ДНК. История генетической революции - Джеймс Д. Уотсон

Когда пришло время распространить такой анализ расхождения между человеком и человекообразными обезьянами с белков на ДНК, Уилсон доверил эту работу своей аспирантке Мэри-Клэр Кинг (которая впоследствии сделала себе имя в изучении генетики рака груди). В результате в 1975 году была написана одна из самых выдающихся научных статей в XX веке. Однако долгое время такой триумфальный исход казался маловероятным, особенно на взгляд Кинг. Работа у нее не клеилась во многом потому, что за годы, проведенные в Университете Беркли, львиную долю ее рабочего времени отнимали бушевавшие там в начале 1970-х годов выступления против вьетнамской войны. Кинг решила перебраться в Вашингтон, округ Колумбия, и поработать с Ральфом Нейдером, но, к счастью, сначала обратилась за советом к Уилсону. Он мудро напомнил ей, что «если бы все, у кого не получаются эксперименты, бросали науку, то никакой науки не было бы». Кинг к нему прислушалась.

Мэри-Клэр Кинг

Кинг и Уилсон сравнивали геномы человека и шимпанзе разными методами, в том числе при помощи хитроумного приема под названием «гибридизация ДНК». Когда две комплементарные цепочки ДНК объединяются и образуют двойную спираль, их можно разделить, нагрев образец до 95 °C, – молекулярные генетики между собой именуют этот процесс «плавление ДНК». Что же произойдет, если две нити ДНК не абсолютно комплементарны, то есть если в одну из них вкрались мутации? Оказывается, такая ДНК «расплавится» при температуре ниже 95 °C. А вот насколько ниже – зависит от степени различия между двумя нитями. Чем больше разница, тем меньше требуется нагревать раствор, чтобы их расплести. Именно по такому принципу Кинг и Уилсон стали сравнивать ДНК шимпанзе и человека. Чем больше совпадают последовательности двух этих молекул, тем ближе будет точка плавления двойной спирали к абсолютному стандарту 95 °C. Оказалось, что сходство и в самом деле удивительное: Мэри-Клэр Кинг удалось определить, что последовательности ДНК человека и шимпанзе различаются не более чем на 1 %. На самом деле, у человека и шимпанзе даже больше общего, чем у шимпанзе и гориллы – геномы последних отличаются друг от друга примерно на 3 %.

Этот результат был настолько поразителен (а получен он был, заметьте, за двадцать пять лет до первых черновых набросков генома человека), что Кинг и Уилсон считали своим долгом попытаться объяснить явное несоответствие между темпами генетической эволюции (медленная) и анатомически-поведенческой эволюции (быстрая). Как столь незначительные генетические изменения могут обусловить такие существенные различия, которые мы видим в зоопарке между шимпанзе в клетке и посетителем по другую сторону вольера? Кинг и Уилсон предположили, что наиболее существенные эволюционные изменения произошли в тех частях ДНК, которые управляют включением и выключением генов. Таким образом, даже небольшое генетическое изменение могло дать масштабный эффект, изменив, например, хронометраж экспрессии гена. Иными словами, природа может создать два очень несхожих существа, попросту по-разному координируя работу одних и тех же генов.

Следующее сенсационное сообщение из лаборатории Уилсона в Беркли поступило в 1987 году. Исходя из закономерностей изменчивости в последовательностях ДНК, он и его коллега Ребекка Канн построили родословное древо для всего нашего вида. Это было одно из немногих открытий, новость о котором попала на обложку журнала Newsweek.

Из практических соображений Ребекка Канн и Аллан Уилсон работали преимущественно с митохондриальной ДНК (мтДНК). В то время, когда ПЦР-реакция еще не применялась в научных исследованиях так широко, как сегодня, было очень затруднительно получить тот или иной ген или участок ДНК в достаточном количестве для проведения исследований. А в исследовании Канн и Уилсона требовалось обработать не один, а 147 образцов! В любом фрагменте человеческой ткани гораздо больше митохондриальной ДНК, чем хромосомной (содержащейся в клеточном ядре). Тем не менее, чтобы в достаточном количестве добыть хотя бы митохондриальную ДНК, нужна была особая технология. Выход нашелся: решили использовать плаценту. Обычно в больницах ее просто утилизируют после родов, но именно там очень много митохондриальной ДНК. Канн и Уилсону всего-то оставалось уговорить 147 рожениц пожертвовать свою плаценту во имя науки, но фактически 146, так как Мэри-Клэр Кинг просто мечтала отдать им плаценту от своей дочери. При этом исследователям было известно, что для максимально полной реконструкции человеческого генеалогического дерева нужно подобрать группу доноров так, чтобы обеспечить в ней как можно более широкое генетическое разнообразие. В данном случае американский «плавильный котел» из национальностей оказался весьма кстати. Не было необходимости ехать в Африку для сбора африканской ДНК – благодаря работорговле африканские гены оказались в изобилии завезены на американские берега. Соратники проекта, работавшие в Новой Гвинее и Австралии, взялись раздобыть плаценту аборигенных австралоидных женщин (которых нет в генетическом пуле США), готовых поучаствовать в исследовании.

Как мы уже знаем, митохондриальная ДНК наследуется от матери. Весь генетический материал отца находится в головке единственного сперматозоида, но митохондриального материала там нет. ДНК сперматозоида внедряется в яйцеклетку, где уже есть митохондрии, полученные от матери. Следовательно, Канн и Уилсон собирались проследить историю человечества по женской линии. Поскольку митохондриальная ДНК наследуется лишь от одного из родителей, она никогда не претерпевает рекомбинации – это процесс обмена сегментами плеч хромосом, так что мутации перекочевывают из одной хромосомы в другую. Отсутствие рекомбинации в митохондриальной ДНК – одно из основных преимуществ, которое оказалось крайне важным при реконструировании родословного дерева на основе сходства между последовательностями ДНК. Если в двух последовательностях обнаружится одна и та же мутация, то мы знаем, что они должны происходить от одного и того же общего предка (у которого исходно эта мутация возникла). Однако в случае рекомбинации одна из родословных линий могла получить мутацию совсем недавно, в результате перетасовки генов. Поэтому наличие общей мутации не обязательно означает, что у двух особей был общий предок. Схожие последовательности – в которых много общих мутаций – указывают на близкое родство; последовательности с большим числом различий – на более дальнее. Для наглядности близких родственников – происходящих от общего предка, жившего относительно недавно, – можно представить в виде однойсплоченной группы. Дальние родственники будут рассредоточены сильнее, поскольку их общий предок жил относительно давно.

Канн и Уилсон обнаружили, что на родословном дереве человека прослеживаются две основные ветви, причем к одной из них относятся различные антропологические группы, проживающие в Африке, а к другой – лишь некоторые африканцы и все остальные. Таким образом, люди современного типа возникли в Африке, именно там жил наш общий древнейший предок. Согласитесь, идея не нова. Еще Чарльз Дарвин отмечал, что наши ближайшие родичи, шимпанзе и гориллы – это африканские животные; отсюда он делал вывод, что и люди изначально развивались в Африке. Наиболее поразительный и неоднозначный аспект родословного дерева, выстроенного Канн и Уилсоном, заключается в том, насколько далеко оно уходит в прошлое. Сделав ряд простых допущений о темпах накопления мутаций в процессе эволюции, можно вычислить возраст этого родословного древа – определить время, в которое жила наша общая прапрапрапра… прабабушка. Канн и Уилсон пришли к цифре около 150 тысяч лет. Все люди, живущие сегодня, даже абсолютно неродственные, происходят от общего предка, жившего всего 150 тысяч лет тому назад.