Изменения белков. Те участки генома, которые кодируют белки, изменились на удивление мало

Те участки генома, которые кодируют белки, изменились на удивление мало. Различия в аминокислотных последовательностях белков у человека и шимпанзе составляют значительно менее 1 %, да и из этих немногочисленных различий большая часть либо не имеет функционального значения, либо это значение остается неизвестным. Лишь в отдельных случаях удалось выдвинуть обоснованные гипотезы о возможной функциональной роли произошедших изменений.

Один из самых известных примеров связан с геном FOXP2, получившим (несколько преждевременно) броское прозвище "ген речи". У млекопитающих этот ген крайне консервативен. Например, у мыши белок, кодируемый геном FOXP2 (белок называется FOXP2 – прямым шрифтом, а не курсивом), отличается от обезьяньего аналога всего одной аминокислотной заменой. Столь высокий консерватизм означает, что возникающие в результате мутаций изменения аминокислотной последовательности этого белка почему‑то почти всегда оказываются вредными дня млекопитающих и отсеиваются отбором. Однако человеческая версия FOXP2 отличается от шимпанзиного аналога целыми двумя аминокислотными заменами! Определенно, тут произошло что‑то важное.

При этом известно, что мутации в гене FOXP2 приводят к серьезным нарушениям членораздельной речи. Чтобы нормально разговаривать, человеку необходима нормальная (не испорченная мутацией) версия этого гена. У других животных этот ген, возможно, выполняет сходные функции. Например, недавно было показано, что активность гена FOXP2 у певчих птиц резко снижается во время пения, причем именно в том отделе мозга, который отвечает за пение (Teramitsu, White, 2006). Напрашивается предположение, что замена двух аминокислот в человеческой эволюционной линии была связана с развитием способности к произнесению членораздельных звуков (Подобные высказывания важно понимать правильно. Значит ли это, что наши предки молчали‑молчали, а потом появилась мутантная особь с измененным FOXP2 и стала произносить членораздельные звуки, это дало ей репродуктивное преимущество, и мутация стала распространяться в популяции? Вряд ли. Скорее было так. Наши предки, имевшие еще "обезьянью" версию гена, активно использовали звуковую коммуникацию. Им было трудно издавать членораздельные, четко отличающиеся друг от друга разнообразные звуки, но они очень старались. Те особи, которым это удавалось лучше, оставляли в среднем больше потомков – например, потому, что им легче было что‑то втолковать своим соплеменникам (неважно, что сами соплеменники говорили хуже – ведь и собаку можно научить различать и по‑своему понимать десятки слов). Когда в такой популяции у какой‑нибудь особи появлялась мутация, позволяющая говорить четче, она поддерживалась отбором и распространялась. Принятая в социуме культурная традиция – обычай общаться при помощи звуков – делала эти мутации полезными. Внимательные читатели, конечно, догадались, что речь идет об эффекте Болдуина (см. главу "Генетика души", кн. 2)) (Vernes et al., 2006). Но какую именно функцию выполняет FOXP2 в мозге? Вплоть до недавнего времени о нем было известно лишь то, что он является транскрипционным фактором, то есть белком, регулирующим экспрессию (интенсивность работы, уровень активности) каких‑то генов.

Если бы с высшими приматами можно было проводить генно‑инженерные эксперименты, вопрос был бы решен быстро. Пересадили бы шимпанзе человеческий FOXP2 и посмотрели бы, не удастся ли научить генно‑модифицированную обезьяну разговаривать (шимпанзе можно научить разговаривать на уровне двух‑ или даже трехлетнего ребенка, но не голосом, а жестами или специальными значками‑символами, см.: Зорина, Смирнова, 2006). А еще пересадили бы человеку шимпанзиный FOXP2 и тоже посмотрели бы, что получится. Но с высшими приматами, слава гуманизму, такие опыты проводить нельзя.

Остаются мыши. Вольфганг Энард и его коллеги из Института Макса Планка (Лейпциг, Германия) вывели трансгенных мышей с человеческим геном FOXP2. Трансгенные мыши выросли вполне здоровыми, хотя некоторыми чертами отличались от нормальных мышей. В числе отличий авторы называют удлинение дендритов (входных, принимающих сигналы отростков нейронов) и увеличение синаптической пластичности (Синаптическая пластичность – способность межнейронных контактов (синапсов) менять свою "проводимость". Это базовое свойство нейронных сетей, лежащее в основе памяти и обучения. Мы поговорим об этом подробнее в главе "Душевная механика", кн. 2) в полосатом теле, или стриатуме. Это как раз та часть мозга, работа которой меняется у людей с мутантным геном FOXP2. У мышей также снизилась исследовательская активность и общий уровень дофамина в мозге. Самое забавное, что у них к тому же изменились голосовые сигналы – характерные мышиные ультразвуковые вокализации (Enard et al., 2009). Эти результаты показывают, что изменения гена FOXP2, произошедшие в человеческой эволюционной линии, вероятно, оказали комплексное влияние на работу мозга.

В другом недавнем исследовании, выполненном американскими генетиками, многообразие функций FOXP2 было продемонстрировано с еще большей ясностью (Konopka et al., 2009). Работа была основана на множестве биохимических и генетических методов, которые в совокупности позволили выявить различия в составе генов и белков, связанных с экспрессией гена FOXP2 у человека и шимпанзе. Во‑первых, трансгенным путем были выведены культуры предшественников нервных клеток человека, у которых вместо человеческого FOXP2 работал шимпанзиный аналог с соответствующими двумя аминокислотными заменами. Далее сравнили экспрессию всех остальных генов в нормальных и трансгенных клетках. Ясно, что разница в экспрессии генов в двух культурах в данном случае должна быть отнесена на счет различий в гене FOXP2 (естественно, исследователи имели в распоряжении несколько трансгенных и контрольных линий для статистики).

Выяснилось, что шимпанзиный FOXP2 производится активнее, то есть в клетках его больше, чем человеческого. Кроме того, в культурах с шимпанзиным и человеческим FOXP2 различается активность 116 генов: в человеческом варианте 61 ген демонстрирует повышенную экспрессию, а 55 генов – пониженную. Некоторые из этих генов являются прямыми генами‑мишенями FOXP2, то есть FOXP2 связывается непосредственно с регуляторными участками этих генов, чтобы регулировать их активность. Для других FOXP2 является косвенным регулятором, действуя опосредованно через другие гены. Действительно, оказалось, что регуляторные участки некоторых генов из этого массива по‑разному (с разной частотой или вероятностью) связывались с человеческим и шимпанзиным FOXP2.

В итоге ученым удалось получить схему генно‑регуляторной сети, "завязанной" на FOXP2. В схему были включены гены, которые изменяют свою работу в зависимости от модификации FOXP2.

Раньше было показано, что гены DLX5 и SYT4 – а они являются важными узлами на этой схеме – регулируют развитие и нормальную работу мозга. Теперь понятно, что эти гены представляют часть сложной регуляторной сети. В ее составе оказались и некоторые гены, мутации в которых вызывают тяжелые наследственные заболевания. К ним относится, например, ген PPP1R1B, дефекты которого приводят к расстройству речи. Также в этой схеме присутствуют гены, для которых, как и для FOXP2, доказано действие положительного (движущего) отбора (Существует ряд признаков, по которым можно определить, что на ген действовал положительный отбор, то есть в нем возникли и были поддержаны отбором какие‑то полезные мутации. В случае человеческого гена FOXP2 очевидным признаком является наличие двух несинонимичных (значимых) нуклеотидных замен (которые привели к замене двух аминокислот в молекуле белка FOXP2), при том что у остальных млекопитающих FOXP2 крайне консервативен. О других признаках см. ниже) в человеческой линии. К таким генам относится ген АМТ. Отличия нуклеотидных последовательностей этого гена от обезьяньих аналогов весьма значительны. Можно предположить, что имела место сопряженная ускоренная эволюция части регуляторного каскада, приведшая к важным "человеческим" изменениям в работе мозга.

Все эти результаты были получены на культурах зародышевых предшественников нервных клеток, но не сформированных клеток взрослых индивидуумов. Понятно, что во "взрослых" нервных клетках, которые, собственно, работают у человека говорящего, все может быть несколько иначе. Ученые, предвидя это возражение, провели дополнительное исследование. Они оценили экспрессию генов в тканях различных участков мозга у взрослых людей и шимпанзе и сравнили с результатами, полученными для соответствующих клеточных культур (клеточные культуры с геном шимпанзе сравнивали с мозгом взрослого шимпанзе, а культуры с человеческим геном – с человеческим мозгом). Выяснилось, что картина экспрессии генов в культурах клеток практически такая же, как и в тканях взрослого мозга. Сходство оказалось высоким и для человеческих клеток, и для клеток с геном шимпанзе.

Эта работа, как и целый ряд других, показала, что различия между человеком и нечеловеческими обезьянами нельзя объяснить только различиями в белок‑кодирующих последовательностях. Огромную роль играют изменения в регуляторных участках генов, от которых зависит, какими белками будет регулироваться активность данного гена, в каких тканях и при каких условиях ген будет работать активнее или слабее. Самые важные человеческие признаки, в том числе связанные с работой мозга, формируются за счет изменения регуляции и количественных различий в экспрессии генов. Ген FOXP2 оказался важнейшим регуляторным фактором, влияющим на экспрессию целого комплекса генов, участвующих в развитии и работе мозга. Среди множества отдаленных (опосредованных) эффектов этого гена‑регулятора находится и контроль работы мышц, участвующих в формировании речи. Но, несмотря на закрепившуюся репутацию руководителя речи, ген FOXP2 выполняет и другие важные функции в клетках мозга. В результате проведенных исследований сегодня мы можем уверенно утверждать, что человеческий вариант FOXP2 с его двумя значимыми нуклеотидными заменами – один из важных "генов человечности", изменения которого сыграли существенную роль в становлении человека. Крайне интересно, что у неандертальца ген FOXP2, как недавно выяснилось, был точно такой же, как у современного человека. Это можно рассматривать как серьезный аргумент в пользу того, что неандертальцы, а также общие предки неандертальцев и сапиенсов – гейдельбергские люди, носители позднеашельской культуры, – владели речью.

Помимо изучения отдельных генов и белков генетики часто используют более глобальный подход, анализируя сразу большие группы генов, объединенных каким‑то общим свойством. Например, сравнивают человеческие и шимпанзиные варианты генов, так или иначе связанных с онкологией (это важно, чтобы понять, почему шимпанзе, в отличие от людей, почти не болеют раком). Аналогичным образом сравнивались и гены, связанные с развитием мозга. При этом удалось показать, что у приматов в целом эволюция этих генов идет заметно быстрее, чем, к примеру, у грызунов.

Подобные исследования разом выявляют десятки и сотни генетических различий между человеком и его ближайшими родственниками. Особенно "перспективными" считаются те гены, в которых удается обнаружить следы действия положительного (движущего) отбора. Такие следы свидетельствуют о том, что изменения, произошедшие в данном гене, были действительно важны для наших предков, повышали их репродуктивный успех и поддерживались отбором. Одним из надежных признаков действия положительного отбора является повышенная доля значимых нуклеотидных замен по отношению к незначимым, или синонимичным (напомню, что значимые нуклеотидные замены – те, что приводят к замене аминокислоты в кодируемом белке).

Еще один признак – пониженный нейтральный полиморфизм в окрестностях того участка ДНК, на который действовал положительный отбор. Это требует объяснений. Представьте для начала, что данный участок ДНК не подвергается действию положительного отбора. Допустим, на него действует отрицательный (очищающий) отбор – отбраковка всех возникающих значимых замен. Тогда в этом участке и рядом с ним будут свободно накапливаться нейтральные, то есть не влияющие на фенотип замены (синонимичные замены – это подмножество нейтральных). В результате в генофонде популяции будет накапливаться нейтральный полиморфизм (разнообразие). Генотипы разных особей будут отличаться друг от друга по нейтральным заменам в окрестностях интересующего нас участка. Теперь предположим, что у одной из особей в этом участке возникла полезная значимая замена. Раз мутация полезная, значит, ее будет поддерживать отбор. Эта особь и те из ее потомков, которые унаследуют эту мутацию, будут размножаться быстрее остальных. В результате полезная мутация начнет распространяться (повышать свою частоту) в генофонде популяции. Фокус тут в том, что вместе с полезной мутацией автоматически будут распространяться и те нейтральные замены, которые находились в ее окрестностях у той особи, у которой полезная мутация впервые возникла. Чем ближе находится нейтральная замена к полезной, поддерживаемой отбором, тем теснее она с ней "сцеплена", пользуясь языком генетиков. В результате одни нейтральные замены – те, которым повезло оказаться рядом с полезной – начнут вытеснять из генофонда все остальные нейтральные замены, встречающиеся в этом участке ДНК. Как следствие, в масштабе популяции нейтральный полиморфизм в этом участке снизится. Заметив в каком‑то участке хромосомы пониженный уровень нейтрального полиморфизма, генетик имеет полное право заподозрить, что где‑то в этом участке не очень давно возникла полезная мутация, распространившаяся под действием положительного отбора. "Не очень давно" – потому что после того, как положительный отбор прекратит свое действие (например, потому, что полезная мутация уже достигла 100 %‑й частоты), в этом участке ДНК снова начнется свободное накопление нейтрального полиморфизма. Через какое‑то время признаки действия положительного отбора могут быть полностью стерты.

Раскрытие биологического смысла обнаруженных генетических различий между человеком и шимпанзе и следов действия положительного отбора – отдельная, очень сложная задача, как видно из рассмотренного примера с FOXP2. Обычно ее решение откладывается на потом. Когда наступит это "потом", сказать трудно. К сожалению, науке еще далеко до четкого понимания связей между генотипом и фенотипом. Как правило, мы не знаем, как те или иные генетические различия сказываются на развитии и строении взрослого организма, а выяснять это долго, трудно и дорого. Поэтому сейчас многие генетики предпочитают заниматься масштабными "скринингами", во время которых генетические отличия человека от шимпанзе вылавливаются сотнями, но не осмысливаются, а только приблизительно сортируются по степени "перспективности".

К числу "особо перспективных" генов, выловленных таким способом, относятся ASPM и microcephalin. В них обнаружены явные следы действия отбора, а их связь с развитием мозга подтверждается тем, что мутации в них приводят к микроцефалии. Показано, что белок ASPM замедляет превращение эмбриональных стволовых нейроэпителиальных клеток в нейроны. Иными словами, клетки – предшественники нейронов в присутствии ASPM успевают поделиться большее число раз, прежде чем превратятся в нейроны, которые уже не могут делиться.

Дата добавления: 2014-10-31