Коротко — идея такова: сравнив полные геномы (и экспрессию) нескольких видов/популяций, которые по-разному обитают в конкретной среде, можно выделить те генетические изменения (в белках, в числе копий генов, в регуляторных элементах и т. п.), на которые действовал отбор при адаптации. Далее — как это делается и пример гипотетического исследования.

Как секвенирование и сравнительная геномика выявляют адаптации

Типы изменений, которые можно обнаружить:
одиночные нуклеотидные замены (SNP), приводящие к заменам аминокислот;индель-мутации, приведшие к утрате/модификации белков;изменения числа копий генов (CNV), дублирования/потери семей;изменения в некодирующих регуляторных элементах (изменённые промоторы/энхансеры);структурные варианты (инверсии, транслокации).Сигнатуры отбора и методы их обнаружения:
сравнение скорости ненейтральных замен (dN/dS, branch-site тесты в PAML/HyPhy) — ускоренный dN/dS на ветвях, ведущих к адаптированным видам;конвергентные/параллельные аминокислотные замены у независимых линий, освоивших ту же среду;сканы геномов на признаки недавнего отбора (selective sweeps, Fst между популяциями, XP-CLR, SweepFinder);расширение/сжатие семейств генов (OrthoFinder, CAFE) — ускоренная экспансия у адаптированных линий;анализ регуляторных элементов (консервация/изменение CNEs, motif gain/loss) и изменения в экспрессии (RNA-seq, дифференциальная экспрессия).Для надёжности используют:
фило- и популяционный контекст (решает проблему демографии, ILS);повторные независимые случаи адаптации (репликация событий);интеграцию данных: геномная сигнализация + транскриптом + функциональные эксперименты.

Гипотетическое исследование — адаптация пресноводной рыбы к солёной воде (пример)
Цель: обнаружить генетические основы адаптации к высокому солевому стрессу у пресноводной таксономической группы, где несколько видов/популяций независимо перешли в прибрежную / солёную среду.

Дизайн:

Выбор таксонов и образцов
Три независимые переходящие линии (пары «пресноводный — солоноватый/морской»), плюс несколько популяций в каждой линии (N ≥ 10 индивидов на популяцию для популяционной статистики).Данные
WGS (30×) для представителей популяций + сбор транскриптомов (RNA-seq) у особей, подвергнутых контролю и солевому стрессу.При возможности собрать длинные риды/Hi-C для хорошо аннотированного референса одной из линий.Сбор и сборка
Сбор сырого дефайн-секвенирования → сборка/аннотация генома (BUSCO для качества).Выравнивание ридов (BWA), вызов вариаций (GATK), фазы/фильтрация.Сравнительные анализы
Определение ортологов между видами (OrthoFinder).Тесты на ускоренную эволюцию белков: branch-site (PAML/HyPhy) на ветвях, приведших к заселению солёной среды — выявить гены со значительно повышенным dN/dS.Поиск конвергентных аминокислотных замен у независимых «солёных» линий (конвергентные тесты, например PCOC или вручную через выравнивания).Сканирование популяций на следы отбора: Fst между пресноводными/солёными, XP-CLR/XP-EHH, локусы со сниженной диверсностью в адаптированных популяциях (сигнатура sweep).Анализ CNV/развития семейств: ищут дублирование генов и их ассоциацию с адаптацией (например, дублирования транспортеров ионных каналов).Анализ регуляторных изменений: сравнение консервативных некодирующих элементов и поиск изменений мотивов транскрипционных факторов; ATAC-seq при возможности.RNA-seq: дифференциальная экспрессия генов в ответ на соль — выявить кандидатов, регуляция которых согласуется с геномными сигналами.Выделение кандидатов
Объединение результатов: гены, показывающие ускоренную эволюцию + сигналы отбора в популяциях + дифференциальную экспрессию под солью = сильные кандидаты (например, Na+/K+-ATPase, натриевые/хлорные транспортёры, осморегуляторные белки).Функциональное тестирование
Валидация in vivo/in vitro: CRISPR-инженерия в модельной рыбе (или культивация клеток) для внесения/удаления кандидатных замен; физиологические тесты (выживаемость/осморегуляция в разной солёности), измерение активности транспортеров.Эксперименты с трансгенами с «адаптивной» и «неадаптивной» аллелью.Интерпретация и контроль альтернативных объяснений
Учитывать демографию: смоделировать историю популяций (MSMC / dadi) чтобы исключить эффект дрейфа.Проверить, не являются ли сигналы следствием глобальных различий образцов (популяционная структура, гибридизация).Искать повторяемость: если одни и те же гены/пути задействованы в независимых случаях — сильный аргумент в пользу адаптивной роли.

Ожидаемые результаты (примерные)

Нахождение набора генов-носителей осморегуляции с:
параллельными/конвергентными аминокислотными заменами в независимых «солёных» ветвях;повышенными показателями отбора в популяционных сканах;изменённой экспрессией при воздействии соли;возможным дублированием отдельных транспортеров.Функциональная проверка показывает, что внесение найденной замены улучшает выживаемость/гомеостаз при повышенной солёности.

Ограничения и подводные камни

Демография (популяционные истории) может имитировать сигналы отбора — нужны модели демографии.Сложность фенотипа: адаптация часто многогенная и пластична; один или несколько сильных кандидатов не всегда встречаются.Различия в аннотации/качествах сборок между видами — фальш-позитивы;Параллелизм на уровне путей (разные гены одного пути) сложнее обнаружить, чем одна и та же аминокислотная замена.

Короткое резюме
Сравнительная геномика + транскриптомика в фило-популяционном контексте позволяют выделять кандидаты адаптивных генетических изменений (белковые замены, CNV, регуляторные модификации). Повторяемость открытий в независимых линиях, согласование геномных сигналов с экспрессией и подтверждение в функциональных экспериментах создают убедительную картину генетики адаптации.