ДНК. История генетической революции - Джеймс Д. Уотсон

Другим интересным геном является FOXP2 – белок человека, кодируемый геном FOXP2 на 7-й хромосоме и представляющий собой фактор транскрипции – регулятор активности множества других генов. FOXP2 кодирует регуляторный белок, вероятно, связанный с эволюцией языка и речи, поскольку в семьях с мутацией в этом гене наблюдаются серьезные речевые расстройства. Интересно, что у неандертальцев и людей современного типа в этом гене одни и те же мутации, но у наших более давнихродичей по эволюционному древу (шимпанзе) они отсутствуют. Если присмотреться, то выявляются и другие изменения в одном из регуляторных регионов того гена, от которого могли зависеть речевые различия между людьми современного типа и неандертальцами.

Однако можно ли объяснить ключевые различия между неандертальцами и нами структурными вариациями примерно в сотне генов? Возможно, ответ связан не столько с генетической последовательностью как таковой, сколько с активностью генов? На генетическую регуляцию влияют так называемые эпигенетические модификации, рассеянные по нашей ДНК. В процессе так называемого метилирования (прикрепления метильных групп) изменяется структура ДНК, а значит, и ее доступность для белков, переключающих гены. Ученые из Еврейского университета в Иерусалиме логически вывели месторасположение метилированных участков в неандертальской ДНК, что, в свою очередь, позволило им спрогнозировать относительную активность генов. По-видимому, тысячи генов, активных у современного человека, у неандертальцев были угнетены, а сотни неандертальских генов, которые явно были функциональны, сейчас неактивны у нас. Суть активности некоторых из этих генов, например кластера HOXD, позволяет вполне правдоподобно объяснить, почему у неандертальцев и у нас по-разному росли конечности. Однако доказать такую теорию оказалось бы непросто.

Итак, родство между людьми современного типа и неандертальцами оказалось не столь тесным, как считалось ранее, но Паабо с коллегами не остановились на этом открытии и вдобавок преподнесли миру еще один огромный сюрприз. Речь шла о форме ископаемой геномной последовательности ДНК, извлеченной из окаменевшего детского пальца, обнаруженного в Денисовской пещере в Алтайских горах. Оказалось, что носитель этой ДНК не был ни человеком современного типа, ни неандертальцем, а относился к совершенно новой группе – первому человеческому виду, открытому исключительно на основе анализа ДНК. Книги по истории человеческой эволюции вновь требовалось переписывать. Анализ геномов показал, что денисовцы были ближе к неандертальцам, чем к современным людям, но, опять же, наблюдаются признаки гибридизации между нами и этими нашими древними сородичами. В геномах современных меланезийцев (папуасов) и австралийских аборигенов присутствуют существенные следы денисовской ДНК – примерно 5 %. По-видимому, следы денисовской ДНК прослеживаются в иммунной системе каждого из нас. Еще интереснее, что некоторые особенно полезные фрагменты денисовской ДНК оказались как бы «прихвачены» в геном современного человека, чтобы облегчить ему адаптацию к конкретным условиям. Так, тибетцы живут на большой высоте и обходятся малым количеством кислорода. У них есть участок ДНК, унаследованный от денисовцев и, очевидно, развившийся именно для этой цели.

По данным популярной фирмы, занимающейся «генетикой для потребителя», у одного из моих соавторов в геноме чуть меньше неандертальской ДНК, чем обычно встречается у людей-европеоидов

Заключение о том, что практически у каждого из нас в геноме имеются фрагменты неандертальской ДНК, может быть, и задевает наше коллективное «эго», но, если поразмыслить, отнюдь не кажется удивительным. Все исследования человеческой эволюции на молекулярном уровне – это урок о том, как поразительно мы близки на генетическом уровне ко всем прочим живым существам. По сути, молекулярные данные зачастую ставят под сомнение (и часто опровергают) устоявшиеся представления об эволюции человека.

Великий химик Лайнус Полинг был родоначальником современного молекулярного подхода к эволюции. В начале 1960-х годов они с Эмилем Цукеркандлем сравнили аминокислотные последовательности аналогичных белков от нескольких видов. Тогда секвенирование белков только начинало развиваться, поэтому полученные ими данные неизбежно оказывались неполными. Тем не менее этими учеными была обнаружена поразительная закономерность: чем ближе друг к другу два вида с эволюционной точки зрения, тем более похожи у них последовательности аналогичных белков. Так, сравнивая одну из белковых цепочек в молекуле гемоглобина, Полинг и Цукеркандль заметили, что из всех образующих ее 141 аминокислоты у шимпанзе и у человека наблюдается всего одно различие, а у человека и лошади там же насчитывается уже 18 различий. Данные молекулярных последовательностей свидетельствуют, что человек состоит в более близком родстве с шимпанзе, чем с лошадью. Изучение эволюционной истории, скрытой в биомолекулах, сегодня уже стало рутинной практикой, однако в те времена эта идея казалась, с одной стороны, новаторской, а с другой стороны – весьма неоднозначной.

Успех молекулярного подхода к изучению эволюции зависит от корреляции двух составляющих: длительности периода, истекшего с момента расхождения двух видов, и степени молекулярной дивергенции между ними. Логика таких «молекулярных часов» проста. Чтобы ее проиллюстрировать, давайте вообразим скрещивание между двумя парами однояйцевых близнецов: первая однояйцевая самка скрещивается с первым однояйцевым самцом, вторая – соответственно, со вторым. Затем каждая из пар изолируется на необитаемом острове. С генетической точки зрения обе популяции, оказавшиеся на островах, изначально неотличимы одна от другой. Однако спустя несколько миллионов лет в популяции с одного из островов накопятся мутации, которых не будет в популяции с другого острова, и наоборот. Поскольку мутации возникают нечасто, а отдельно взятые геномы велики и потому разброс участков, где могли бы произойти мутации, просто огромен, невозможно себе представить, что обе популяции могут приобрести одинаковые наборы мутаций. Поэтому, секвенируя ДНК потомков каждой из пар, мы найдем множество различий между некогда идентичными геномами, накопившихся со времени их разделения. В таком случае говорят, что между популяциями произошла «генетическая дивергенция». Чем дольше они были разделены, тем сильнее будет дивергенция.

Однако как определить, если можно так выразиться, точку отсчета, с которой мы начинаем считать эти молекулярные часы? Иными словами, как измерить генетическую дивергенцию между нами и, скажем, другими представителями живой природы? В конце 1960-х годов, задолго до появления ДНК-секвенирования, Аллан Уилсон, эксцентричный новозеландец, работавший в Калифорнийском университете в городе Беркли, решил вместе с коллегой Винсом Сэйричем проверить логику Полинга и Цукеркандля на человеке и его ближайших родичах. Поскольку в то время секвенирование белков все еще оставалось печально обременительным и крайне трудоемким делом, Уилсон и Сэйрич придумали хитроумный выход из ситуации.

Сила иммунного ответа на инородный белок отражает степень его чужеродности: если он сравнительно схож с собственным белком организма, то реакция относительно слабая, но с увеличением разницы реакция пропорционально усиливается. Уилсон и Сэйрич проверяли силу реакции, беря белок от одного вида и измеряя иммунный ответ, который он провоцировал у других видов. Так они смогли построить индекс молекулярной дивергенции между двумя видами, однако, чтобы добавить в такие молекулярные часы параметр времени, их требовалось откалибровать. Палеонтологические данные свидетельствуют о том, что обезьяны Старого и Нового Света (две основные группы обезьян) произошли от общего предка, жившего около 30 миллионов лет тому назад. Соответственно, Уилсон и Сэйрич приравняли иммунологическую «дистанцию» между обезьянами Старого и Нового Света к 30 миллионам лет, истекших с момента расхождения этих линий. Насколько в таком случае отстоят люди от своих ближайших эволюционных родичей, шимпанзе и горилл? В 1967 году Уилсон и Сэйрич опубликовали результаты своих расчетов, согласно которым эволюционные линии человека и человекообразных обезьян разделились около пяти миллионов лет тому назад. Это заявление встретили в штыки: в палеоантропологических кругах считалось общепризнанным, что этот акт дивергенции произошел около 25 миллионов лет тому назад. Научный истеблишмент настаивал, что промежуток между человеком и человекообразными обезьянами намного больше пяти миллионов лет. Уилсон и Сэйрич выдержали этот натиск. Дальнейшие исследования показали, что предложенная ими датировка расхождения человека и человекообразных обезьян на удивление точна.