июль 2009
Эволюция
ЧТО ДЕЛАЕТ НАС ЛЮДЬМИ?
Кэтрин Поллард
При сравнении геномов человека и шимпанзе удалось выявить небольшие участки ДНК, присущие исключительно людям
РАЗЛИЧИЕ В 1%: люди отличаются от шимпанзе во многих отношениях, хотя почти на 99% ДНК у них одна и та же; новые исследования выявляют области генома, делающие наши виды разными
Шесть лет назад я с радостью воспользовалась возможностью присоединиться к международной группе ученых, изучающих последовательности нуклеотидов или "букв", из которых составлена ДНК, в геноме обыкновенного шимпанзе (Pan troglodytes). Поскольку я занимаюсь биологической статистикой и давно интересуюсь происхождением человека, я хотела сравнить ДНК человека с ДНК нашего ближайшего родственника. Результат может показаться для нас унизительным: почти на 99% ДНК человека и шимпанзе оказались идентичными. Другими словами, из 3 млрд букв, составляющих геном человека, лишь 15 млн (менее 1%) изменились за последние 6 млн лет, прошедших с момента расхождения наших эволюционных путей.
Теоретически большая часть изменений вообще никак не повлияла на нашу биологию, однако гдето среди 15 млн нуклеотидов лежат именно те отличия, которые и делают нас людьми. Я набралась решимости их отыскать, и в результате мне удалось добиться значительных успехов.
Первый сюрприз
Несмотря на то что эти несколько миллионов нуклеотидов составляют малую долю человеческого генома, они все равно остаются необозримо обширным полем для исследований. Чтобы ускорить поиск, я написала компьютерную программу, которая ищет в человеческом геноме участки ДНК, изменившиеся сильнее всего с момента разделения родословных человека и шимпанзе. Поскольку большая часть случайных генетических мутаций не приносит организму ни вреда, ни пользы, они накапливаются с постоянной скоростью; по ним можно судить о времени, минувшем с момента обособления двух видов, произошедших от общего предка (скорость накопления таких изменения называют ходом молекулярных часов). Ускорение темпов накопления модификаций в некоторой части генома говорит о положительном давлении естественного отбора, когда мутации, увеличивающие шансы организма на выживание и размножение, передаются потомкам с повышенной вероятностью. Другими словами, части кода, претерпевшие наибольшие изменения со времени разделения человека и шимпанзе, скорее всего и представляют собой как раз те самые последовательности, благодаря которым человек стал человеком.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
- Шимпанзе - самые близкие к нам из числа ныне живущих родственников человека. ДНК человека и шимпанзе оказались идентичными почти на 99%.
- Поиск участков генома человека, изменившихся сильнее всего после расхождения наших эволюционных путей с шимпанзе, позволил обнаружить последовательности ДНК, делающие нас людьми.
- Эти открытия также позволили понять, почему шимпанзе и люди различаются столь сильно, при том что обладают практически идентичными генетическими программами.
В ноябре 2004 г., потратив месяцы на отладку и оптимизацию программы, мы вместе с моим руководителем Дэвидом Хосслером (David Haussler) запустили ее на огромном кластере вычислительных машин в Калифорнийском университете в Санта-Крузе и получили файл с ранжированным списком быстро изменявшихся последовательностей. Первым номером в списке стояла последовательность из 118 нуклеотидов, которую назвали HAR1 (от human accelerated regions - зоны ускоренного развития у человека). Воспользовавшись базой данных в Калифорнийском университете в Санта-Крузе, я стала искать информацию по HAR1. База данных содержала последовательность HAR1 человека, мыши, крысы и курицы - всех видов позвоночных, геном которых был расшифрован к тому времени. Удалось также выяснить, что в крупномасштабных скрининговых экспериментах активность HAR1 была выявлена в двух образцах клеток мозга человека, хотя данная последовательность еще не получила названия и не была никем исследована. Мы хором воскликнули: "Потрясающе!" - ведь HAR1 могла быть частью гена, активного в мозге и еще не известного науке.
Нам выпала невероятная удача. Известно, что человеческий мозг отличается от мозга шимпанзе по размеру, организации, степени сложности и другим особенностям, однако эмбриологические и эволюционные механизмы, лежащие в основе таких различий, все еще остаются почти неизвестными. HAR1 обещала пролить свет на один из самых загадочных аспектов биологии человека.
Мы потратили год на то, чтобы выяснить как можно больше об эволюционной истории HAR1, сравнивая эту область генома у различных видов, включая еще 12 видов позвоночных, геном которых к тому времени был секвенирован. Оказалось, что до момента появления человека HAR1 эволюционировала чрезвычайномедленно. У кур и шимпанзе (пути которых в эволюции разошлись около 300 млн лет назад) в ней различаются лишь два из 118 нуклеотидов, в то время как человека и шимпанзе, произошедших от одного предка совсем недавно, разделяют целых 18 различий. То, что HAR1 оставалась практически неизменной на протяжении сотен миллионов лет, говорит о том, что она отвечает за нечто чрезвычайно важное; резкое изменение этой последовательности у людей указывает на значительную модификацию ее функции, произошедшую у непосредственных предков человека.
Важные сведения о функции HAR1 в мозге появились в 2005 г., после того как соавтор нашей работы Пьер Вандерхаген (Pierre Vanderhaeghen) из Брюссельского свободного университета получил в нашей лаборатории в Санта-Крузе ампулу с синтезированными HAR1. С их помощью он создал флуоресцентную молекулярную метку, указывавшую на место активации HAR1 в живых клетках - т.е. на транскрипцию информации с ДНК на РНК. Когда в клетке включаются гены, она сначала производит подвижную информационную РНК и затем использует ее в качестве матрицы для синтеза необходимых ей белков. Метка показала, что HAR1 активна в той разновидности нейронов, которая играет важнейшую роль в формировании развивающейся коры больших полушарий (наружного слоя мозга, образующего борозды и извилины). Если с нейронами что-нибудь происходит не так, то возникает тяжелое и часто смертельное врожденное заболевание - лиссэнцефалия (буквально "гладкий мозг"), при котором в коре отсутствует характерная для нее складчатость, а ее площадь значительно снижена. Нарушение работы этих нейронов связывают также с развитием шизофрении.
Таким образом, HAR1, активируясь в нужное время и в нужном месте, обеспечивает правильное формирование коры (имеются указания на то, что она также играет некоторую роль в сперматогенезе). Однако то, как именно данный фрагмент генетического кода влияет на развитие мозга, остается загадкой, которую мы стремимся разгадать.
Помимо интересной эволюционной истории HAR1 имеет еще одну особенность - она не кодирует белок. Десятилетиями исследования в области молекулярной биологии были в основном направлены на изучение генов, кодирующих белки, строительные кирпичики наших клеток. Однако благодаря проекту "Геном человека", в ходе которого было проведено секвенирование нашего собственного генома, ученые обнаружили, что гены, кодирующие протеины, составляют всего лишь 1,5% нашей ДНК. Остальные 98,5% (называемые иногда "бесполезной ДНК") содержат регуляторные последовательности, сообщающие другим генам, когда им следует включаться и выключаться, а также гены, кодирующие РНК, которая не транслируется в белки.
Исходя из структуры последовательности HAR1 мы предсказали, что она кодирует РНК, а в 2006 г. Софи Салама (Sofie Salama), Холлер Айгел (Haller Igel) и Мануэль Арес (Manuel Ares) из Калифорнийского университета в Санта-Крузе подтвердили это лабораторными экспериментами. Оказывается, человеческая HAR1 располагается в двух перекрывающихся генах. Общая для них последовательность HAR1 является представителем совершенно нового структурного типа РНК, обнаруженного сверх шести известных классов генов РНК. Эти шесть важнейших групп охватывают более 1 тыс. различных семейств генов РНК, которые различаются структурой и функцией кодируемой ими РНК. HAR1 также представляет собой первый известный нам пример последовательности, кодирующей РНК, которая подвергалась положительному давлению естественного отбора.
Может показаться удивительным, что никто не обратил внимания на эти 118 нуклеотидов человеческого генома раньше. Однако отсутствие технологии для эффективного сравнения целых геномов не позволяло исследователям заметить, что HAR1 чем-то выделялся на фоне остальной "бесполезной" ДНК.
Полную версию материала Вы найдете
в печатной версии журнала
http://www.sciam.ru/article/4468