Текст книги "Я — не моя ДНК. Генетика предполагает, эпигенетика располагает"

Автор книги: Манель Эстейер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 12 страниц)

Дарвин (и Уоллес) против Ламарка

В настоящее время общепринято мнение, что именно теория естественного отбора объясняет (или была первой теорией, объясняющей пусть не полностью, но и не ошибочно) механизмы эволюции. Эта теория была предложена Чарлзом Дарвином, а также Альфредом Уоллесом (1823–1913), наличности которого мы подробнее остановимся.

Альфред Уоллес был английским натуралистом, современником Дарвина, который, в каком-то смысле, двигался в параллельном с ним направлении. Он тоже был исследователем и в 1848 году на торговом паруснике отправился в путешествие в Бразилию для изучения амазонских флоры и фауны. Затем, с 1854 по 1862 год он пробыл на Малайском архипелаге, собирая коллекцию видов. Именно во время этого путешествия Уоллес начал разрабатывать теорию естественного отбора и по возвращении в Англию состоял в тесной переписке с Дарвином, с которым они обменивались идеями. И как по волшебному совпадению, оба сформулировали независимо друг от друга теории об эволюции видов путем естественного отбора. Отношения между ними были хорошими и даже дружескими Известно, что Уоллес отправил свои работы Дарвину, который, имея больше полезных контактов, способствовал их публикации в 1858 году. Более того, именно эта публикация сподвигла Дарвина завершить свой труд о происхождении видов, который увидел свет на год позднее.

В тени успеха Дарвина теории Уоллеса, скажем так, пошли на спад, и когда он перестал путешествовать и окончательно осел в Англии, их отношения, как и их дружба, только укрепились.

В чем же заключаются его эволюционные теории?

В целом они основаны на существовании дефектов в наследственной передаче информации от одного поколения другому. Эта нестабильность создает вариативность и определяется феноменом мутаций, большинство которых в результате не приводит к адаптивным преимуществам, а является нейтральным. То есть в определенных обстоятельствах некоторые варианты могут иметь преимущество перед другими в процессе естественного отбора, в котором, как мы уже сказали, выживают более приспособленные особи.

В наши дни имя Ламарка снова появилось в научной литературе из-за того факта, что эпигенетические изменения, эпимутации, могут быть переданы потомкам таким вопиющим способом, что, кажется, нарушают все правила менделевского наследования. Некоторые ученые предполагают, что они могут иметь адаптационную роль, укладывающуюся в концепцию Ламарка, хотя на самом деле знаменитый пример ученого о шеях жирафов некорректен. Последователи ламаркизма настаивают на том, что способность организмов адаптироваться к окружающей среде породила эволюцию и разнообразие видов, и самый известный пример, доказывающий эту теорию, о шее жирафов. Ученый сформулировал принцип, по которому использование или неиспользование частей тела приводит к тому, что части тела, используемые чаще, развиваются и усиливаются настолько, насколько менее используемые части слабеют и деградируют, иногда даже исчезают. Согласно Ламарку, поколение за поколением жирафы должны были вытягивать шею, чтобы достать до самых высоких веток деревьев, и, как следствие, их шея удлинялась. Затем, согласно второму принципу, основополагающему в его теории, принципу наследования приобретенных признаков, у жирафов с самой длинной шеей рождались дети с такой же длинной шеей, которая продолжала расти из поколения в поколение, так как потомки продолжали вытягиваться, чтобы достать до самых высоких ветвей.

Пятьдесят лет спустя в свете теорий Дарвина и Альфреда Уоллеса (последний из которых утверждал, что по линии отца был потомком великого шотландского героя Уильяма Уоллеса) постулаты Ламарка и этот конкретный пример были опровергнуты: жирафы, которые вытягивали шеи, чтобы есть листья на самых высоких ветвях деревьев, не передавали этот признак своему потомству. Согласно естественному отбору, то, что могло произойти с шеями жирафов, берет начало в существовании двух групп жирафов: с длинной и с короткой шеей. Первые доставали до листьев деревьев, питались и выжили, в то время как несчастные «короткошейки» умирали от недоедания, как и их потомство. Так что выживали и размножались особи с длинными шеями, в то время как другие вымирали.

Так какие выводы в свете современной науки можем сделать мы с вами?

Совершенно точно то, что единственная реальная возможность передачи приобретенного признака следующим поколениям заключается во внедрении этого признака в эмбриональную линию, другими словами, в сперматозоиды или яйцеклетки. Это новое изменение в половых клетках может быть эпигенетическим, а эпигенетические модификации отличаются быстродействием и могут сделать так, чтобы виды адаптировались к внезапным изменениям в окружающей среде, например к большим природным катаклизмам.

Если мы вернемся к примеру из предыдущей главы о различных человеческих популяциях, то увидим, что группа с большим числом эпигенетических вариаций – группа из Черной Африки, жители которой исторически были первыми людьми: все люди, обитающие на планете Земля, происходят от них, и у них было больше всего времени, чтобы измениться.

С другой стороны, если мы изучим, какие гены и межклеточные коммуникации, кроме уже упомянутого цвета кожи, отличают разные группы людей, то найдем два любопытных участка, связанных с чувством вкуса и чувствительностью к инфекциям.

Это связано с эпигенетическими изменениями во вкусовых рецепторах, которые миллионы лет назад позволили людям адаптироваться к новым продуктам, найденным во время первых миграций, и различать, что можно потреблять, а что смертельно опасно или ядовито. Таким же образом те люди, что должны были (и сейчас им тоже приходится) соседствовать с определенными микроорганизмами, научились сосуществовать с ними, что и происходит с вирусом Эпштейна – Барр и кишечной палочкой. Как говорится в знаменитой пословице: «С волками жить – по-волчьи выть».

А теперь обратим свой взор на наших ближайших родственников. Уверены, что каждый раз, когда вы приходите в зоопарк и смотрите на новорожденных шимпанзе, вы думаете: «Какой милый! Ну совсем как младенец». Правда ведь? Все мы так делаем, и на самом деле мы не далеки от действительности: у людей и шимпанзе 99 % генома совпадает. И несмотря на то, что говорят последователи отрицания теории эволюции, это факт: эволюционно у нас один и тот же отец и одна и та же мать. Однако мы отличаемся от них во многом, чем-то более очевидно, чем-то – менее.

Как вообще можно представить себе такую степень схожести нашей ДНК?

Эпигенетика снова является ключом к разгадке, так как исследования нашей команды ученых, как и других наших коллег, доказали следующее: несмотря на то что для определенного гена последовательности ДНК могут быть одинаковыми, наша ДНК (то есть ДНК Человека разумного) в сравнении с ДНК других человекообразных приматов, таких как шимпанзе, гориллы, орангутаны или бонобо (карликовых шимпанзе), эпигенетически регулируется по-другому, в особенности из-за изменений метилирования ДНК.

И снова эпигенетика приходит на помощь.

Обоняние – орган для выживания

Вот, пожалуйста, еще один пример на обсуждаемую тему, на этот раз связанный с запахом.

Наш геном, так же как и геном шимпанзе, обладает многочисленными генами обонятельных рецепторов. У приматов все они активированы для того, чтобы различать самые слабые запахи и определять тип приближающегося хищника или местонахождение того самого вкусного фрукта. У нас, наоборот, большая часть этих обонятельных рецепторов выключена по причине мутации (генетического изменения, так как уже многие тысячелетия мы не используем этот ген) или метилирования (эпигенетического изменения, потому что раньше нам все-таки было необходимо различать эти запахи).

Объяснить это просто: в современном обществе мы уже не различаем большинство веществ и организмов по запаху, потому что зрение стало основным органом восприятия, а также потому, что из-за сосредоточения запахов (мыло, духи, шампуни и разнообразные загрязнения) со временем становится все сложнее использовать обоняние и отличать одни запахи от других.

Проще говоря, мы почти не используем обоняние, оно атрофировалось, метилировалось.

А вот шимпанзе все еще остро в нем нуждаются, потому что им необходима способность воспринимать угрожающие запахи, запахи продуктов, которые могут быть токсичными, запахи приближающихся хищников… И поэтому они сохраняют чувство обоняния неметилированным.

В качестве заключительного аккорда хотелось бы привести пример, демонстрирующий обратное: гены, связанные с передачей нервных импульсов и речью, не метилированы у людей, и поэтому мы обладаем этой «активированной» (обозначим это таким образом) возможностью, в то время как у приматов эти функции выключены и неактивны.

Вывод: людям необходимо говорить, чтобы общаться, обезьяны этого не делают, зато их обоняние невероятно развито в сравнении с нашим, таким образом, в сражении за способности восприятия между людьми и приматами результатом будет ничья: 1 (обоняние) – 1 (речь).

Или, как говорится: «Ежели где-то что-то убыло, то где-то что-то должно прибыть непременно».

А сейчас повторим

В таком случае мы должны реабилитировать Ламарка с точки зрения эпигенетики?

Идея Ламарка о том, что приобретенные в течение жизни особи признаки передаются ее потомству, была опровергнута, и многие годы, вплоть до недавнего времени, научное сообщество считало, что только генетические мутации, произошедшие в гоноцитах (яйцеклетках и сперматозоидах), могут передаваться следующим поколениям.

Однако последние исследования эпигенетического наследования, другими словами, способов, которыми приобретенные одной особью эпигенетические метки могут передаваться следующему поколению, способствуют пересмотру некоторых выводов Ламарка с целью встроить их в более полную теорию эволюции видов.

Почему же шимпанзе так сильно отличаются от человека, хотя 99 % нашего генетического материала совпадает?

Так как у людей и приматов общий предок, большая часть наших геномов совпадает. Однако эти гены работают неодинаково: некоторые более активны у людей и выключены у шимпанзе, и наоборот. Так, хотя те же самые гены активны в тех же самых зонах мозга человека и шимпанзе, их активность будет различной. Сотни или даже тысячи расхождений влияют как на функционирование, так и на развитие мозга, что может объяснить, почему мозг человека больше и наделен большим интеллектом.

Какие другие основные гены, которые совпадают у нас с шимпанзе, включены в нашем мозге и выключены у этих приматов?

Одно исследование доказало, что гены, которые не подвержены метилированию в человеческом мозге, связаны с большей восприимчивостью к неврологическим, психическим и даже онкологическим заболеваниям.

А что происходит с эпигеномом других человекообразных существ, уже вымерших?

Есть два хорошо изученных вымерших вида: неандерталец и денисовский человек. Ученые смогли изучить не только их геном, взяв ДНК из окаменелых костей, но и их эпигеном. Как ни странно, было доказано, что между этими древними людьми и современными людьми существуют различия в метилировании ДНК. Эти различия находятся в основном в генах, функция которых заключается в управлении развитием конечностей (гены HOXD), что объясняет анатомические различия между нами и нашими вымершими родственниками.

Глава 7
Настоящая разница между мужчинами и женщинами не в том, о чем вы подумали

Геном мужчин и женщин совпадает… Хорошо, это не совсем так: ДНК ядра обычной человеческой клетки делится на 23 пары хромосом, как у мужчин, так и женщин, но есть одна пара хромосом, только одна, которая не совпадает с другими: женщины обладают парой Х-хромосом, а мужчины – одной Х-хромосомой и одной Y-хромо-сомой. Не будем шутить про то, что находится в Y-xpo-мосоме… хотя надо признаться, сдерживаемся с трудом.

Что представляется точным, так это то, что Y-хромосо-ма является фрагментом Х-хромосомы и в сравнении с другими хромосомами, которые составляют геном, ее размер крайне мал: настолько, что у некоторых самцов других видов она совсем исчезла из-за естественного отбора, что заставило многих ученых заподозрить, что и с нашим видом может произойти то же самое в очень далеком будущем.

К каким последствиям может привести исчезновение Y-хромосомы?

Не очень понятно. Дело в том, что непонятно даже, находится ли эта предельно важная для мужской фертильности хромосома под угрозой исчезновения. Недавнее исследование Калифорнийского университета в Беркли раскрыло секрет того, что же все-таки произошло с маленькой Y-хромосомой, состоящей всего из 27 генов, в ходе уже упомянутого естественного отбора: мало-помалу она избавлялась от менее важных, ненужных или неиспользуемых генов, чтобы остаться с теми, которые имеют значение и играют важную роль в организме. Так, согласно этому исследованию, отбор направлен не на избавление от лишнего, а на сохранение того, что действительно важно.

Рис. 2. Изображение хромосомы X и Y человека. Мужчины обладают набором X/Y, а женщины – Х/Х, но в этой паре одна из Х-хромосом эпигенетически неактивна. Обратите внимание на малый размер Y-хромосомы по сравнению с Х-хромосомой: считается, что Y-хромосома эволюционно происходит от Х-хромосомы

В любом случае у нас уже новая теоретическая проблема: то ли у женщин лишняя Х-хромосома, то ли мужчинам еще одной не хватает.

И чтобы справиться с этой проблемой, мудрая, но жестокая природа уже давно решила эту задачу, достав джокер из рукава. Да, вы угадали: эпигенетика!

Оказывается, что в паре Х-хромосом у женщин одна из них совершенно неактивна, поэтому она и не нужна мужчинам.

Некодирующая РНК

Эта дезактивация одной из Х-хромосом у женщин происходит на раннем этапе развития из-за двойного эпигенетического механизма: женская Х-хромосома, которая будет выключена, производит молекулы под названием некодирующие РНК (молекулы РНК, которые не содержат информацию для формирования белков) – они как магнит притягивают метилирование ДНК к этой хромосоме, замотанной как клубок ниток.

Аллели – два варианта, в которых представлен ген диплоидного организма. Человек имеет на каждый ген два аллеля, которые могут быть одинаковыми или различными.

Диплоид – организм, клетка или ядро, которые содержат 2 набора хромосом. Мы, люди, обладаем 46 хромосомами, 23 передались нам от отца и 23 – от матери.

Что касается секса, здесь кроется еще одно эпигенетическое различие между мужчинами и женщинами. И речь не о том, как именно они им занимаются на практике, а об отношении к физиологическим затратам беременности. Происходит то, что называется «битвой полов», но на уровне наших генов, поскольку мы говорим о битве, которая, как вы вскоре убедитесь, разгорается на уровне эпигенетики.

Получается, что человеческой самке, как и большинству других самок млекопитающих, с точки зрения организма энергетически выгоднее иметь мало детей и хорошо о них заботиться, а вот самцам лучше иметь больше детей и надеяться, что как-нибудь кто-нибудь из них выживет. Особенно сильно эта разница заметна в плаценте: в нашем организме каждый ген представлен в двух копиях (так называемых аллелях), одной от отца и другой от матери, и в большинстве тканей активированы обе копии, но в плаценте есть гены, которые демонстрируют активность только одной копии, материнской или отцовской. Этот феномен известен под названием геномного импринтинга, то есть процесса, во время которого мужские и женские половые клетки оставляют метку, или специальный след, на некоторых хромосомных участках. Другими словами, путем геномного импринтинга ген оказывается биохимически помечен специальным способом, который зависит от пола родителя. Материнские гены задерживают рост, а отцовские его стимулируют. Метилирование ДНК – судья, который решает, какой ген победит.

Геномный импринтинг – биологический процесс, при котором один из аллелей экспрессируется в зависимости от его происхождения – от матери или от отца.

Речь идет об одном очень интересном процессе, в котором участвуют некодирующие РНК (как те, о которых мы говорили в связи с Х-хромосомами), а изменения в этом процессе могут повлечь за собой серьезные проблемы со здоровьем, например синдром Ангельмана (обусловленное генетическими аномалиями заболевание, характеризующееся постоянным состоянием ложной радости, иногда со смехом, задержкой умственного развития, нарушением речи и координации движений) или синдром Прадера – Вилли (причиной которого является нарушение в хромосоме 15, что влечет за собой задержку роста и отклонения в интеллектуальном развитии, проблемы с поведением и медленное развитие психомоторики).

В обоих случаях эти синдромы вызваны в основном отсутствием фрагмента хромосомы. Эта потеря обычно происходит в течение мейоза из-за ошибок в кроссинговере. А что такое мейоз?

Сейчас объясним. Наши клетки имеют набор из «2п» хромосом (то есть набор из «п» хромосом от отца и другие «п» хромосом от матери). В процессе формирования гамет – яйцеклеток и сперматозоидов – количество хромосом 2п должно уменьшиться вдвое, чтобы, когда произойдет оплодотворение, то есть слияние двух клеток с количеством хромосом, равным п, у нас снова был набор из 2п хромосом. Это достигается благодаря мейозу, процессу деления собственно половых клеток, который сокращает количество хромосом в два раза, при этом происходит обмен последовательностями ДНК внутри каждой пары хромосом в процессе кроссинговера (рисунок 3). Благодаря этому увеличивается разнообразие вариаций генетической информации, которая передастся потомству, поскольку дети будут наследовать не те же самые хромосомы, а смесь хромосом родителей.

Любопытно, что в случае с синдромами Ангельмана и Прадера – Вилли наблюдается, что одно и то же отклонение в хромосомах (отсутствие фрагмента ql 1-q 13 15 хромосомы) приводит к различным патологиям в зависимости от того, отсутствует фрагмент материнской или отцовской хромосомы.

На этом участке хромосомы находятся важные гены, которые были импринтированы, то есть из двух аллелей каждого гена один был метилирован, а следовательно-выключен, а другой – активирован. Если быть точнее, ген, названный UBE3A, экспрессируется в материнской хромосоме, вто время как ген SNRPN экспрессируется только в отцовской хромосоме. Поэтому отсутствие гена UBE3A в хромосоме, унаследованной от матери, не может быть компенсировано отцовским аллелем, так как он будет метилирован (с последующим появлением синдрома Ангельмана), в то время как отсутствие гена SNRPN в хромосоме, унаследованной от отца, не может быть компенсировано материнским аллелем, поскольку он тоже будет метилирован и выключен (в этом случае разовьется синдром Прадера – Вилли).

Рис. 3. Процесс мейоза, начиная с которого формируются половые клетки (сперматозоиды и яйцеклетки): на основе одного генома в двух копиях возникают геномы в одной копии.

Когда они снова объединяются во время оплодотворения, мы получаем две обычные копии в потомстве

А сейчас повторим

Какие функции выполняют некодирующие РНК?

Некодирующие РНК содержат информацию, которая не используется для создания белков. Существует великое множество некодирующих РНК, и их функции различны. Например, они регулируют экспрессию генов (этим занимаются микроРНК и длинные некодирующие РНК), выключают участки хромосом (Xist или piPHK), участвуют в синтезе белка (транспортные РНК) и в так называемом сплайсинге, то есть вырезают из матричной (информационной) РНК не кодирующие белок участки и склеивают то, что осталось.

Может ли разница в хромосомах объяснить предрасположенность к различным болезням, которые чаще встречаются у женщин или у мужчин, или, наоборот, их отсутствие?

У человеческих существ пол определяется набором хромосом и обусловливается половыми различиями (половой диморфизм) между мужчинами и женщинами, с соответствующими изменениями на гормональном уровне, которые могут, например, повлиять на функционирование различных частей нашего организма. Один из таких случаев – заболевание под названием системная красная волчанка, которая в десять раз чаще встречается у женщин, чем у мужчин; это происходит, среди прочих причин, из-за влияния эстрогенов (женских гормонов).

Глава 8
Что заставляет молчать наших внутренних паразитов?

Мы не одиноки.

На протяжении веков люди поднимали взгляд на звезды, задаваясь вопросом, есть ли кто-нибудь еще на других планетах, кто бы нас понял, был бы с нами, вошел бы в нашу жизнь… На самом деле такое поведение – постоянный поиск чего-то еще – снова и снова определяет нашу историю, является частью нашей видовой специфики.

Но для того, чтобы ответить на вопрос, который человечество задает на протяжении тысячелетий, возможно, следовало бы обратить внимание на нас самих, нашу ДНК, вместо того чтобы всматриваться в небеса. Потому что наш геном – и это не предположение, а факт – населен миллионами существ: целой вселенной из последовательностей, которые берут начало из множества источников и которые мы приобрели в процессе эволюции.

Дело все в том, что мы испытываем непомерную гордость по поводу того, какие мы: не иначе как высокомерные и антропоцентричные представители вида Человек разумный, самые развитые существа, хозяева планеты Земля, короли мира. Но нам определенно не помешает знать, что большая часть нашего генома нам не принадлежит. Действительно, это будет лечение унижением, которое нам не повредит.

Что? Как такое может быть?

Очень просто, потому что наша ДНК кишит молекулярными паразитами, вирусными и псевдовирусными последовательностями, которые некогда встроились в наш генетический материал. При внимательном рассмотрении оказывается, что эти последовательности вовсе не дружелюбные, никаких полезных для человека намерений они тоже не выказывают, наоборот, как примерные пришельцы, явившиеся из другого мира, как идеальные ультратела родом из неизвестных мест, они просто ищут то же, что и все посетители нового мира: выжить и продержаться как можно дольше любыми способами. Хотя, если задуматься, в этом смысле они не так уж и отличаются от нас.

Но не будем отвлекаться и вернемся к этим любопытным (и даже немного загадочным) вирусным и псевдовирусным последовательностям. Если бы мы позволили им действовать на свое усмотрение, наш геном превратился бы в хаос: эти подвижные последовательности начали бы «прыгать» от одного участка хромосомы к другому и, опасные, как обезьяна с гранатой, подвергали бы нас двойному риску. Во-первых, потому что смогли бы прикрепляться посередине к нашим генам, делая их неактивными, а во-вторых, потому что эти эндопаразиты, активируясь, могут «унести с собой» фрагмент гена, становясь причиной потери его активности.

Поэтому важно, чтобы наши молекулярные паразиты были спокойными, не высовывались.