«Люди відрізняються від шимпанзе не тим, чим хотіли»

Мабуть, перевага розумових здібностей людини перед шимпанзе закодована дуже малим числом генів (зміною їх послідовності або рівня експресії), і знайти ці гени непросто. Фото з сайту thegreenman.net.au

Прочитання геному людини надало вченим великий обсяг інформації про структуру нашого геному і особливості нашої еволюції. Нещодавно прочитаний і повний геном шимпанзе — нашого найближчого сучасного родича. У спробах знайти генетичну причину відмінностей між розумовими здібностями людини і шимпанзе було проведено кілька порівняно-геномних аналізів, результати яких говорять про те, що швидкої молекулярної еволюції генів нервової системи у людини не спостерігалося. Мабуть, стрибок у розумових здібностях людини обумовлений змінами в дуже малому числі генів, які складно детектувати. Навпаки, гени, які беруть участь у функціонуванні насінників, демонструють масове і швидке накопичення сприятливих мутацій як у людини, так і у шимпанзе.

Поведінка та розумові здібності людини знаходяться на якісно новому рівні порівняно з мавпою. Розумно припустити, що ці відмінності мають генетичну природу і, отже, повинні бути помітні на порівняно-геномному рівні. Оскільки повний геном людини і шимпанзе вже прочитано, це питання стало можливо досліджувати. Донедавна дарвінівський, або позитивний, відбір, пов’язаний з накопиченням сприятливих мутацій, у людини було показано лише для декількох генів, тоді як у своїй масі відмінності між геномом людини і шимпанзе носять нейтральний характер — тобто це випадкові молекулярні зміни, зафіксовані в популяції шимпанзе або людини, які серйозно не впливають на функціонування генів.

Широке порівняльне дослідження геномів людини і шимпанзе, проведене німецькими вченими, було опубліковано в журналі Science в минулому році (Khaitovich P. et al. 2005). Послідовності генів людини і шимпанзе були проаналізовані на комп’ютері з використанням досить нового підходу: порівнювався рівень експресії (те, наскільки інтенсивно синтезується продукт даного гена) гомологічних генів людини і шимпанзе, тобто генів, що сталися від одного і того ж гена їх загального предка.

Вчені вивчили рівень експресії 21 тисячі генів у серці, нирках, печінці, насінниках і мозку у 6 людей і 5 шимпанзе. Виявилося, що відмінності в рівні експресії позитивно корелюють з рівнем молекулярної дивергенції. Тобто якщо порівнювані гени мають велику різницю за рівнем експресії (expression divergence, вісь Y на графіку), то вони сильно відрізняються і за своєю нуклеотидною послідовністю (Ka/Ki, вісь X на графіку). Далі, після усереднення характеристик генів по кожній з п’яти тканин, що вивчаються, вийшло, що найменше змінилися гени, що експресуються в тканині мозку (чорний квадрат) і далі за зростаючою: в серці (червоний), нирках (зелений), печінці (синій) і насінниках (блакитний).

Чому гени печінки та насінців еволюціонують швидше, ніж гени мозку та серця? Можливі два пояснення: (1) швидко еволюціонуючі гени менш важливі, тобто їх функціонування менше впливає на пристосованість всього організму, тому вони випадково накопичили багато дрібних майже нейтральних мутацій (нейтральна теорія молекулярної еволюції); (2) швидко еволюціонуючі гени накопичили сприятливі мутації, що адаптивно впливають на їх функцію. Для вибору одного з цих двох пояснень верхнього графіка недостатньо.

Додаткову інформацію може дати нижній графік. Спочатку подивимося на внутрішньовидову дивергенцію. З малюнка видно, що дендрограми більш компактні для генів тканини мозку і насінників, що говорить про важливість підтримки одного і того ж рівня їх експресії всередині кожного виду. Розкидані дендрограми для генів серця, нирок і печінки говорять про меншу важливість і меншу консервативність рівня експресії цих генів на внутрішньовидовому рівні.

Відмінності в рівні експресії тканеспецифічних генів між людьми (H, від human) і шимпанзе (C, від chimp). Довжина відрізків пропорційна відмінностям в рівні експресії і намальована в єдиному масштабі для всіх тканин (мозок, серце, нирки, печінка, насінники). Ріс. зі статті Khaitovich et al. 2005

Як оцінити минулий дарвінівський відбір, що впливає на рівень експресії генів? Вважається, що якщо відношення міжвидової мінливості в рівні експресії (довжина відрізка, що з’єднує два види) до внутрішньовидової (довжина гілочок всередині кожного виду) значуще більше одиниці, то в молекулярній еволюції даних генів був момент дарвінівського відбору, тобто відбулася фіксація мутацій, що позитивно впливають на функціонування даних генів.

Виходить, що лише гени насінників показують високу ймовірність того, що на рівень їх експресії впливав дарвінівський відбір. Саме по собі це не дивно. Гени, залучені до сперматогенезу і впливають на насіннєву рідину, беруть участь у конкуренції з насіннєвою рідиною інших самців і захищають сперматозоїди від патогенів; гени, які беруть участь у впізнаванні гамет, зазнають постійної еволюційної гонки озброєнь, що з’являється через нерівноправність статей: самцю вигідно, щоб самка вклала якомога більше енергії в їх нащадка, тоді як самка повинна регулювати і стримувати ці егоїстичні бажання, піклуючись про своє здоров’я і сили, необхідні для вирощування наступних нащадків (самцю про це думати не треба — він вкладає в потомство мало енергії). Всі ці аргументи говорять про те, що швидкість еволюції генів, які беруть участь у сперматогенезі, повинна бути високою у всіх статевих видів, і людина в цьому відношенні не унікальна.

Але як бути з відсутністю слідів позитивного відбору у генів мозку? Вчені не здавалися і провели ще один аналіз. Вони оцінили кількість амінокислотних заміщень в лініях, що ведуть до людини і шимпанзе, відновивши передбачувану вихідну амінокислотну послідовність загального предка людини і шипанзе за допомогою даних з геному їх загального більш далекого родича — щура. Тобто вони «вкоренили» філогенетичне дерево людини і шимпанзе — поставили на кожній дендрограмі між видами крапку, від якої вони почали свою розбіжність. Якщо еволюція була нейтральна і рівномірна, ця точка буде знаходитися посередині, а якщо одна з ліній накопичувала заміщення швидше — то точка загального предка зрушиться з центру.

І ось нарешті (!) виявилося, що точка загального предка на дендрограмі генів, що експресуються в тканині мозку, лежить ближче до шимпанзе — в лінії, що веде до людини, було накопичено в 1,4 рази більше амінокислотних заміщень. Тепер можна було сподіватися, що саме ці амінокислотні заміни зробили людину Людиною і що знайдено раціональне зерно її еволюції.

До речі, для генів насінників це ставлення близьке до одиниці (1,04), тобто хоча еволюція генів насінників була і швидкою (див. вище), але вона йшла рівномірно як в лінії людини, так і в лінії шимпанзе — а значить, дарвінівський відбір йшов в обох лініях рівномірно.

Однак радість вчених була недовгою. Нещодавно в журналі Trends In Genetics біологи з Мічиганського університету в м. Анн-Арбор опублікували роботу, в якій вони розширили комп’ютерний генетичний аналіз геному людини і шимпанзе (Shi et al. 2006). Для вкорінення дерева вони використовували геном макаки. Застосувавши п’ять різних визначень того, що таке ген, специфічний для тканини мозку (1-3, згідно з трьома різними методиками, — ті гени, які експресуються тільки в тканині мозку; 4 — описаний у літературі список генів, залучених до розвитку та функціонування нервової системи; 5 — об’єднання всіх генів, виявлених хоча б в одному з підходів), вчені ні в одному з цих випадків не змогли показати значимо більший темп накопичення амінокислотних заміщень в лінії, що веде до людини.

Еволюційне дерево людини, шимпанзе і макаки. Порівняльний розмір головного мозку. Ріс. зі статті Shi et al. 2006

Аналіз ускладнювався тим, що геном шимпанзе прочитаний менш якісно — в ньому міститься більше помилок, ніж в людському, що може приховати позитивний відбір в лінії людини. Провівши серію статистичних аналізів і враховуючи потенційний вплив помилок у геномі шимпанзе, вчені довели, що при походженні людини не спостерігалося універсального і масштабного накопичення амінокислотних змін у генах, що беруть участь у роботі нервової тканини.

Але ж ми все-таки розумніші шимпанзе і відносний розмір мозку у нас більше! Мабуть, розвиток наших розумових здібностей закодовано дуже малим числом генів (зміною їх послідовності або рівня експресії), і ці зміни не впливають на усереднені характеристики по всіх генах нервової системи.

Джерела:

1) Philipp Khaitovich, Ines Hellmann, Wolfgang Enard, Katja Nowick, Marcus Leinweber, Henriette Franz, Gunter Weiss, Michael Lachmann, Svante Pääbo. 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.

Костянтин Попадьїн