Фрэнк Райан - Виролюция. Важнейшая книга об эволюции после «Эгоистичного гена» Ричарда Докинза
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].
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].
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].
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].
Болезнь Шарко-Марии-Тута, поражающая периферические нервы, — одна из наиболее распространенных наследственных невропатий. Она встречается приблизительно у одного из двух с половиной тысяч людей. Отличительной особенностью этого заболевания является очевидное истощение конечностей, особенно малоберцовой группы мышц в области икр — у пациента развивается симптом аистовых ног, сильный изгиб стопы, потеря чувствительности кожи. Причина заболевания — в генетическом дефекте, мешающем производству протеинов, важных для нормального функционирования нервной системы. Дефект этот возникает вследствие различных механизмов, прежде всего мутаций, в особенности мутаций гена, регулирующего движение митохондрий вдоль аксонов[130]. Более двух десятилетий назад Джеймс Лупски, генетик, работающий в Бейлоровском колледже медицины в Хьюстоне, штат Техас, выяснил, что некоторые случаи этого заболевания происходят не от мутации либо повреждения нормальных генов, а от удвоения определенного участка семнадцатой человеческой хромосомы[131]. Возможно, это удвоение произошло посредством HERV либо Alu-структур. Дальнейшее изучение обнаружило небольшие изменения последовательностей в копии, типичные для возникающих со временем мутаций, и потому протеин, кодируемый этим дублирующим участком, чуть отличается от нормального и, несомненно, может замещать его в нервных клетках.
Как я уже писал в главах, посвященных вирусам, проведенные в последнее время исследования генома показали значительную разницу между геномами людей. У одних возможны лишние участки хромосом, в других частей участков может не хватать — хотя многие такие индивидуумы совершенно здоровыми. Объяснение тому, несомненно, в естественном отборе — в прошлом особи с серьезными дефектами не имели возможности размножаться, и такие дефекты были устранены из генофонда популяции. Но всегда остается возможность новых изменений, приводящих к заболеваниям. Макс Виглер, профессор Колумбийского университета Нью-Йорка, разработал технологию генетического скрининга, позволяющую сравнить число копий генов у различных клеток одного и того же индивидуума либо клеток одного типа, взятых у разных индивидуумов. Используя эту технологию, Виглер и его сотрудники протестировали геномы двухсот шестидесяти четырех семей, чтобы обнаружить вариации в числе копий определенных генов либо генетических последовательностей, ассоциируемых с раком либо иными заболеваниями. Скрининг геномов показал: приблизительно у десяти процентов аутистов наблюдались генные мутации и изменения числа копий генов по сравнению с нормальными людьми. Были также обнаружены хромосомные аберрации, связанные с дефектами умственного развития и роста детей. Удалось выявить и изменения числа копий генов в клетках, располагающихся вблизи растущей раковой опухоли, — а это может служить важным показателем степени угрозы для жизни людей.
