Gnu! Okapi! Sjiraff! Ibex! Kom og velg deres genomer


Yunzhi Peter Yang skulle være på ferie. Det var 2009, og Stanford bioengineer feiret hans og hans kone bryllupsdag med en tur til Alaskas Denali National Park. Men da han hørte en parkguider, sa han at hjortene de så på, kaster sine vinger hvert år, bare for å dyrke dem tilbake med en hastighet på nesten en tomme om dagen, teleporterte hans sinn tilbake til Palo Alto-lab. Spesielt hadde han jobbet med måter å regenerere beinvev for folk som hadde vært i dårlige ulykker eller hadde dem nedgradert av sykdom. Hva om han kunne lage kunstige beintransplantater som vokser så fort som disse hjortespistene?

Dermed begynte Yangs 10 års omlegging i verden av drøvtyggers biologi. Han reiste til en hjort gård i California for å samle vevprøver for å studere hvordan disse komplekse strukturer av bein, levende celler og nerveender kan vokse oppover 50 tommer i en enkelt sesong. Til slutt sporet han og hans kolleger ned noen få gener som var ansvarlige for denne bemerkelsesverdige prestasjonsforløpet. Men det var tøft og tidkrevende arbeid; på den tiden hadde ingen noensinne sett et hjortgenom. Et internasjonalt forskergruppe hadde nettopp avkodet det første bovine genomet, og det ville være år før forskere i Kina unraveled DNA fra geiter og sauer. I dagene med fortsatt dyrt sekvensering, var mer eksotiske drøvtyggere ikke akkurat en høy prioritet.

Men i denne uken blir de mange bukede, hodeskallende pattedyrene til slutt på sin side. På torsdag rapporterte et kinesisk ledet konsortium av forskere om å kartlegge genomene av 44 drøvtyggere, fra gazeller og bøller av Serengeti til små vampyriske muntre som bodde i Asiens jungler, til tykkbelagt ren som trudge over arktisk snø -dekket sletter. Alle 44 (pluss noen få) er tilgjengelige for å lese og laste ned her, hvis du er interessert. Sammen med to andre papirer som vises i det siste utgaven av Vitenskap, representerer den de første resultatene av Ruminant Genome Project-et mer enn 40 billioner basepar datasett som viser Kinas voksende rolle som global leder innen genomforskning.

Den store vitenskapelige milepælen er en velsignelse både for evolusjonære biologer som ønsker å bedre forstå hvordan drøvtyggere så vellykket koloniserte seks kontinenter med vilt forskjellige miljøer og for husdyroppdrettere i håp om å introdusere slike adaptive fordeler i tammeflokker. Den genetiske ressursen kan også vise seg verdifull for biomedisinske forskere som Yang, som gir ledetråder som en dag kunne hjelpe mennesker til å helbrede raskere, holde av kreft og til og med leve sunnere liv i rommet.

«Betydningen vil bli stor,» sier Yang, som ikke var direkte involvert i RGP, men gjennomgikk en av gruppens papirer og skrev en tilhørende perspektivartikkel. "Det løser ikke bare det uløste problemet med hvordan disse artene utviklet seg og passer sammen på et slektstre, men det genererer også mye potensial for fremtidig påvirkning. Husk at mange gener som eksisterer i kyr og geiter, hjort og sau finnes også hos mennesker. "

Mens Yang er fokusert på å finne ut hvorfor vekler vokser så fort, for kanskje å hjelpe mennesker som lider av sykdommer i bein tap som osteoporose, vil andre forskere sannsynligvis være mer interessert i hvordan en slik rask vekst ikke løper bort for å bli ondartede svulster . Rominants er omtrent fem ganger mindre sannsynlig å få kreft enn andre pattedyr, ifølge arkiver holdt av Philadelphia og San Diego dyreparker. Disse ledede forskerne i RGP for å hypotesere at uansett genetiske tilpasninger drøvtyggere utviklet for å holde sin rifleregenerasjon i sjakk, gir også en beskyttende effekt mot å utvikle kreft.

Ved å kombinere DNA-sekvensdata med genuttrykksprofiler fra hjort, geiter og sau, identifiserte konsortiets forskere en håndfull gener som jobber sammen for å holde slike arter kreftfrie, selv om de vokser pounds av nytt vev på hodet hvert år. Mer arbeid må gjøres for å forstå nøyaktig hvordan de alle fungerer. Men en versjon av et svulster suppressor-gen funnet i hjort er allerede lovende nok at fem av forskerne som hjalp med å identifisere det, har allerede søkt om et kinesisk patent på bruk som kreftbehandling.

Disse forskerne inkluderer Wen Wang, en genetiker ved Northwestern Polytechnical University i Xi'an, Kina. Wang var en av pionerene i den første innsatsen for å ordne geiter og får for et tiår siden, da han nærmet seg BGI-Shenzhen, verdens største sekvenseringsanlegg, om å samle et konsortium for å takle drøvtyggere. På den tiden begrenser ressurser og teknologi dem til å fullføre kun de arter som er viktige for landbruket. Men Wang håpet alltid å utvide.

I slutten av 2015 fikk han endelig muligheten da NPU ga ham midler til å starte prosjektet, og en supercomputer for å hjelpe ut med den intense prosessen med å samle trillioner av strenger av genetisk kode. Han sluttet seg sammen med en av verdensekspertene på drøvtyggere, Rasmus Heller ved Københavns Universitet, og i begynnelsen av 2016 var de oppe. Wang rekrutterte tidligere ph.d.-studenter som hadde hjulpet på geit og fårgener, og som nå kjørte sine egne laboratorier, og til slutt bidro mer enn 20 institusjoner, hovedsakelig i Kina, til prosjektet.

En av de største utfordringene var å få nok genetisk materiale fra alle artene de ønsket å inkludere i studien. Hellers forbindelser i Danmark ga gruppen tilgang til en stor vevsinnsamling, inkludert fra dusinvis av ville bovider, men Heller sier at noen av dem viste seg umulig å trekke ut nok DNA til sekvens. Så de samarbeidet med en mer planetenes sekvenseringsinnsats kalt Earth BioGenome Project for å få noen flere arter. For andre sendte de forskere til rensdyrgårder i Mongolia, spurte dyreparker for hudprøver av sjeldne stripede anteloper, og ba om bevaringsgrunnlag for små biter av en kritisk truet gazelle. De fikk ikke alle arter de hadde satt på å katalogisere – muskoxen og en liten semi-akvatisk antilope kalt en lechwe viste seg for vanskelig. Men, sier Heller, datasettet er allerede i høy etterspørsel, og bidrar til å lansere nye prosjekter innen populasjonsøkologi og bevaring. "Jeg håper dette vil gi en gylden alder i genomforskning på disse artene."

For noen arter, som polarboende ren, har disse gnistene allerede begynt å fly. I en av Vitenskap papirer utgitt i dag, avslørte Heller og Wang og deres kollegaer hvordan reindrift takler så lave lysnivåer for store deler av året. I tillegg til utviklende supercharged vitamin D-metaboliserende gener for å hjelpe dem med å fange mer kalsium, kjøpte de også mange unike mutasjoner til gener som styrer sine sirkadiske klokker. Å lære mer om disse tilpasningene kan hjelpe forskere bedre å forstå og muligens behandle sesongbaserte affektive lidelser, eller til og med designe narkotika for å hjelpe astronauter på vei til Mars, tilpasse sine sirkadiske rytmer til en lengre natt.

Harris Lewin er en evolusjonær genetiker ved University of California Davis som koordinerer Earth BioGenome Project, som tar sikte på å samle sekvenser fra alle komplekse organismer som lever på den blekblå prikken. En del av arbeidet på det USA-baserte prosjektet innebærer patching i dusinvis av mindre, mer fokuserte sekvenseringsarbeid fra hele verden. Trenden han ser er at de fleste av pengene og ledelsen på disse sekvenseringsprosjektene (for ikke å nevne funnene de gir) kommer nå ut av Kina og Europa. "Alle andre kaster sine tenner på disse anstrengelsene for å produsere høykvalitetssekvenser, og vi begynner å falle bak," sier Lewin. "The Ruminant Genome Project er et veldig godt eksempel på kineserne, som alltid har vært gode samarbeidspartnere, og nå tar ledelsen."


Flere flotte WIRED-historier