Cornell experts in computationele biologie en bio-informatica hebben gemaakt belangrijke bijdragen aan de analyse van het genoom van de rhesus makaak, beter bekend als de rhesus aap.
De Cornell onderzoekers maakten deel uit van een consortium van ongeveer 200 wetenschappers over de hele wereld, waarvan werk wordt gemeld in een speciale sectie van het 13 april nummer van het tijdschrift Science.
De rhesus makaak (Macaca mulatta) is fysiologisch vergelijkbaar met de mens en daarom veel gebruikt in medisch onderzoek, met name in de testen van vaccins en als een model voor aids-onderzoek. Inzicht in het genoom en hoe het verschilt van die van de mens belooft nieuwe inzichten bieden in de evolutie van de mens en andere primaten en heeft belangrijke gevolgen voor medisch onderzoek. (Zie twee verhalen hieronder).
Na de makaak genoom gesequenced in 2005, werden bijkomende wetenschappers, waaronder een Cornell team, aangetrokken om de resultaten te analyseren. Richard Gibbs van het Baylor College of Medicine overzag het hele project. Het werk aan de Cornell werd voornamelijk uitgevoerd door onderzoeksgroepen onder Adam Siepel en Carlos Bustamante, universitair docenten van biologische statistieken en computationele biologie, met de hulp van Andrew Clark, hoogleraar moleculaire biologie en genetica. Voor het analyseren van het genoom, die bestaat uit 2,9 miljard DNA basenparen, gebruikten de onderzoekers een speciale computationele biologie cluster aan de Cornell Theorie Center, een supercomputer met 1234 parallelle processors.
Siepel groep onderzochte genen die bleken te zijn gemeenschappelijk voor de mens, makaken en chimpansees. (De chimpansee genoom gesequenced werd in september 2005.) Ze identificeerden 10.376 genen waarvan de functie is op zijn minst gedeeltelijk bekend is, en zocht naar verschillen die zou laten zien hoe de evolutie had gevorderd.
"Voordat dit papier, analyses van deze soort had zich van mens en chimpansee, en ze zijn zo dichtbij dat het niet zo interessant", zegt Siepel. "De makaak geeft ons de mogelijkheid om gevoeliger detecteren subtiele natuurlijke selectie druk."
Door het vergelijken van genen die had 25 miljoen jaar nodig om te veranderen (in vergelijking met de 6 miljoen jaar tussen mensen en chimpansees), kunnen de onderzoekers iets leren over het hoe en waarom deze veranderingen plaats.
Na verloop van tijd kleine veranderingen in de genen komen willekeurig, vaak zonder het veranderen van de aminozuren - eiwit bouwstenen - waarvoor de genen coderen. Siepel De groep van deze veranderingen gebruikt als een indicator van hoeveel willekeurige verandering te verwachten meer dan 25 miljoen jaar. Toen ze keken naar veranderingen die code voor een ander aminozuur, die een verandering in functie zouden kunnen veroorzaken, en deze vergeleken met de verwachte willekeurige snelheid van verandering.
"Wanneer de aminozuren hebben meer dan je zou verwachten is het mogelijk de natuur heeft gereageerd op een aantal milieu-effect veranderd", aldus Siepel. Bijvoorbeeld, de onderzoekers vonden de meeste bewijs voor positieve selectie op een gen dat codeert voor keratine, een eiwit dat betrokken is bij de vorming van haar schachten. Misschien mensen zijn minder behaard dan apen als gevolg van een oude klimaatverandering of een verschuiving in de normen van de partner selectie, de onderzoekers speculeren. Andere genen die lijken te zijn geselecteerd voor de loop der jaren ook een aantal die betrokken zijn bij het immuunsysteem en de cel-membraan signaleringssystemen.
Gemiddeld, zeggen de onderzoekers, genen in de mens en chimpansee genoom hebben sneller dan in de andere primaten geëvolueerd, na correctie voor willekeurige mate van verandering. En vergelijkingen met de genomen van knaagdieren en honden tonen aan dat primaten genen hebben sneller geëvolueerd dan die in deze dieren, die afgesplitst van de evolutionaire boom zelfs eerder.
Niemand vond geen "big brain genen," Bustamante grappen. Veel fysiologische verschillen kunnen worden gecontroleerd door regulerende sequenties die andere genen aan-en uitzetten, legt hij uit, en de studie geen rekening gehouden met die sequenties.
Siepel groep ook geanalyseerd genen die worden gedupliceerd op verschillende locaties op het genoom. Ze nulpunt in op een familie van genen waarvan bekend is als PRAME (bij voorkeur uitgedrukt antigeen van melanoom), die actief zijn in kankercellen en lijken te zijn betrokken bij de vorming van zaadcellen. Mensen hebben ten minste 26 exemplaren. Vergelijking met de muis genoom suggereert dat er was een spurt van verdubbeling van dit gen in het begin van primaten evolutie, en vergelijking met de makaak toont nog een spurt van het kopiëren in zowel mensen als chimpansees, met de grootste duplicatie bij de mens en met bewijs voor positieve selectie. Dit suggereert, zeggen de onderzoekers, dat de PRAME familie heeft een belangrijke rol in de menselijke evolutie gespeeld.
Bustamante's groep bestudeerde variaties binnen de makaak genoom - de manieren waarop individuen binnen de soort van elkaar verschillen. Terwijl het complete genoom sequencen van de makaak werd gedaan met het DNA van een individu, voor studies van variatie onderzoekers van het Baylor ook gesequenced een deel van de genomen van 16 andere makaken, acht uit China en acht uit India, en gerichte vijf regio's van de genoom voor diepere analyse, sequencing die regio's in de kleinste details in 47 individuen.