя панда относится к отряду хищных млекопитающих, она абсолютная вегетарианка и питается почти исключительно бамбуком. Во-вторых, она очень медленно размножается. И то и другое не способствует процветанию в дикой природе.

Панда не ест мясо, потому что ей невкусно

Биологам было интересно найти в геноме панды какие-либо особенности, которые объясняли бы ее привычки в еде и медленное размножение. Для этого они изучили гены пищеварительных ферментов и обнаружили, что у панды есть в наличии все гены, которые нужны для пищеварения хищных млекопитающих. То есть генетически панда вполне приспособлена к тому, чтобы есть мясо. Тем не менее она строгая вегетарианка. Возможно, считают ученые, разобраться в этом поможет изучение обитающих в ее кишечнике бактерий.

Они проверили и еще одно предположение. Возможно, рассудили они, дело в восприятии вкуса. И изучили гены, связанные с вкусовыми рецепторами. Выяснилось, что ген T1R1 у панды потерял одну из своих функций, из-за чего у нее не работают рецепторы так называемого умами, вкуса белковых веществ, который называют еще пятым вкусом (помимо сладкого, кислого, горького и соленого). Так что она просто не может оценить вкуса мяса.

А вот исследование всех генов, связанных с размножением, пока не дало ответа на вопрос о причинах медленного размножения большой панды. Зачатие может произойти лишь в течение нескольких дней в году, а из всего помета панда выкармливает только одного детеныша.

Все быстрее и дешевле

Итак, ученые впервые расшифровали геном крупного млекопитающего методом пиросеквенирования и показали, что это вполне возможно. Этот метод гораздо быстрее и дешевле, чем, например, секвенирование по Сэнгеру, которое применили к геному лошади.

Один из полученных результатов немало обрадовал ученых. Анализ однонуклеотидных замен (или снипов) в геноме панды показал высокую степень гетерозиготности. Это показатель того, что в популяции велико генетическое разнообразие. А значит, у животного есть шансы на выживание даже в немногочисленной популяции. Правда, геном все равно не может объяснить, почему панда стоит на голове, но это вопрос уже другого исследования.

Статья о том, как собрали геном панды и что при этом выяснили, 14 декабря будет опубликована в Nature.