Виролюция. Важнейшая книга об эволюции после «Эгоистичного гена» Ричарда Докинза

Райан Фрэнк

Вопрос о вымирании неандертальцев остается неразрешенным до сих пор. И у Гомо сапиенсов, и у неандертальцев присутствуют версии гена FOXP2, который, как полагают сейчас, ответственен за развитие связной речи. Есть мнение, что этот ген мог перейти к людям от неандертальцев, хотя, скорее, оба получили его от общего предка. Этот вопрос прояснится, когда будет получена и проанализирована достаточно полная версия генома неандертальцев. Возможно, это позволит окончательно ответить и на вопрос о гибридизации — например, случалась ли она с достаточной частотой в группах, обитавших в определенной местности, либо не случалась почти (или вообще) никогда. А если справедливо последнее, немедленно возникают новые вопросы, включая вопрос о причинах отсутствия гибридизации.

Еще в 1970 году генетик Сусуму Оно, ученый смешанного японско-американского происхождения, работающий в Медицинском центре «Город надежды» (Дуарте, Калифорния), опубликовал книгу «Эволюция посредством удвоения генов» — достаточно новаторскую, ниспровергающую тогдашние основы, где

прямо и безапелляционно утверждал неспособность традиционной схемы мутация/отбор объяснить эволюцию жизни. Рассуждая логически, Оно заключил: если первые формы жизни были подобны нынешним бактериям с геномом в несколько тысяч генов, то все будущие поколения и унаследовали бы геном в несколько тысяч генов, пусть и модифицированных мутациями и естественным отбором. Так оно и происходит с современными бактериями, по-прежнему имеющими геном в несколько тысяч генов. Оно казалось очевидным, что должны быть иные эволюционные механизмы, не только увеличивающие количество генов в геноме, но и создающие принципиально новые гены. В человеческом геноме есть и гены, унаследованные от предков-бактерий, — но есть и большое число генов, бактериям не свойственных. Оно предположил, что за многие миллионы лет эволюции обязательно должны были происходить удвоения отдельных генов и прочих участков хромосом, удвоения целых кластеров генов и геномных структур — и, возможно, удвоения целых геномов.

Во время публикации книги Оно число генов в геноме еще не было известно. Однако современная генетика практически в точности подтвердила его предположение. Геном дрозофилы содержит тринадцать тысяч шестьсот генов, асцидии — шестнадцать тысяч, морского ежа — двадцать семь тысяч триста пятьдесят, у человека — близ двадцати тысяч. Хотя я должен предупредить читателя: эти оценки всегда упускают из вида огромное число вирусных генов и генетических последовательностей, которые нужно рассматривать как существенную часть всякого генома, включая человеческий. Также следует подчеркнуть, что число генов — не слишком верный указатель на степень сложности генома, поскольку гены могут разделяться и снова рекомбинировать при сплайсинге. Потому полтора процента наших генов, унаследованных от предков-позвоночных и составляющих эти самые двадцать тысяч, кодируют, по всей видимости, более восьмидесяти тысяч белков. Однако до некоторый степени количество генов все-таки дает представление о сложности генома.

Отметив, что его теория носит общий характер и нуждается в доработке для объяснения многих частных явлений, Оно взялся показать, как геном мог усложняться в процессе эволюции. Наиболее важным механизмом такого усложнения и разнообразия ему представлялось удвоение генома — иными словами, полиплоидия, и, в частности, тетраплоидия. Оно предположил, что в эволюционной истории позвоночных были два общих случая удвоения генома. Первый — на ранней стадии, когда существовали первые рыбы и примитивные хордовые. Второй — существенно позднее, приблизительно на стадии разделения рыб и амфибий. Современный генетический анализ подтвердил правоту Оно, установив, что, по всей вероятности, первая дупликация генома произошла где-то пятьсот десять миллионов лет назад, а вторая — около четырехсот двадцати миллионов лет назад. Гипотеза об удвоениях получила название «гипотеза 2Р». В наши дни все больше ученых считают гипотезу Оно гениальным прозрением, имеющим далеко идущие последствия для генетики и теории эволюции.

Поскольку «2Р» произошли в глубоком прошлом, трудно понять, как именно это случилось, но большинство специалистов соглашаются на гибридизации как наиболее вероятном механизме. В обеих больших гибридизациях участвовали рыбы либо близкие их предки — и это прекрасно согласуется с тем, насколько теперешние рыбы склонны к гибридизации, производя предсказанное Оно тетраплоидное потомство. Конечно же, два «великих» удвоения существенно повлияли на размер генома и его сложность у всех последующих позвоночных, включая человека.

Гены НОХ — древний генетический кластер, играющий важную роль в процессе развития эмбриона. Интересная его особенность — это расположение НОХ-генов в виде групп в соответствующих хромосомах. Расположены они в порядке активации этих генов при развитии зародыша и места их экспрессии в эмбрионе. Именно под действием этих генов происходит упорядоченное развитие эмбриона — например, образование и рост конечностей. Гены НОХ считаются теперь первостепенно важными объектами изучения в эволюционной биологии развития (эво-дево). Хотя эти гены и очень древние, их ДНК удивительным образом сохранились почти неизменными на протяжении долгого времени. Как пишут генетики Ферье и Мингильо: «Сообщество специалистов по эво-дево было взбудоражено известием о том, что НОХ-гены во всем царстве животных, в принципе, гомологичны и действуют гомологичным образом» [123] .

123

Ferrier D.E.K., Minguill'on C. Evolution of the Hox / ParaHox gene clusters. International Journal of Developmental Biology 2003; 47: 605–611.

Общие гены, общий механизм управлением развития зародыша, возможно, не так уж удивительно отыскать у всех без исключения животных, от морских беспозвоночных наподобие медуз и морских ежей до примитивных позвоночных вроде ланцетника, общих предков амфибий и рептилий и далее, вплоть до млекопитающих, включая человека. Но морские ежи и насекомые имеют всего один кластер HOX-генов, у людей их четыре [124] .

Результаты секвенирования позволяют предположить, что четыре человеческих HOX-кластера возникли при дублировании единственного древнего кластера. Конечно, данные секвенирования еще недостаточны, чтобы согласиться с полиплоидностью наших далеких предков, поскольку удвоение кластеров могло произойти посредством вирусной рекомбинации либо посредством другого механизма, дублирующего участки генома, а не геном в целом. Но были найдены и другие примеры четырехкратно повторенных важных генных кластеров, управляющих процессом развития человеческого эмбриона. К тому же четырехкратные повторения весьма часты в человеческих хромосомах — причем настолько, что «гипотеза 2Р» представляется единственным разумным тому объяснением [125] . Именно это привело одного из ведущих мировых генетиков, профессора Вольфе из Тринити-колледжа в Дублине, к убеждению в правоте Оно [126] .

124

Gibson T. J., Spring J. Evolution of sequences, structures and genomes. Biochemical Society Transactions 2000; 28 (2): 259–264.

125

Brooke N. M., Garcia-Fernandez J., Holland P. W. H. The ParaHox gene cluster is an evolutionary sister of the Hox gene cluster. Nature 1998; 392: 920–922. See also, Pebusque M.J., Coulier F., Birnhaum D., Pontarotti P. Ancient large-scale genome duplications: phylogenetic and linkage analyses shed light on chordate genome evolution. Molecular Biology and Evolution 1998; 15: 1145–59.

126

McLysaght A., Hokamp K., Wolfe К. H. Extensive genomic duplication during early chordate evolution. Nature Genetics 2002; 2: 128–129.

Потому на вопрос: «Полиплоиды ли мы?» — можно, по моему убеждению, дать однозначный ответ: «Да». И, как обычно для описываемых здесь находок, это имеет большое значение для изучения эволюции человека, его нормального метаболизма и физиологии, для эмбриологии и, конечно же, изучения заболеваний.

Полиплоидия может быть не только результатом гибризизации. Она может возникнуть и у клеток взрослой особи под влиянием повреждающих факторов в процессе заживления раны, вирусной инфекции либо в процессе старения. Полиплоидия может быть стадией развития заболеваний, в особенности рака. Движущие силы эволюции имеют много общего с источниками болезней — что, несомненно, может пролить новый свет на эволюционную биологию и медицинскую онкологию.

Нарушения в НОХ-генах вызывают отклонения в развитии — от лишнего шейного ребра, вызывающего ущемление нервов у взрослых, до тяжелых расстройств развития эмбриона: деформации костей черепа, удвоенных либо сросшихся пальцев на руках и ногах, ненормального развития мозга и умственных способностей. Исследования последнего времени показывают: НОХ-гены играют важную роль в развитии многих видов рака: лейкемии, раке толстой кишки, кожи, простаты, груди и яичников [127] .

127

Более подробное описание этих исследований и дальнейшие ссылки можно найти в работе: Ryan F.P. An alternative approach to medical genetics based on modern evolutionary biology. Part 5: epigenetics and genomic duplications. Journal of the Royal Society of Medicine 2009: (in press).

Дублирование генов, одной из причин которого является гибридизация, встречается во многих геномах — но не всякое дублирование является результатом гибридизации. К ней может приводить ряд механизмов, включающий мутацию, рекомбинацию вирусных последовательностей и зависящих от них структур, таких, как Alu– повторы. Дублирования тоже могут привести и к эволюционным изменениям, и к болезни. Сравнение генома человека и шимпанзе открыло: одна из кодирующих белки последовательностей ДНК повторяется двести двенадцать раз в человеческом геноме — и лишь тридцать семь раз в геноме шимпанзе. Экспрессия этого белка происходит в коре головного мозга, преимущественно в тех ее участках, которые отвечают за когнитивные функции. Возможно, столь многочисленные копии этой последовательности имеют прямое отношение к увеличению нашего мозга по сравнению с мозгом шимпанзе [128] . По словам Эвана Эйхлера из университета Вашингтона, исследование генных повторов, удаления и переупорядочивания участков хромосом является в настоящее время «одной из самых актуальных и интересных областей генетических исследований». В человеческом геноме находят все больше повторяющихся генетических сегментов. По словам Боба Холмса: «Важно не только то, какие у тебя гены, — но и сколько их» [129] .

128

Check E. Mix and match: the hunt for what makes us human. Nature «News» 2006; 443: 8.

129

Holmes В. Magic Numbers. New Scientist 8 April 2006: 38–41.