Учёные почти полностью устранили пробелы в геномах трёх линий медаки — японской рисовой рыбки, широко используемой в биологических исследованиях. Новая сборка позволила изучить повторяющиеся участки ДНК, которые прежние методы секвенирования не могли надёжно расшифровать, включая центромеры, теломеры, крупный мобильный элемент Teratorn и половые хромосомы.
Работа опубликована в журнале Genome Research. Исследование провели специалисты Токийского университета (The University of Tokyo) и Национального института генетики (National Institute of Genetics), входящего в Организацию исследований информационных систем (Research Organization of Information and Systems).
Авторы полностью собрали геном японской линии Hd-rR и получили почти завершённые последовательности ещё одной японской линии HNI и корейской линии HSOK. Это позволило сравнить ранее недоступные участки генома между близкородственными популяциями.
Почему в прежних версиях генома оставались пробелы
Геном медаки содержит около 800 миллионов пар нуклеотидов — химических «букв», из которых состоит дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Первые версии генома этой рыбы были получены почти 20 лет назад с помощью секвенирования по Сэнгеру.
Этот метод создавал фрагменты длиной примерно от 800 до 1000 пар нуклеотидов. Затем компьютерные алгоритмы должны были определить, как короткие последовательности соединяются друг с другом.
Такой подход достаточно хорошо работает для уникальных участков ДНК, но сталкивается с трудностями там, где один и тот же фрагмент многократно повторяется. Короткая последовательность не всегда содержит достаточно информации, чтобы понять, к какой именно копии повтора она относится.
В 2017 году исследователи применили технологию одномолекулярного секвенирования в реальном времени PacBio SMRT. Получаемые с её помощью фрагменты достигали десятков тысяч пар нуклеотидов, благодаря чему качество сборки заметно улучшилось. Тем не менее в каждом геноме оставалось около тысячи пробелов.
Две технологии помогли прочитать сложные повторы
В новой работе учёные объединили две современные технологии длинного секвенирования.
PacBio HiFi создаёт длинные последовательности с высокой точностью. Oxford Nanopore позволяет получать сверхдлинные фрагменты, иногда достигающие сотен тысяч пар нуклеотидов. Такие фрагменты могут целиком перекрывать повторяющийся участок и захватывать уникальные последовательности по его краям.
Сочетание высокой точности и большой длины позволило исследователям расположить повторы в правильном порядке и закрыть большинство оставшихся пробелов.
По словам первого автора работы Ёсихико Судзуки (Yoshihiko Suzuki), задача состояла не только в техническом завершении сборки. Учёные стремились выяснить, какая биологическая информация была скрыта в ранее недоступных участках, в том числе связанная со стабильностью хромосом, мобильной ДНК и определением пола.
Центромеры медаки оказались необычно стабильными
Центромера — специализированная область хромосомы, необходимая для правильного распределения генетического материала при делении клетки. На ней формируется кинетохор — белковый комплекс, к которому прикрепляются структуры, растаскивающие копии хромосом по дочерним клеткам.
Центромеры часто содержат длинные массивы сателлитной ДНК — коротких некодирующих последовательностей, многократно повторённых одна за другой. Из-за этой структуры они относятся к наиболее сложным участкам для сборки.
Исследователи обнаружили, что центромерные сателлиты медаки сильнее сохраняются между изученными линиями, чем аналогичные последовательности у многих других эукариотических организмов — животных, растений и грибов, клетки которых имеют оформленное ядро.
Авторы предполагают, что такая стабильность может поддерживать определённые взаимодействия между ДНК и белками, необходимые для формирования кинетохора. Однако функциональное значение отдельных последовательностей ещё предстоит проверить экспериментально.
В геноме сохраняется гигантский мобильный элемент Teratorn
Особое внимание исследователи уделили элементу Teratorn. Он представляет собой полный геном герпесвируса, соединённый с транспозоном — последовательностью ДНК, способной перемещаться или создавать новые копии в геноме.
Такое сочетание делает Teratorn необычным примером мобильного генетического элемента. Он может занимать крупные участки хромосом и влиять на активность расположенных рядом генов.
Ранее было показано, что этот элемент способен участвовать в формировании различий в форме плавников медаки. Новая полная сборка позволила точнее определить его структуру и сравнить расположение копий между линиями.
Наличие Teratorn показывает, что древние вирусные последовательности могут не только сохраняться в геноме хозяина, но и приобретать способность перемещаться и влиять на наблюдаемые признаки организма.
Половые хромосомы сохранили большую часть парных генов
У медаки биологический пол определяется половыми хромосомами X и Y. Со временем Y-хромосомы у многих организмов перестают обмениваться участками с X-хромосомами и начинают терять гены.
Однако исследователи обнаружили, что у медаки большая часть генов на X- и Y-хромосомах по-прежнему сохраняется в парном виде. Исключением стала область, специфичная для Y-хромосомы и непосредственно связанная с определением пола.
Такая структура отличается от генома трёхиглой колюшки — другой рыбы, Y-хромосома которой существует более 26 миллионов лет и прошла более выраженную генетическую перестройку.
Сравнение этих видов может помочь понять ранние этапы эволюции половых хромосом: как ограничивается обмен ДНК между X- и Y-хромосомами, какие гены начинают различаться первыми и почему Y-хромосомы у одних видов деградируют быстрее, чем у других.
Полная сборка — это не просто отсутствие пробелов
Геномная сборка представляет собой реконструкцию хромосом из множества отдельных прочитанных фрагментов. Даже если большинство генов уже известно, пропуски в повторяющихся областях могут скрывать важные элементы, регулирующие работу генома.
К таким областям относятся центромеры, теломеры — защитные последовательности на концах хромосом, — массивы генов рибосомной рибонуклеиновой кислоты, мобильные элементы и половые хромосомы.
Их точная сборка помогает исследовать не только последовательность отдельных генов, но и пространственную архитектуру хромосом, механизмы сохранения их стабильности и причины различий между линиями одного вида.
При этом само обнаружение последовательности ещё не раскрывает её функцию. Многие выводы нового исследования основаны на сравнении структуры геномов и требуют подтверждения с помощью экспериментов, в которых отдельные участки будут изменять или удалять.
Почему медака важна для биологии человека
Медака — небольшая пресноводная рыба, которую используют как модель позвоночного организма. Она быстро размножается, имеет прозрачные эмбрионы и подходит для генетических экспериментов.
Исследования на медаке помогают изучать эмбриональное развитие, работу генов, формирование органов, воздействие химических веществ и механизмы наследственных заболеваний. Однако результаты, полученные у рыб, нельзя напрямую переносить на человека.
Значение новой работы прежде всего методологическое и фундаментальное. Полные геномы позволяют точнее связывать различия в ДНК с наблюдаемыми признаками и сравнивать организацию хромосом у разных позвоночных.
По словам Ёсихико Судзуки, следующим этапом станет экспериментальная проверка функций найденных участков. В дальнейшем такие исследования могут помочь понять, как изменения последовательности ДНК формируют признаки позвоночных и как устроены аналогичные сложные области человеческого генома.
Литература
Suzuki Y. et al. Complete sequencing of medaka genomes reveals the architecture of centromeric satellites, giant mobile elements, and sex chromosomes // Genome Research. — 2026. — Vol. 36, no. 8. — P. 1696–1712. — DOI: 10.1101/gr.281813.125.