Парадокс 98.8% и эволюция Homo sapiens

Глубинная причина изменений развития и физических признаков, которые сопровождали эволюцию человека, заключается в его геноме. Где-то в нашей ДНК кроется различие между нами и другими высшими приматами, а также между нами и первыми людьми. Возникают следующие ключевые вопросы:

— Сколько между нами принципиальных различий?

— Где их искать?

— Какой вклад они внесли в морфологические различия?

Хорошая новость заключается в том, что теперь мы знаем полную нуклеотидную последовательность геномов человека, шимпанзе и мыши.

Плохая новость становится очевидна, если совершить несколько арифметических действий.

ДНК человека содержит около трех миллиардов пар оснований. ДНК шимпанзе на 98,8% идентична ДНК человека. Это различие в 1,2%, и оно намного меньше, чем различие между нашей ДНК и ДНК каких-либо других обитателей планеты. Однако эти 1,2% включают в себя 36 миллионов пар оснований. Поскольку линии человека и шимпанзе отделились от общего предка примерно шесть миллионов лет назад, можно предположить, что половина из этих различий специфична для шимпанзе (изменения произошли в линии шимпанзе), а половина — для человека (изменения произошли в линии человека). Таким образом, нас от нашего общего с шимпанзе предка отделяют 18 миллионов отличий. Конечно, я слегка упрощаю цифры и не учитываю делеции (т. е. потери) или инсерции (т. е. вставки) отдельных нуклеотидов, а также приобретения или потери крупных фрагментов ДНК.

Все ли из этих изменений имеют значение? Или часть из них лишь фоновый шум? Как узнать, какие из этих 18 миллионов различий внесли вклад в эволюцию? Мы хорошо знаем, что не все мутации гена являются значимыми. Генетический код вырожден, и поэтому некоторые нуклеотиды могут заменяться другими без последствий для белковой последовательности. Эти "молчащие" замены со временем накапливаются в ДНК, так как отбор их не устраняет. Кроме того, поскольку в кодировании белков и выполнении регуляторных функций задействовано лишь около 5% нашей ДНК, мутации в других участках ДНК не приводят к каким-либо заметным последствиям. Также следует учесть, что два любых человека, не являющихся родственниками, в среднем различаются по трем миллионам позиций в геноме. Хотя с точки зрения абсолютных значений это число кажется большим, оно соответствует лишь 0,1% всех нуклеотидов, и, несмотря на эти различия, мы, совершенно очевидно, принадлежим к одному и тому же виду. Это означает, что миллионы различий не имеют практически никакого значения. Поэтому никто не знает, сколько изменений внесли вклад в эволюцию строения человека. Мне кажется, что таких изменений должно быть несколько тысяч. Проблема заключается в том, чтобы найти отличия, которые имеют значение.

Прежде чем продолжить разговор о том, чем человек отличается от шимпанзе, я попробую прояснить наблюдаемый парадокс, сравнивая человеческий геном с геномом другого млекопитающего — мыши. Мышь относится к грызунам, а линии грызунов и приматов разделились давно, примерно 75 млн лет назад. У мыши небольшой мозг; у нее есть новая кора, но она гораздо меньше, чем у приматов, и уж совсем микроскопическая по сравнению с нашей. Тем не менее, сравнительный анализ геномов мыши и человека показывает, что свыше 99% генов человека имеют "пару" в геноме мыши и наоборот. Более того, 96% всех человеческих генов располагаются на человеческих хромосомах в том же самом порядке, что и соответствующие гены мыши на мышиных хромосомах. Удивительно высокая степень сходства! Эти данные показывают, что за 75 млн лет эволюции млекопитающих и не менее 55 млн лет эволюции приматов наш геном и геном грызунов сохранили практически одинаковые гены в одинаковой последовательности. Изменение количества и организации генов не сыграло практически никакой роли в происхождении человека и приматов.

Но если не количество и не расположение генов, то что еще может объяснить невероятные различия между мышью и человеком? Да, последовательности белков, закодированных в мышиных и человеческих генах, различаются, и различаются в среднем на 30%. Но, с учетом всего сказанного выше, можно ли предполагать, что различия белков являются причиной основных изменений строения?

Вообще говоря, я в этом сомневаюсь. Мои выводы основаны на том, что мы знаем о других видах, а не на экспериментальных данных, полученных непосредственно для человека, но эти выводы подтверждаются доказательствами нескольких типов. Во-первых, большинство белков организма не влияют на форму — они играют в физиологии другую роль. Некоторые интересные различия в белках определяют физиологические особенности, такие как обоняние, иммунитет или репродукция, но они не влияют на внешний вид мыши или человека. Во-вторых, белковые продукты генов развития — это лишь малая часть всех белков организма, и поскольку каждый такой белок обычно выполняет в процессе развития несколько функций, значимые замены в его последовательности маловероятны (такая мутация влияла бы на все функции белка, а не на какую-то одну). Скорее, как мы видели в предыдущих главах, более важную роль в изменении формы животных играют генетические переключатели. Поскольку эволюция человека в значительной степени состояла в изменении размера, формы и тонких деталей строения различных структур, а также во временных сдвигах процессов развития, кажется вполне логичным, что эволюция переключателей могла сыграть решающую роль в нашей эволюции. Все структуры нашего тела представляют собой вариации структур тела млекопитающих или приматов. Я считаю, что молекулярно-генетические доказательства однозначно свидетельствуют: эволюция приматов, человекообразных обезьян и человека больше связана с изменениями механизма контроля работы генов, чем с изменениями кодируемых этими генами белков.

Я пришел к этому заключению не первым. В классической работе, опубликованной 30 лет назад, Мэри-Клер Кинг и Алан Уилсон показали, что последовательности белков человека и шимпанзе почти идентичны, и пришли к выводу, что все эволюционные различия связаны с изменениями регуляции работы генов. Многие знаменитые биологи 1960-х и 1970-х годов, включая Лайнуса Полинга, Эмиля Цукеркандла, Эрика Дэвидсона, Роя Бриттена и Франсуа Жакоба, думали так же. Однако в то время ученые ничего не знали не только о логике работы генетических переключателей, но и ни об одном гене, контролирующем развитие. Доказательства, полученные с помощью методов эво-дево и сравнительной геномики, подтвердили, что те ранние догадки были справедливы.

Однако, несмотря на важность генетических переключателей, изучать человеческие переключатели гораздо сложнее, чем переключатели других животных (поскольку мы не можем изучать их функции у живых человеческих эмбрионов). Это очень сильно затрудняет идентификацию эволюционных изменений генетических переключателей человека. Хотя предпринимается множество попыток решить эту проблему, пока гораздо проще идентифицировать различия в белок-кодирующих последовательностях, которые могут отвечать за различные аспекты эволюции человека или сопутствовать им. Я расскажу о двух генах, сыгравших свою роль в нашей эволюции. Эти примеры показывают, сколь сложную детективную работу нужно провести, чтобы связать конкретный ген с эволюцией того или иного человеческого признака. Вы увидите, как выявляются такие связи, первые звездочки, которые можно разглядеть в новые "генетические телескопы". Это не обязательно самые главные или единственные генетические причины эволюции рассматриваемых признаков, даже скорее всего это не так.