Новое исследование помогло точнее восстановить историю собак Америки. Ученые обнаружили в геномах современных собак участки ДНК, связанные с древними популяциями Нового Света, и проследили некоторые из них примерно на сто поколений назад. Для этого исследователи разработали новый метод анализа генома, который работает с отдельными участками ДНК и позволяет быстро сравнивать большие массивы генетических данных.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications. Авторы из Стэнфордского университета, Корнеллского университета и других научных учреждений разработали набор алгоритмов под названием Gnomix. Они предназначены для так называемого локального определения происхождения – метода, который позволяет установить не только общее генетическое происхождение организма, но и происхождение отдельных фрагментов его хромосом.
Когда говорят о генетическом происхождении, обычно имеют в виду доли генома, связанные с разными популяциями. Однако геном животного представляет собой мозаику: в процессе размножения хромосомы рекомбинируют, и участки, унаследованные от разных предков, перемешиваются.
Метод локального определения происхождения позволяет рассматривать эту мозаику по сегментам. Исследовательская система разбивает последовательность ДНК на окна и для каждого из них рассчитывает вероятность принадлежности к определенной группе. Затем специальный алгоритм объединяет результаты соседних участков и уточняет картину вдоль хромосомы.
Gnomix создавался прежде всего для больших генетических баз данных людей, но авторы проверили его и на собаках и других представителях семейства псовых. В работе использовали полногеномные последовательности 191 каниды – собак и их близких родственников. Для обучения модели исследователи объединили животных в несколько генетических групп, среди которых были койоты, волки, басенджи, тибетские мастифы, бордер-колли, бультерьеры, немецкие овчарки, грейхаунды, гончие, ретриверы, арктические породы и восточноазиатские собаки.
На этих данных модель показала общую точность валидации 90,63%. При этом авторы отмечают важное ограничение: для многих групп в распоряжении было всего несколько полногеномных образцов, поэтому набор исходных данных был небольшим.
Особенно интересным оказалось применение метода к породам Нового Света. Исследователи искали в их геномах короткие участки, которые могли сохранять следы древнего происхождения.
У мексиканской ксолоитцкуинтли, или ксоло, ученые обнаружили сегменты генома, связанные с так называемой арктической группой собак. По распределению длины этих участков они оценили время, прошедшее с момента смешения предковых популяций.
Согласно расчетам авторов, среднее время после смешения составило около 306 лет. При принятом для собак времени поколения в три года это соответствует примерно 1703 году, с указанной в исследовании оценкой ±33 года. Получившаяся дата близка к опубликованной ранее оценке времени смешения европейского и доколумбового населения Мексики – 1746 году. Авторы подчеркивают, что использовали сопоставимую модель единичного эпизода смешения.
Исследователям удалось проследить и другие следы происхождения. Например, в геноме чихуахуа они обнаружили участки, которые по генетическим характеристикам были связаны с койотом. Койот – близкий родственник собак, обитающий только в Америке. В статье авторы ссылаются на данные о скрещивании койотов с собаками в доколумбовых культурах и отмечают, что обнаруженные в геноме чихуахуа сегменты соответствуют такой истории происхождения.
Почему вообще длина фрагментов ДНК позволяет говорить о времени, прошедшем после смешения популяций? После каждого поколения рекомбинация постепенно дробит унаследованные от общего предка участки хромосом. Поэтому характер распределения их длины можно использовать для оценки того, сколько поколений прошло после смешения.
В случае с ксолоитцкуинтли исследователи применили именно такой подход. Они отмечают, что разработанный метод способен обнаруживать короткие древние участки генома с высокой разрешающей способностью. По расчетам авторов, в исследовании удалось проследить историю происхождения собак примерно на 100 поколений. Для человека временной масштаб в сто поколений соответствовал бы событиям, произошедшим более трех тысяч лет назад, отмечают исследователи.
При этом речь идет не о восстановлении внешности или поведения древних собак. Метод показывает, какие участки современного генома имеют генетические связи с определенными группами. Историю пород и популяций исследователи восстанавливают по сочетанию этих участков и математических моделей.
Одна из главных задач работы – не только изучение собак. Gnomix разработан как инструмент для анализа огромных генетических массивов, в том числе биобанков с сотнями тысяч образцов. Авторы сравнили его с несколькими существующими методами локального определения происхождения и исследовали разные варианты алгоритма, балансируя между точностью и скоростью работы.
В работе представлен еще один алгоритм – Gnofix, необходимый для исправления ошибок фазировки, то есть определения того, какие варианты ДНК находятся на одной и той же копии хромосомы. В проведенных авторами тестах Gnofix достигал точности, сопоставимой с RFMix, при этом работал значительно быстрее.
Для исследования собак авторы использовали комбинацию логистической регрессии в базовой части модели и XGBoost в модуле сглаживания. В результате система смогла анализировать полные геномы за минуты, тогда как некоторые существующие подходы требуют значительно больше времени.
Исследователи подчеркивают, что разработанный инструмент позволяет работать не только с человеческими геномами, но и с генетическими данными псовых. Именно применение метода к собакам показало, что в современных породах можно обнаруживать небольшие участки ДНК, сохраняющие информацию о давно исчезнувших или изменившихся популяциях.
Исследование не ставит целью определить самую древнюю породу или установить прямую непрерывную линию происхождения конкретной современной собаки от древних животных. Его задача – разработать способ с высокой точностью находить и анализировать отдельные фрагменты генома. В случае собак этот подход позволил авторам обнаружить генетические следы, связанные с историей доколумбовых собак Америки, и оценить время некоторых эпизодов смешения.
