CC BY
412
Эволюция генома человека
о
X X
5
X
2 о
со
m
Возникшее в результате эволюции биологическое разнообразие придает устойчивость геосфере нашей планеты. Эволюционная линия антропоидов включает разнообразие видов обезьян Старого и Нового Света, кластер видов крупных человекообразных обезьян и род Homo, который представлен единственным выжившим видом - Homo sapiens.
Владимир Савченко,
главный научный сотрудник Института философии НАН Беларуси, член-корреспондент, доктор биологических наук, профессор
В
наше время появилась возможность проводить биологическую классификацию на основе количественной оценки генетического сходства и расстояния между видовыми геномами с помощью сравнения последовательностей нуклеоти-дов в молекуле ДНК или последовательности аминокислот в молекулах белка. Часто для этого используются отдельные гены, ДНК митохондрий, а теперь и суммарная ДНК ядерных геномов.
Сравнение нуклеотидных последовательностей мтДНК показало, что ближайшим к нам видом является шимпанзе: разделение эволюционных линий произошло примерно 4,9 млн лет назад. Ветви гориллы и орангутанга отделились 8-9,5 и около 15,1 млн лет назад соответственно (рис. 1).
Секвенирование генома человека
Реализация международного проекта по секвенированию генома человека позволила получить точные сведения о его организации и значительно усовершенствовать технологию расшифровки, разработать компьютерные методы анализа и упорядочивания нуклеотидных последовательностей геномной ДНК. Высокотехнологичное секвенирование следующего поколения широко используется при исследованиях генома человека и близкородственных видов обезьян. Процесс расшифровки ускорился примерно в 100 раз по сравнению с исходным трудоемким капиллярным методом разделения последовательностей нуклеотидов.
Это позволило секвени-ровать геномы шимпанзе и неандертальца в 2005 и 2010 гг. соответственно. В результате появилась возможность провести сравнение генома современного человека с геномами ближайших к нему видов и выявить закономерности их эволюционной трансформации [2]. Установлено, что геномы человека и шимпанзе различаются примерно по 35 млн замещений отдельных ну-клеотидов. Они имеют лишь 3%
отличии в последовательностях нуклеотидов, которые включают дупликации, инсерции и делеции участков ДНК. Примерно половина этих модификации произошла в процессе эволюции в геноме человека, а остальная часть - в геноме шимпанзе. Подавляющее большинство мелких изменении последовательности нуклеотидов носит неитральныи характер и никак не отражается на фенотипе сравниваемых видов. Лишь незначительная часть из них имела эволюционное значение и повлияла на приспособленность видов.
В геноме человека уменьшилось число хромосом до 23 пар (2а и 2b слились в одну большую хромосому), тогда как в геномах шимпанзе и гориллы сохранились 24 пары. Но наибольший интерес для нас представляют события, связанные не с потереи, а с приобретением новых генов, что позволило сформироваться современному человеку, которыи в ходе эволюции заместил в роде Homo все предшествующие предковые виды, подвиды и популяции.
Сущность эволюции биосферы сводится, с однои стороны, к сохранению уже достигнутой организации жизни и, с другои, к возникновению эволюционных новшеств, которые затем распространяются в биосфере и обеспечивают в конечном счете ее будущее. Эти изменения зарождаются здесь и сеичас и связаны с непрерывными мутациями, бифуркациями, генерированием биоразнообразия и его притяжением к аттракторам, которые способны повышать уровень организации биологических систем. Этот магистральныи путь эволюции привел к появлению сознания, абстрактного мышления, человеческих коммуникации,
науки, культуры, цивилизации и развитию ноосферы.
Эволюционные новшества накапливались у представителей гоминид постепенно. Ключевые ступени этого восхождения от приматов к человеку связаны с переходом от древесного и ночного стиля жизни к наземному и дневному, возникновением бипедализма, дополнением собирательства охотой и рыболовством, что создало условия для развития и усложнения социальных взаимодействий. Расширение растительной диеты за счет мясной и рыбной, преобразование морфологии языка, верхнего неба и гортани изменило амплитуду голосовых сигналов и обеспечило рождение на этой основе речи как основы межперсональной коммуникации. Это сопровождалось постепенным увеличением размера мозга и развитием системы языка для передачи накопленных знаний и опыта следующим поколениям, формированием самосознания, морали, альтруизма и чувства вины. У человека увеличилась продолжительность жизни, снизилось число потомков, но увеличился период детства, когда родители заботились о них и передавали им свои умения и навыки.
Произошли позитивные изменения в морфологии тела, включая кости таза, ног, ступней. Появление бипедализма стало переломным моментом в формировании современного человека. Преимущества этого способа передвижения связаны с тем, что руки оказались свободными, и их можно было использовать для сбора пищи, ее перемещения в базовое местообитание, для изготовления орудий труда, охоты и рыболовства, для защиты от хищников. Возникновение домашнего очага способствовало разделению труда между мужчинами и женщинами, укреплению гендерных связей, улучшению заботы о детях.
Параллельно с этими эволюционными процессами происходила эволюция мозга, выражавшаяся в его увеличении.
У ранних сапиенсов и неандертальцев мозг уже достигал таких размеров, как сейчас, у них были массивная челюсть и надбровные дуги. Около 35 тыс. лет назад уже сформировался человек современного типа, с похожей анатомией, достаточно сложными социальными связями и развитыми культурой и технологией. Вдобавок к жестам, лицевым экспрессиям, гримасам и звуковым сигналам человек стал использовать речь для более сложных коммуникаций. Все это свидетельствовало о появлении нового субъекта эволюции.
Язык как явление коммуникации, по всей видимости, возник из осознания себя, своего окружения и ближайших природных объектов, понимания сущности их сложных взаимодействий. Признано, что язык помогал создавать и совершенствовать орудия труда, планировать коллективный труд. Эмоции уже присутствовали у человекообразных обезьян и развились у человека, способствуя становлению его иерархической общественной организации. Чувства способствовали адаптации, кооперации и выживанию группы и всего социума. Наряду с индивидуальным отбором стал эффективно действовать групповой отбор, который, вероятно, и ответстве-
нен за то, что в роде Homo выжил лишь один вид.
Потери генов
Эволюция на молекулярном уровне может действовать посредством преобразования кодирующих последовательностей белков и изменения их функции, то есть возникновения новых генов, а также путем потери функции генов и их превращения в молчащие последовательности нуклеотидов, путем модификации механизма регуляции генов, их транскрипции и трансляции. Многие мутации способны подавить экспрессию гена, и лишь некоторые способны изменить его функцию. Поэтому умолкание генов и потеря их функции - важный процесс в ходе адаптации видов и их эволюции, получивший название «меньше - значит больше» [3]. Оказалось, что за время разделения эволюционных линий человека и шимпанзе геном человека потерял 80 (по другому источнику - 86) генов. При этом 36 из них контролировали оль-факторные рецепторы нервных волокон, которые отвечают за распознавание молекул, имеющих запах. Гены, вовлеченные в хеморецепцию и иммунный ответ, были, по-видимому, представлены в геноме предковой
1 - сиаманг сростнопалый (Hylobatessyndactylus); 2 - орангутан (Pongopygmaeus); 3 - горилла (Gorillagorilla); 4 - шимпанзе (Pan troglodytes); 5 - человек (Homosapiens)
Рис. 1.
Упрощенное филогенетическое древо видов человекообразных обезьян и человека, построенное на основе сравнения сходства геномов их митохондрий [1]
о х
X
5
X
о
X X
5
X
эволюционнои линии в большем количестве, чем необходимо.
Человек потерял ген KRTHAP1, кодирующий синтез белка керотина для волос. Несмотря на то что в геноме осталось еще девять функциональных типов гена кератина 1, это, возможно, привело к утончению всех волос на теле человека. Это событие случилось сравнительно недавно в эволюционной истории человека - менее 240 тыс. лет назад, а функциональный аналог этого гена сохранился в геномах шимпанзе и гориллы [4].
Возникшая мутация, которая представляла собой делецию двух пар оснований, привела к инактивации миозинового гена MYH16 в геноме человека, которая произошла около 2,4 млн лет назад и обусловила появление в Африке Homo erectus. Этот период ознаменовался увеличением объема черепа человека, и было высказано предположение, что инактивация гена позволила снять эволюционные ограничения на размер мозга [5]. Потеря гена CASPASE12, который кодирует синтез фермента цистеинил-аспартат-протеазы, могла повлиять на снижение летальности от бактериальных инфекций [3].
Новые гены
За счет горизонтального переноса из других видовых геномов новые гены проникали в геном человека. В нем обнаружено много генов бактерий и вирусов, которые контактировали с человеком на протяжении его истории. Новые гены могут также возникать из старых, уже успешно функционирующих в геноме. Для этого необходимо избыточное количество нуклеотидных последовательностей, доступных для преобразования без потери их функции. Это достигается за счет сегментных дупликаций, в которые вовлечены экзоны, целые гены, повторы нуклеотидов, целые хромосомы или их участки. Дупликации и мутации генов формируют разнообразие геномов человека.
В результате неравного расхождения последовательностей ДНК между дочерними клетками в процессе деления отдельные участки генома бывают дуплици-рованы в одной клетке и потеряны - в другой. Поэтому число копий последовательностей ДНК варьируется. В геноме человека до 12% геномной ДНК подвержено таким изменениям, которые могут включать участки длиной от тысячи до нескольких миллионов пар оснований [6]. Особенно чувствительны к структурным перестройкам генома (дупликациям, делециям, инверсиям и транслокациям) участки повторов низкой частоты. Спонтанные дупликации появляются примерно в 10 раз чаще в последовательностях нуклеотидов, примыкающих к ранее дуплицированным участкам [7].
При реализации международного проекта «Геном человека» было установлено, что явление вариации числа копий последовательностей нуклеотидов широко распространено. Оказалось, что примерно 0,4% геномов индивидов, не связанных родством, различаются по этому числу [8]. Вариации могут как возникать вновь, например, у однояйцевых близнецов, так и передаваться в дальнейшем потомству. В большинстве случаев изменения в числе копий нуклеотидных последовательностей не влияют на состояние здоровья. Однако отмечены случаи увеличения числа копий БОБИ в клетках больных раком легких, а также связь повышенного числа копий ССЬ3Ь1 с уменьшением восприимчивости к ВИЧ-инфекции. Выявлена также ассоциация изменения числа копий нуклеотидных последовательностей с такими болезнями, как аутизм и шизофрения. Потеря или увеличение копий функциональных генов играет свою роль в эволюции генома. Так, геном шимпанзе имеет 2 копии гена ЛМУ1, кодирующего фермент амилазу. В геноме человека встречается от 6 до 15 копий этого гена. Высказано предположение, что это связано с адаптацией челове-
ка к пище, содержащей повышенное количество крахмала [9].
Псевдогены представляют собой последовательности нуклеотидов, которые потеряли свою функцию и не экспрессиру-ются в клетках. Это происходит в результате накопления множественных мутаций в генах, которые не являются критическими для выживания организма. Многие такие последовательности не имеют промоторов и интронов в силу того, что они возникли из-за обратного копирования в геном зрелой РНК с помощью обратной транскриптазы. Другие псевдогены имеют промоторы и сайты считывания, но накопили в своих последовательностях замены нуклеотидов, вызывающие сдвиг рамки считывания или появление стоп-кодонов. Это приводит к нарушению транскрипции гена и потере его функции. Поэтому такие последовательности обычно относили к мусорной ДНК. Однако они могут включать смысловые участки, и это делает их материалом для формирования новых генов.
Псевдогены характеризуются определенной степенью гомологии с функциональными генами и такими изменениями своей организации, которые препятствуют их нормальной транскрипции и трансляции. При наличии гомологии на уровне от 40 до 100% между двумя последовательностями нукле-отидов можно утверждать, что они подверглись дивергенции, но имеют общее происхождение, а не возникли в результате случайной конвергенции.
Потеря функциональности последовательности нуклео-тидов может произойти по разным причинам. Нормальный ген реализует свою функцию посредством ряда ступеней, которые включают транскрипцию последовательности нуклеоти-дов ДНК в последовательность РНК, созревание иРНК с вырезанием интронов, трансляцию зрелой РНК в полипептидную цепь аминокислот, формирование трехмерной архитектуры
белка. Нарушение любого из перечисленных этапов синтеза белка в результате сдвига рамки считывания, или возникновения стоп-кодона, может привести к потере функции гена, включая гены для синтеза не только белков, но и различных РНК.
Примером такого механизма может служить потеря функции унитарного псевдогена GULOP у человека и других приматов, в норме кодирующего синтез L-гу-лоно-у-лактон-оксидазы у млекопитающих, которая участвует в производстве аскорбиновой кислоты. Второй пример - дезактивация по причине нонсенс-мутации функции гена caspase-12 [10].
В геноме человека насчитывается от 33 до 44% повторяющихся последовательностей, получивших название SINE и LINE, которые способны к ре-тротранспозиции в геноме. При этом ретротранспозоны не только копируют собственные последовательности нуклеотидов, но могут также случайно захватывать копии последовательностей функциональных генов из иРНК, которые лишены промоторов и интронов. Такие нефункциональные копии сДНК после инсерции в геном представляют собой псевдогены, которые иногда могут включать отдельные экзоны от функциональных генов [11].
Еще один источник псевдогенов - дупликации генов, которые играли важную роль в эволюции генома человека. В дальнейшем одна из двух копий первоначального гена может накопить мутационные изменения и превратиться в псевдоген. Причем замолкание одной копии не имеет никаких последствий для приспособленности, поскольку другая исправно функционирует. Наличие общих дуплицированных псевдогенов может указывать на эволюционные связи генома человека и других приматов. Превращение активного гена в псевдоген происходило на протяжении первых нескольких миллионов лет после дупликации. При этом естественный отбор не мог элиминировать такой псевдоген из популяции,
хотя он перестал экспрессирова-ться или потерял свою функциональность. Относительно новые дуплицированные псевдогены могут быть идентифицированы только с помощью прямого анализа нуклеотидных последовательностей [12].
Идентификация псевдогенов основана на компьютерном алгоритме анализа нуклеотидных последовательностей. Оказалось, что некоторые псевдогены обладают определенной функцией в геноме. Так, ретропсев-доген фосфоглицератмутазы 3 (РОЛМЗР) способен синтезировать функциональный белок [13]. Транскрипты псевдогенов могут играть важную биологическую роль, участвуя в регулировании экспрессии своего активного аналога. Информация о влиянии коротких интерферентных я1РНК, транскрибированных из последовательностей нуклеоти-дов псевдогенов, на экспрессию активных генов продолжает появляться [14]. Имеются также указания на участие иРНК неко-дирующих последовательностей нуклеотидов генома в регуляции активности кодирующих генов и в прогрессировании опухолей.
Важное значение в эволюции генома имеют процессы преобразования нуклеотидных последовательностей псевдогенов, в результате которых либо может быть восстановлена их функциональность, либо мутационные изменения могут привести к возникновению нового генного продукта. Псевдогены иногда могут транскрибировать себя, используя промотор близлежащего активного гена. Эволюционная динамика их последовательностей за счет инсерций и делеций нуклеотидов способна с невысокой вероятностью либо восстановить прежнюю функцию, либо привести к возникновению нового белкового продукта с новой функцией. Известны случаи, когда псевдогены, молчавшие в геноме несколько миллионов лет, вдруг снова становились активными. Секвенирование генома человека, аннотация известных
генов и разработка компьютерных алгоритмов для анализа полученных последовательностей нуклеотидов открыли новые возможности для выяснения биологической роли огромного массива некодирующих белки последовательностей геномной ДНК. Теперь пришло понимание того, что эта ДНК, которую раньше называли мусорной, играет важную роль в функционировании генома и является строительным материалом для продолжающегося эволюционного процесса. Конверсия генов сыграла важную роль в эволюции приматов [15].
В сущности, изучение молекулярных механизмов возникновения новых генов из дупли-цированных или некодирующих последовательностей нуклеоти-дов находится пока на начальной стадии, но оно чрезвычайно важно для понимания ключевых событий эволюционного процесса. Это достаточно редкое событие, но со времени дивергенции с шимпанзе в геноме человека возникли новые гены, кодирующие белок [16].
Наблюдаются также дупликации экзонов в пределах одного гена. Это ведет к возникновению избыточных экзонов, которые могут быть вовлечены в эволюционный процесс. О масштабах тандемной дупликации можно судить по результатам анализа секвенированных геномов Homo sapiens, Drosophila melanogaster и Caenorhabditis elegans. В трех геномах человека, дрозофилы и плоского червя обнаружен 12291 случай дупликаций экзонов, а дополнительный анализ интро-нов позволил выявить еще 4660 случаев в пределах этих неко-дирующих последовательностей нуклеотидов. Это указывает на то, что материала для производства новых генов в эволюционирующих геномах имеется достаточно. Создаются благоприятные условия для экзонов увеличенного размера, а также для возникновения новых комбинаций экзонов в пределах гена и последующего производства измененного продукта такого гена.
о
X X
5
X
Последовательности нуклео-тидов в геноме человека, конечно, не являются самодостаточными сущностями. Гены в каждом поколении образуют все новые комбинации, создавая генетическую изменчивость, которая подвергается действию естественного отбора. Они входят в состав эволюционирующих генных семей и являются участниками возникающих генных сетей. Гены
подвержены регуляции со стороны генома как целостной ассоциированной системы, находящейся в постоянном взаимодействии со средой обитания и представителями других видов, живущих в биосфере. Геносфера представляет собой иерархически организованную ассоциативную систему, которая преобразуется в процессе эволюции, что приводит к возникновению биоразнообразия.
Summary
Our species was formed during the evolution of primates order that including about 230 species. Comparison of the nucleotide sequences of mtDNA showed that the closest to us species are the chimpanzee, gorilla and orangutan.
The evolution of the human genome is directed by converting the genomic DNA coding sequences, by origin of new genes from pseudogenes and duplications, by the loss of gene function and change the regulatory mechanisms of transcription and translation. The human genome contains conserved and variable DNA sequences, as well as monomorphic and polymorphic genes. Mutational process continuously generates genetic variation and many mutations associated with diversity of inherited diseases. In addition to the genetic information an each new human generation receives all previously accumulated knowledge and develops an achievements of culture and civilization on. Biological inheritance of evolutionary innovation is supplemented by inheritance of innovation in social, cultural, technological, and information fields.
Литература
1. Strickberger M.W. Evolution. Third Edition. - Toronto & London, 2000.
2. Green R.E., et al. A Draft Sequence of the Neandertal Genome // Science, 2010. Vol. 328, 5979. P. 710-722.
3. Wang X., Grus W.E. & Zhang J. Gene losses during human origins // Public Library of Science (PLoS) Biol., 2006. Vol. 4, №3. P. e52.
4. Winter H., Langbein L., Krawczak M., et al. Human type I hair keratin pseudogene phihHaA has functional orthologs in the chimpanzee and gorilla: evidence for recent inactivation of the human gene after the Pan-Homo divergence // Hum Genet, 2001. Vol. 108, №1. P. 37-42.
5. Perry G.H., Verrelli B.C. & Stone A.C. Comparative analyses reveal a complex history of molecular evolution for human MYH16 // Mol Biol Evol. 2005. Vol. 22, №3. P. 379-382.
6. Stankiewicz P., Lupski J.R. Structural Variation in the Human Genome and its Role in Disease // Annual Review of Medicine, 2010. Vol. 61. P. 437-455.
7. Cheng Z., Ventura M., She X., et al. A genome-wide comparison of recent chimpanzee and human segmental duplications // Nature, 2005. Vol. 437, №7055. P. 88-93.
8. Kidd J.M., Cooper G.M., Donahue W.F., et al. Mapping and sequencing of structural variation from eight human genomes // Nature, 2008. Vol. 453, №7191. P. 56-64.
9. Perry G.H., et al. Diet and evolution of human amylase gene copy number variation // Nature Genetics, 2007. Vol. 39, №10. P. 1256-1260.
10. Xue Y., Daly A., et al. Spread of an Inactive Form of Caspase-12 in Humans Is Due to Recent Positive Selection // Am. J. Hum. Genet., 2006. Vol. 78, №4. Р. 659-670.
11. Baertsch R., Diekhans M., Kent J., Haussler D., Brosius J. Retrocopy contributions to the evolution of the human genome // BMC Genomics, 2008. Vol. 9. Р. 446-454.
12. Harrison P.M., Hegyi H., Balasubramanian S., Luscombe N.M., Bertone P., Echols N., Johnson T., Gerstein M. Molecular fossils in the human genome: identification and analysis of the pseudogenes in chromosomes 21 and 22 // Genome Res., 2002. Vol. 12, №2. Р. 272-280.
13. Betran E., Wang W., Jin L., Long M. Evolution of the phosphoglycerate mutase processed gene in human and chimpanzee revealing the origin of a new primate gene // Mol. Biol. Evol., 2002. Vol. 19, №5. Р. 654-663.
14. Watanabe T., Totoki Y., Toyoda A., et al. Endogenous siRNAs from naturally formed dsRNAs regulate transcripts in mouse oocytes // Nature, 2008. Vol. 453, №7194. P. 539-543.
15. Gerstein M., Zheng D.The real life of pseudogenes // Sci. Am., 2006. Vol. 295, №2. P. 48-55.
16. Wilson B.A., Masel J. Putatively Noncoding Transcripts Show Extensive Association with Ribosomes // Genome Biology & Evolution, 2011. Vol. 3. P.1245 —1252.
Современный человек двоичен: биологическая организация его уже многие тысячелетия дополняется тем, что условно можно рассматривать как внешнее тело, которое в широком смысле называют культурой. Не входя в особые спекуляции по поводу ее философского значения, приведем самое простое и поэтому максимально общее определение. Создавая культуру, человек культивирует, то есть с точки зрения пользы изменяет окружающий его мир, тем самым совершенствуя себя.
