Люди отличаются от шимпанзе не тем, чем хотели
|
Прочтение генома человека предоставило ученым большой объем информации о структуре нашего генома и особенностях нашей эволюции. Недавно прочтен и полный геном шимпанзе — нашего самого близкого современного родственника. В попытках найти генетическую причину различий между умственными способностями человека и шимпанзе было проведено несколько сравнительно-геномных анализов, результаты которых говорят о том, что быстрой молекулярной эволюции генов нервной системы у человека не наблюдалось. Видимо, скачок в умственных способностях человека обусловлен изменениями в очень малом числе генов, которые сложно детектировать. Напротив, гены, участвующие в функционировании семенников, демонстрируют массовое и быстрое накопление благоприятных мутаций как у человека, так и у шимпанзе.
Поведение и умственные способности человека находятся на качественно новом уровне по сравнению с обезьяньими. Разумно предположить, что эти различия имеют генетическую природу и, следовательно, должны быть заметны на сравнительно-геномном уровне. Поскольку полный геном человека и шимпанзе уже прочитан, этот вопрос стало возможно исследовать. До недавнего времени дарвиновский, или положительный, отбор, связанный с накоплением благоприятных мутаций, у человека было показан лишь для нескольких генов, тогда как в своей массе различия между геномом человека и шимпанзе носят нейтральный характер — то есть это случайные молекулярные изменения, зафиксированные в популяции шимпанзе или человека, которые серьезно не влияют на функционирование генов.
Широкое сравнительное исследование геномов человека и шимпанзе, проведенное немецкими учеными, было опубликовано в журнале Science в прошлом году (Khaitovich P. et al. 2005). Последовательности генов человека и шимпанзе были проанализированы на компьютере с использованием достаточно нового подхода: сравнивался уровень экспрессии (то, насколько интенсивно синтезируется продукт данного гена) гомологичных генов человека и шимпанзе, то есть генов, произошедших от одного и того же гена их общего предка.
Ученые изучили уровень экспрессии 21 тысячи генов в сердце, почках, печени, семенниках и мозге у 6 людей и 5 шимпанзе. Оказалось, что различия в уровне экспрессии положительно коррелируют с уровнем молекулярной дивергенции. То есть если сравниваемые гены имеют большое различие по уровню экспрессии (expression divergence, ось Y на графике), то они сильно отличаются и по своей нуклеотидной последовательности (Ka/Ki, ось X на графике). Далее, после усреднения характеристик генов по каждой из пяти изучаемых тканей, получилось, что меньше всего изменились гены, экспрессирующиеся в ткани мозга (черный квадрат) и далее по возрастающей: в сердце (красный), почках (зеленый), печени (синий) и семенниках (голубой).
|
Почему гены печени и семенников эволюционируют быстрее, чем гены ткани мозга и сердца? Возможны два объяснения: (1) быстро эволюционирующие гены менее важны, то есть их функционирование меньше влияет на приспособленность всего организма, поэтому они случайно накопили много мелких почти нейтральных мутаций (нейтральная теория молекулярной эволюции); (2) быстро эволюционирующие гены накопили благоприятные мутации, адаптивно влияющие на их функцию. Для выбора одного из этих двух объяснений верхнего графика недостаточно.
Дополнительную информацию может дать нижний график. Вначале посмотрим на внутривидовую дивергенцию. Из рисунка видно, что дендрограммы более компактны для генов ткани мозга и семенников, что говорит о важности поддержания одного и того же уровня их экспрессии внутри каждого вида. Разбросанные дендрограммы для генов сердца, почек и печени говорят о меньшей важности и меньшей консервативности уровня экспрессии этих генов на внутривидовом уровне.
|
Как оценить прошедший дарвиновский отбор, влияющий на уровень экспрессии генов? Считается, что если отношение межвидовой изменчивости в уровне экспрессии (длина отрезка, соединяющего два вида) к внутривидовой (длина веточек внутри каждого вида) значимо больше единицы, то в молекулярной эволюции данных генов был момент дарвиновского отбора, то есть произошла фиксация мутаций, положительно влияющих на функционирование данных генов.
Получается, что лишь гены семенников показывают высокую вероятность того, что на уровень их экспрессии влиял дарвиновский отбор. Само по себе это неудивительно. Гены, вовлеченные в сперматогенез и влияющие на семенную жидкость, участвуют в конкуренции с семенной жидкостью других самцов и защищают сперматозоиды от патогенов; гены, участвующие в узнавании гамет, претерпевают постоянную эволюционную гонку вооружений, появляющуюся из-за неравноправия полов: самцу выгодно, чтобы самка вложила как можно больше энергии в их потомка, тогда как самка должна регулировать и сдерживать эти эгоистичные желания, заботясь о своем здоровье и силах, необходимых для выращивания следующих потомков (самцу об этом думать не надо — он вкладывает в потомство мало энергии). Все эти аргументы говорят о том, что скорость эволюции генов, участвующих в сперматогенезе, должна быть высокой у всех половых видов, и человек в этом отношении не уникален.
Но как быть с отсутствием следов положительного отбора у генов мозга? Ученые не сдавались и провели еще один анализ. Они оценили число аминокислотных замещений в линиях, ведущих к человеку и шимпанзе, восстановив предполагаемую исходную аминокислотную последовательность общего предка человека и шипанзе с помощью данных из генома их общего более далекого родственника — крысы. То есть они «укоренили» филогенетическое дерево человека и шимпанзе — поставили на каждой дендрограмме между видами точку, от которой они начали свое расхождение. Если эволюция была нейтральная и равномерная, эта точка будет находиться посередине, а если одна из линий накапливала замещения быстрее — то точка общего предка сдвинется с центра.
И вот наконец-то (!) оказалось, что точка общего предка на дендрограмме генов, экспрессирующихся в ткани мозга, лежит ближе к шимпанзе — в линии, ведущей к человеку, было накоплено в 1,4 раза больше аминокислотных замещений. Теперь можно было надеяться, что именно эти аминокислотные замены сделали человека Человеком и что найдено рациональное зерно его эволюции.
Кстати, для генов семенников это отношение близко к единице (1,04), то есть хотя эволюция генов семенников была и быстрой (см. выше), но она шла равномерно как в линии человека, так и в линии шимпанзе — а значит, дарвиновский отбор шел в обеих линиях равномерно.
Однако радость ученых была недолгой. Недавно в журнале Trends In Genetics биологи из Мичиганского университета в г. Анн-Арбор опубликовали работу, в которой они расширили компьютерный генетический анализ генома человека и шимпанзе (Shi et al. 2006). Для укоренения дерева они использовали геном макаки. Применив пять разных определений того, что такое ген, специфичный для ткани мозга (1–3, согласно трем разным методикам, — те гены, которые экспрессируются только в ткани мозга; 4 — описанный в литературе список генов, вовлеченных в развитие и функционирование нервной системы; 5 — объединение всех генов, выявленных хотя бы в одном из подходов), ученые ни в одном из этих случаев не смогли показать значимо больший темп накопления аминокислотных замещений в линии, ведущей к человеку.
|
Анализ осложнялся тем, что геном шимпанзе прочтен менее качественно — в нем содержится больше ошибок, чем в человеческом, что может скрыть положительный отбор в линии человека. Проведя серию статистических анализов и учитывая потенциальное влияние ошибок в геноме шимпанзе, ученые доказали, что при происхождении человека не наблюдалось универсального и масштабного накопления аминокислотных изменений в генах, участвующих в работе нервной ткани.
Но ведь мы все-таки умнее шимпанзе и относительный размер мозга у нас больше! Видимо, развитие наших умственных способностей закодировано очень малым числом генов (изменением их последовательности или уровня экспрессии), и эти изменения не влияют на усредненные характеристики по всем генам нервной системы.
Источники:
1) Philipp Khaitovich, Ines Hellmann, Wolfgang Enard, Katja Nowick, Marcus Leinweber, Henriette Franz, Gunter Weiss, Michael Lachmann, Svante Paabo. Parallel Patterns of Evolution in the Genomes and Transcriptomes of Humans and Chimpanzees // Science. 2005. V. 309. P. 1850-1854.
2) Peng Shi, Margaret A. Bakewell, Jianzhi Zhang. Did brain-specific genes evolve faster in humans than in chimpanzees? (Pdf, 300 Кб) // Trends In Genetics. 2006. V. 22. P. 608-613.
Константин Попадьин
