Om meer over mensen te weten te komen, heeft een groot internationaal team van wetenschappers jaren besteed aan het opsporen van enkele van de vreemdste wezens op aarde. Ze kampeerden op een Arctische ijsschots om DNA te verzamelen van de narwal met één slagtand, vingen een kleine hommelvleermuis in een grotrijk gebied in Zuidoost-Azië en waagden zich backstage in een Caribische dierentuin om bloed te halen uit de slanksnuitige solenodon. . , een van de weinige giftige zoogdieren ter wereld.
De onderzoekers vergeleken de genomen van deze zoogdieren met die van een grote verscheidenheid aan anderen, waaronder een miereneter, een meerkat, een sterneusmol en een mens. Door dit te doen, waren ze in staat stukken DNA te identificeren die gedurende eeuwen van evolutie bij zoogdieren nauwelijks zijn veranderd en daarom waarschijnlijk van vitaal belang zijn voor de gezondheid en het functioneren van de mens.
De genetische database die ze hebben samengesteld, bevat de volledige genomen van 240 soorten, die meer dan 80 procent van de zoogdierfamilies op aarde beslaan (inclusief mensen). Het zou wetenschappers kunnen helpen bij het beantwoorden van een breed scala aan vragen over andere dieren, zoals wanneer en hoe ze zijn geëvolueerd en de biologische basis voor sommige van hun ongewone talenten.
“Welke ongelooflijk coole dingen kunnen deze soorten doen die mensen niet kunnen?” zei Elinor Karlsson, een geneticus aan de UMass Chan School of Medicine en het Broad Institute en medeleider van wat bekend staat als het Zoonomia-project. “We beschouwen de mens altijd graag als de meest bijzondere soort. Maar het blijkt dat we in veel opzichten behoorlijk saai zijn.”
De Zoonomy-dataset heeft beperkingen. Het bevat slechts één genoom per soort (met uitzondering van de gedomesticeerde hond, waarvan de sequentie twee keer is bepaald), en duizenden zoogdieren ontbreken.
Maar in een nieuw pakket papers, gepubliceerd in Science op donderdag, toonde het Zoonomia-team de kracht van dit soort multispecies-gegevens. En het is nog maar het begin.
“Het sequentiëren van veel genomen is niet triviaal”, zegt Michael G. Campana, een computationele genomics-wetenschapper aan het Smithsonian’s National Institute for Zoological and Conservation Biology, die geen deel uitmaakte van het project. “Wat echt belangrijk is, is het gebruik van deze gegevens.”
Hier zijn enkele dingen die Zoonomia-wetenschappers er al mee doen:
De basis van speciale vaardigheden ontdekken
Om te zoeken naar de basis voor uitzonderlijke dierlijke talenten, zochten de wetenschappers naar genetische sequenties die ongewoon snel waren geëvolueerd bij soorten die een bepaalde eigenschap deelden, zoals het vermogen om te overwinteren.
In één analyse concentreerden de onderzoekers zich op diepe winterslapers, zoals dikstaart-dwergmaki’s en grotere grootoorvleermuizen, die dagen of weken achtereen lage lichaamstemperaturen kunnen handhaven. De onderzoekers vonden bewijs van “versnelde evolutie” in een verscheidenheid aan genen, waaronder een waarvan bekend is dat ze cellen helpen beschermen tegen temperatuurgerelateerde stress en een andere die een cellulair pad remt dat verband houdt met veroudering.
“Veel overwinterende soorten hebben ook een uitzonderlijke levensduur,” zei Dr. Karlsson, waardoor ze zich afvroeg: dragen veranderingen in dat gen bij aan hun langere leven?
De onderzoekers onderzochten ook het reukvermogen van zoogdieren. Dieren hebben een grote verscheidenheid aan verschillende reukreceptoren, die elk in staat zijn zich te binden aan bepaalde geurveroorzakende moleculen; soorten met meer olfactorische receptorgenen hebben over het algemeen een scherper reukvermogen.
Toen het Zoonomia-team het aantal van deze genen in elke soort telde, kwam de Afrikaanse savanneolifant als beste uit de bus, met 4.199. Het negenbandgordeldier en de tweetenige luiaard van Hoffmann volgden, terwijl de Midden-Amerikaanse agouti op de vierde plaats eindigde.
De agouti “blijkt een van de beste reukrepertoires van alle zoogdieren te hebben, om totaal onbekende redenen,” zei Dr. Karlsson. “Het herinnert ons eraan hoeveel diversiteit er is waar we niets vanaf weten.” (Honden, merkte hij op, bleken in dit opzicht niet “bijzonder speciaal”.)
Aan de andere kant hebben walvisachtigen, een groep die dolfijnen en walvissen omvat, een opmerkelijk klein aantal olfactorische receptorgenen, wat logisch is gezien hun waterhabitats. “Ze communiceren op andere manieren”, zegt Kerstin Lindblad-Toh, een geneticus aan het Broad Institute en de Universiteit van Uppsala en de andere leider van het Zoonomy Project.
Soorten met meer olfactorische receptorgenen hadden ook de neiging om meer olfactorische neusschelpen te hebben, benige structuren in de neusholte die helpen bij de geur. De resultaten suggereren dat “als bepaalde eigenschappen belangrijk zijn, ze op meerdere manieren evolueren”, zei dr. Lindblad-Toh.
Hij voegde eraan toe: “Ik denk dat een van de belangrijke dingen met onze dataset is dat het genoomsequencing genereert voor zoveel verschillende soorten dat mensen naar hun favoriete kenmerken kunnen gaan kijken.”
Schilder portretten van bevolkingsgroepen
In februari 1925, midden in een difterie-uitbraak, leverde een relais van sledehondenteams een noodvoorraad antitoxine aan het ingesneeuwde Nome, Alaska. Balto, een van de honden die de laatste etappe van de estafette liep, werd beroemd; toen hij enkele jaren later stierf, werd zijn opgezette lichaam tentoongesteld in het Cleveland Museum of Natural History.
Een team van Zoonomia-onderzoekers heeft nu een klein stukje van dat opgezette weefsel gebruikt om meer te weten te komen over de beroemde sledehond en zijn hondachtige tijdgenoten. “We zagen dit als een beetje een uitdaging”, zegt Kathleen Morrill, auteur van de Balto-paper, die het onderzoek leidde als een afgestudeerde student aan de UMass Chan School of Medicine en nu een senior wetenschapper is bij Colossal Biosciences. ‘Hier is deze man, echt beroemd. We weten niet veel over hun biologie. Wat kunnen we zeggen over zijn genoom?
Ze ontdekten dat Balto genetisch “gezonder” was dan moderne rashonden, met meer erfelijke genetische variatie en minder potentieel schadelijke mutaties. Die bevinding is waarschijnlijk te wijten aan het feit dat sledehonden over het algemeen worden gefokt voor fysieke prestaties en een mix van rassen kunnen zijn.
Balto had ook een verscheidenheid aan genetische varianten die niet aanwezig waren bij wolven en die zeldzaam of afwezig waren bij moderne rashonden, ontdekten de onderzoekers. Veel varianten zaten in genen die betrokken zijn bij weefselontwikkeling en hebben mogelijk een aantal eigenschappen beïnvloed die belangrijk zijn voor sledehonden, zoals huiddikte en gewrichtsvorming. Balto had twee exemplaren van deze varianten, één geërfd van elke ouder, wat betekent dat ze in die tijd waarschijnlijk op zijn minst enigszins gebruikelijk waren bij andere sledehonden in Alaska.
“We krijgen een veel duidelijker beeld van hoe hij was en hoe zijn bevolking eruit zou hebben gezien”, zegt Katie Moon, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, en een auteur van de krant. “En dat beeld is van zeer goed aangepaste werkende sledehonden.”
Verhelderende evolutionaire tijdlijnen
Wetenschappers hebben lang gedebatteerd over hoe en wanneer de huidige diversiteit aan zoogdieren is ontstaan. Is de stamboom van de zoogdieren pas vertakt na het uitsterven van de dinosaurussen, zo’n 66 miljoen jaar geleden? Of vond het proces grotendeels plaats vóór de catastrofe?
Een nieuwe analyse met behulp van Zoonomia-genomen suggereert dat het antwoord beide is. Zoogdieren begonnen te diversifiëren Ongeveer 102 miljoen jaar geleden, toen de continenten van de aarde uit elkaar vielen en de zeespiegel begon te stijgen. “Dit isoleerde de voorlopers van moderne afstammingslijnen op verschillende landmassa’s”, zegt William Murphy, een evolutionair geneticus aan de Texas A&M University en een auteur van de krant.
Maar een nieuwe uitbarsting van diversificatie kwam na het uitsterven van de dinosaurussen, ontdekten de onderzoekers, toen het verschijnen van nieuwe landen en het verdwijnen van de heersende reptielen zoogdieren nieuwe habitats, hulpbronnen en kansen verschaften.
“Het is echt een baanbrekend artikel”, zegt Scott Edwards, een evolutiebioloog van Harvard die niet bij het onderzoek betrokken was. “Het is waarschijnlijk de grootste in zijn soort als het gaat om het proberen om zoogdieren op een tijdschaal te plaatsen.”
Het Zoonomia-pakket in bredere zin is “een monumentaal werkend pakket”, voegde hij eraan toe. “Het zal echt de lat leggen voor ons begrip van de evolutie van zoogdieren in de toekomst.”
Voorspelling van het uitstervingsrisico
Zoogdieren erven over het algemeen twee kopieën van de meeste gensequenties, één van elke ouder. Bepalen hoe nauw deze sequenties overeenkomen, kan informatie opleveren over de omvang van eerdere dierenpopulaties; lange stukken overeenkomend DNA kunnen bijvoorbeeld een teken van bloedverwantschap zijn.
Het genoom van een enkel dier weerspiegelt “hoe nauw verwant hun ouders, hun grootouders, vanaf het allereerste begin waren”, zegt Aryn Wilder, een conservatiegeneticus bij de San Diego Zoo’s Wildlife Alliance.
Dr. Wilder en haar collega’s gebruikten Zoonomia-genomen om de omvang van populaties van verschillende soorten door de geschiedenis heen te schatten. Vergeleken met historisch overvloedige soorten, hadden soorten met kleine eerdere populaties meer potentieel schadelijke genetische mutaties en werden ze eerder geclassificeerd als bedreigd door de International Union for Conservation of Nature.
De onderzoekers analyseerden ook het genoom van drie soorten waarvan het uitstervingsrisico door de IUCN als onbekend werd beschouwd vanwege een gebrek aan gegevens: de orka, de blinde molrat van de bergen van Boven-Galilea en het Java-muishert (dat er precies zo uitziet als geadverteerd). De resultaten suggereerden dat de orka een groter risico zou kunnen lopen.
De aanpak zou een snelle manier kunnen zijn om soorten te prioriteren voor meer uitgebreide en resource-intensieve risicobeoordelingen, zei Beth Shapiro, een paleogeneticus aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, en een auteur van het onderzoek. “Het zou een relatief eenvoudige manier kunnen zijn om een classificatie voor natuurbehoud te maken,” zei hij.