Текст книги "Генетическая одиссея человека"
Автор книги: Спенсер Уэллс
Жанр:
Биология
сообщить о нарушении
Текущая страница: 5 (всего у книги 21 страниц) [доступный отрывок для чтения: 8 страниц]
3
Супруг Евы
В предыдущей главе мы познакомились с Евой – женским предком всех ныне живущих людей, которая жила 150 000 лет назад. Беря за основу популяции, у которых сохранились не вызывающие сомнения генетические сигналы от нашей далекой бабушки, мы начинаем поиск местоположения Эдема. Но прежде чем мы двинемся дальше, необходимо пояснить, в чем заключается уникальность Евы. Она представляет собой корень митохондриального генеалогического дерева, вследствие чего все живущие на Земле имеют общую историю по материнской линии. Однако это не означает, что все части нашей ДНК поведают нам одно и то же. Вследствие половой рекомбинации наш геном состоит из большого числа блоков, каждый из которых эволюционировал чаще всего независимо от других. Возможно, один участок ДНК берет свое начало в Индонезии, тогда как другой начал свое странствие в Мексике. Действительно ли линия Евы единственная, подходящая для выяснения маршрута путешествия нашего вида за пределы Африки?
Ответ таков: остальная часть нашего генома демонстрирует то же, что и мтДНК, хотя и имеет меньшую разрешающую способность. Результаты исследования полиморфизма гена, кодирующего бета-глобин (компонент крови, переносящий кислород), гена CD4 (который кодирует белок-регулятор иммунной системы) и одного из участков 21-й хромосомы показывают, что африканские популяции гораздо более разнообразны, чем популяции, проживающие за пределами Африки, и свидетельствуют о том, что возраст нашего общего африканского предка существенно меньше 2 млн лет. Но проблема при использовании подобных маркеров (кодируемых 22 парами хромосом, составляющих основную часть нашего генома) состоит в том, что заключенная в них информация со временем перетасовывается. Чем дальше друг от друга находятся полиморфизмы, тем больше вероятность того, что они перетасованы. А так как перетасовка скрывает исторические сигналы, большая часть нашего генома не очень-то пригодна для отслеживания человеческих миграций.
Однако существует одна разновидность ДНК, которая, как недавно выяснилось, служит бесценным инструментом для получения информации о человеческой истории. Она дала нам гораздо больше данных, чем мы когда-либо рассчитывали иметь о том, какими дорогами странствовали наши предки. Это мужской эквивалент мтДНК, передающийся только от отца к сыну. По этой причине он характеризует исключительно мужскую линию и является аналогом мтДНК, характеризующей женскую линию человечества. Это patrimoine [14]14
Наследство по линии отца. – Прим. пер.
[Закрыть]нашей прованской деревни, и подробности исчезновения рецепта супа или увеличения его вариантов применимы и к этой части ДНК. Это Y-хромосома.
«Погодите минутку, – скажете вы, – а что делать со всей этой тарабарщиной о материнской и отцовской линии? Я думал, что сама идея полового размножения заключалась в смешивании при зачатии ребенка материнского и отцовского геномов в соотношении 50:50. Зачем нам эти странности, нарушающие правила?» Что касается митохондриальной ДНК, ответ прост: на самом деле она не то, что мы понимаем под геномом человека, а представляет собой эволюционный след того времени, когда она, митохондрия, была бактерией-паразитом (или бактерией-симбионтом), живущим в неродственных клетках. История же с Y-хромосомой немного сложнее.
Одна из странных особенностей полового размножения заключается в том, что хромосомы, определяющие наш пол – так называемые половые хромосомы – исключение из правила полового смешивания в соотношении 50:50. Принцип двойного набора наших геномов, когда каждая хромосома имеет две копии, нарушается, когда мы добираемся до этих хромосом. Это следствие способа, которым детерминируется пол у большинства животных, а именно – с помощью несоответствующих друг другу половых хромосом. В случае млекопитающих несоответствие половых хромосом характерно для самца, у которого одна X– и одна Y-хромосома. У самок Х-хромосома присутствует в двух экземплярах, как и другие хромосомы, что делает возможной нормальную рекомбинацию. А у мужчин Y-хромосома соответствует Х-хромосоме только в коротких участках на концах, которые служат для правильного расположения половых хромосом во время деления клетки. Остальная часть Y-хромосомы, известная как нерекомбинирующая часть, почти полностью не имеет соответствия в Х-хромосоме. Таким образом, Y-хромосома не имеет парной хромосомы, с которой могла бы рекомбинировать, и действительно не делает этого. Она передается без перетасовки от одного поколения к другому, так же, как и митохондриальная ДНК.
Для популяционных генетиков Y-хромосома стала весьма полезным инструментом в изучении человеческого разнообразия. Одна из причин заключается в том, что в отличие от мтДНК, имеющей длину приблизительно 16 000 нуклеотидов, размер Y-хромосомы огромен – около 50 млн нуклеотидов. Поэтому она имеет очень много участков, в которых в прошлом могли произойти мутации. Как мы видели в предыдущей главе, большее количество полиморфных участков дают нам лучшее разрешение. Если бы у нас был в распоряжении только полиморфизм Ландштейнера по группе крови, все мы были бы разделены на четыре категории: А, В, АВ и О. Иными словами, панорама возможных полиморфизмов для Y-хромосомы гораздо обширнее. И что очень важно, из-за отсутствия рекомбинации мы можем сделать вывод о том порядке, в котором на Y-хромосоме возникли мутации, как и в случае мтДНК. Без этой особенности мы не могли бы использовать методы Цукеркандля и Полинга для установления родословной, и «бритва Оккама» не смогла бы помочь нам в установлении наших предков.
Как Y-хромосоме удается существовать без рекомбинации? Разве это не противоречит идее о том, что мы должны создать разнообразие, чтобы в случае необходимости реагировать на изменения окружающей среды? Вкратце ответ таков: отсутствие рекомбинации почти наверняка имеет отрицательные эволюционные последствия и является одной из причин малого количества функциональных генов, найденных в Y-хромосоме. Количество активных генов значительно варьирует в различных частях генома. В митохондрии, например, их тридцать семь. Общее число генов в ядерном геноме около 30 000, в среднем примерно 1500 на каждую хромосому. Большинство из тысяч генов, которые могли быть обнаружены у бактериальных предков митохондрий, было утрачено за последние несколько сотен миллионов лет, когда митохондрии стали вести паразитический образ жизни, отказавшись от независимости ради комфортной жизни внутри другой клетки. Некоторые из этих генов фактически встроены в ядерную ДНК, что ставит нас в странное положение: получается, что в нашем геноме имеются фрагменты, унаследованные от бактерий. Таким образом, в случае митохондриальной ДНК дело выглядит так, словно на нее оказывалось давление для того, чтобы она потеряла свои гены, перенеся важнейшие из них в ядро, где рекомбинация может держать их в форме для эволюционного забега.
Мы видим ту же схему утраты генов и в Y-хромосоме. Хотя в среднем человеческая хромосома имеет примерно 1500 активных генов, в Y-хромосоме был найден только двадцать один ген. Некоторые из них находятся в нескольких тандемных копиях – как если бы копировальный аппарат стало заедать, что в определенный момент в прошлом привело к дублированию гена. Такие сдвоенные гены рассматриваются как один. Любопытно, что каждый из двадцати одного гена Y-хромосомы участвует в создании своего рода «мужественности». В частности ген, известный под названием SRY (Sex-determining Region of the Y, – «участок Y-хромосомы, обусловливающий пол»), служит главным переключателем при создании мужчины из недифференцированного эмбриона. Остальные имеют вторичные функции, заставляющие мужчин выглядеть (и действовать), как положено мужчинам. Однако большая часть ДНК, составляющая Y-хромосому, лишена какой-либо явной функции. Это так называемая «мусорная ДНК»: она передается от одного поколения к другому, не неся никакой практической пользы. Но хотя она, возможно, и биологический мусор, для популяционных генетиков это золотая жила.
Как мы видели ранее, человеческое разнообразие можно изучать, рассматривая только различия. Язык популяционной генетики записан в полиморфизмах, носителями которых являемся все мы. Эти различия определяют уникальность каждого из нас: если у вас нет близнеца, то никакой другой человек в мире не имеет такого же типа генетических полиморфизмов. Тип полиморфизмов представляет собой «отпечатки пальцев» на уровне ДНК (ДНК-фингерпринт), используемые, например, для идентификации преступников. Применительно к Y-хромосоме он позволяет проследить прошлое мужской линии человеческого рода, от сына к отцу, к деду и так далее. В конце концов, он позволяет нам путешествовать назад во времени, от ДНК любого живущего сегодня мужчины к нашему первому мужскому предку – Y-хромосомному Адаму. Но как ДНК-фингерпринт связывает между собой неродственных друг другу мужчин в региональные типы? Действительно ли каждый мужчина может проследить свою собственную уникальную линию Y-хромосомы до такого вот генетического Адама?
Ответ на этот вопрос – нет, все не так просто. Дело в том, что мы не так уж неродственны друг другу, как думаем. Представьте себе ситуацию, характерную для большей части нашего генома – участков ДНК, которые не передались нам исключительно от матери или только от отца. Поскольку мы наследуем половину ДНК от каждого из родителей, структура ее полиморфизмов может быть использована для установления отцовства, так как она связывает нас и с нашей матерью, и с нашим отцом. Если в суде будет доказано, что моя ДНК на 50 % соответствует ДНК ребенка, которого я никогда не видел, то вполне вероятно, что придется многие годы платить алименты на этого ребенка – вероятность того, что это совпадение случайно, чрезвычайно мала. Таким образом, полиморфизмы идентифицируют и нас, и наших родителей как часть уникальной генеалогической ветви. Любая другая генеалогическая ветвь проживет свою историю, и значит, приобретет иной набор полиморфизмов.
Но углубляясь в прошлое и начиная думать о своих бабушках и дедушках, а потом их бабушках и дедушках и так далее, мы теряем часть этого сигнала в каждом поколении. Я на 50 % соответствую своему отцу, но только на 25 % – деду, и лишь на 6 % – его деду. Это происходит потому, что, перемещаясь назад по времени, мы приобретаем новых предков в каждом поколении, и они начинают накапливаться довольно быстро. У каждого из моих родителей было двое родителей, и у каждого из них – двое родителей, и так далее. Генетик Кеннет Кидд из Йельского университета указал на то, что если число наших предков удваивается в каждом пропоколении (примерно каждые двадцать пять лет), то обернувшись на 500 лет назад, каждый из нас увидит более миллиона своих предков. Если мы вернемся к моменту вторжения в Англию норманнов, произошедшее около тысячи лет назад, наш расчет покажет, что мы должны были иметь более 1 трлн (1 000 000 000 000) предков – гораздо больше, чем общее число людей, существовавших в целом в истории человечества. Так в чем же дело? Ошибка в наших расчетах?
И да, и нет. С математикой тут, безусловно, все правильно – мощь экспоненциального роста была известна, по крайней мере, со времен древних греков, и все мы знакомы с выражением «размножаются, как кролики». Ошибка не в вычислениях, а в предположении, что все люди из нашей родословной были не родственны друг другу. Очевидно, что это не так, иначе мы не могли бы проводить количественную оценку. Здесь имеет место эффект умножения на число, меньше двух в каждом поколении – в действительности для большинства людей это число довольно близко к единице. И причину тому можно обнаружить, понаблюдав за птицами.
Вода, вода везде…
Сэмюэль Тэйлор Кольридж, поэт-романтик, неудавшийся классицист и любитель опиума, 1797–1798 годы провел в маленькой деревне Дорсет. В промежутках между бодрыми прогулками по холмам и длительными дискуссиями со своим соседом, Уильямом Вордсвортом, у Кольриджа случались приступы литературной активности, которые привели к созданию двух великих произведений: «Кубла хан» и «Поэма о старом моряке». Первое из них – созданное им в полубессознательном состоянии опиумной грезы, чтобы лучше вообразить себе «величественный храм удовольствия», выдающееся по своей образности литературное творение. Второе произведение, написанное в более трезвый период его жизни, повествует о злоключениях корабля в Южных морях. В этом стихотворении моряк убивает альбатроса, тем самым грубо нарушив один из неписаных морских законов, и весь экипаж вынужден страдать от последствий. Все заканчивается штилем под палящим солнцем, корабль окружен гниющим морем: «вода, вода везде, и нет ни капли для питья». Моряк выжил в этом испытании, но команде не так повезло, она стала жертвой корабля Смерти. В качестве епитимьи моряк проводит остаток жизни бродягой в проповедях об опасностях разрушения окружающей среды.
Через всю «Поэму о старом моряке» проходит образ альбатроса – символа удачи. Но почему считается, что эта птица приносит удачу? В общем-то, в результате неправильной интерпретации. Моряки проводили многие недели в море, не видя земли и мечтая о возвращении в порт. Часто одним из первых признаков того, что они скоро достигнут суши, были птицы. Они, подобно увиденному Ноем голубю с веткой оливы, указывали на то, что близко должна быть земля. Альбатрос, одна из самых крупных птиц на планете (размах крыльев некоторых особей составляет более 3,5 метра), был главным признаком близости суши. Вот только загвоздка в том, что альбатрос – это единственная птица, проводящая большую часть своей жизни в море. Некоторые из этих птиц более двух лет проводят в странствиях над открытым океаном, пролетая тысячи километров, и даже спят в полете. Таким образом, сочтя, что видят Ноева голубя, моряки в действительности были жестоко обмануты этим странствующим гигантом.
Если вы проводите жизнь, летая над океаном, будучи представителем наземного вида, пусть даже такого приспособленного к полету, как альбатрос, ваша проблема в том, что все равно придется возвращаться на землю, чтобы оставить потомство. Альбатрос нашел характерное только для него решение этой проблемы, представляющее собой удивительный факт из жизни животных. Несмотря на странствующий образ жизни, и ее продолжительность более пятидесяти лет, альбатрос всегда возвращается на один и тот же остров для спаривания. Он выбирает себе пару на всю жизнь, и его партнер тоже возвращается на тот же остров, где, встретившись, они выводят одного птенца, деля родительские обязанности поровну. Через несколько месяцев, когда юный альбатрос готов к самостоятельной жизни, его родители, попрощавшись и отметив в своих ежедневниках дату следующей встречи, направляются обратно в море.
Эволюционные последствия неизменного возвращения на один и тот же остров состоят в том, что это не только способствует видообразованию на островах – со временем на каждом острове образуются свои виды альбатросов, – но и приводит к однородности популяции птиц, гнездящихся на каждом конкретном острове. Когда молодые альбатросы, повзрослев, в первый раз собираются на острове, где они родились, самцы исполняют ритуальный брачный танец, чтобы произвести впечатление на самок. А те выбирают себе партнера, не обращая внимания на то, с какой части острова он родом. Если вы, будучи альбатросом, прилетели на остров в нужное время (естественный отбор в данном случае не благосклонен к запоздавшим), есть шанс, что вам повезет.
Такие виды, как альбатрос, называются панмиктическими. Это означает, что каждый индивидуум имеет возможность спариваться с любым другим индивидуумом своего вида. Хотя альбатрос в течение своей жизни может летать над значительной частью мирового океана, он нигде, кроме своего родного острова, не пускает корни. У людей все не так. Если мы куда-то переезжаем, то стремимся вступать в брак с человеком, живущим в этом новом месте. Если мы на карте обозначим места рождения супругов, то увидим, что до недавнего времени – последние лет сто или около того – расстояние между ними было довольно небольшим. Моя жена и я родились настолько далеко друг от друга, насколько можно себе представить – в Атланте, штат Джорджия и в Гонконге. Несколько поколений назад это было бы неслыханным. В то время она закончила бы свои дни с кем-либо, живущим на Коулуне или Мид-Левелсе [15]15
Районы Гонконга. – Прим. пер.
[Закрыть], а я бы женился на красавице из какого-нибудь южного штата.
Обычай сочетаться браком по месту жительства приводит к тому, что люди, живущие в одном и том же месте, со временем становятся все более похожими друг на друга и все более отличающимися от жителей окрестностей. Если бы вы встретили своего троюродного кузена или кузину, распознали бы вы в этом человеке родственника? А если бы не распознали, понравились друг другу и родили ребенка, что было бы? Тогда ваши сын или дочь имели бы родителей, чьи геномы имели бы часть общих генов. И генетика совершенно справедливо объявила бы, что у вашего потомка чуть меньше двух родителей, она имела бы в виду двух несвязанных или неродственных родителей… Это означает, что множитель в нашем расчете количества предков был бы меньше двух, и это дает нам разгадку нашей математической загадки. Поскольку исторически сложилось так, что чаще всего люди выбирали себе супругов среди соседей, они неизбежно коротали свой век с родственниками, хотя и дальними. В результате люди, живущие в одном и том же регионе, достаточно похожи друг на друга.
И конечно, в некоторых регионах степень родства между людьми достаточно высока, так как браки с двоюродными братьями и сестрами довольно распространены. Но даже если степень родства невысока, со временем небольшая степень инбридинга, имевшая место во всех традиционных обществах, приводит к частоте полиморфизмов, характерной именно для данного региона. Таким образом, подобно тому, как по уникальному характеру ваших полиморфизмов можно установить ваших родителей, так и целые народы несут генетический сигнал о своем географическом происхождении. Эти сигналы, которые мы, как популяционные генетики, изучаем, являются отражением не только видового единства наших общих предков, генетических Адама и Евы, но и признаком «региональных общностей», из которых, подобно лоскутному одеялу, состоит современное человечество. Как мы увидели из результатов исследований Дика Левонтина, эти сигналы довольно слабы, но они есть. Весь фокус в том, чтобы найти полиморфизмы, которые объединяют нас в региональные группы, а для этого нам нужно провести немного больше времени в лаборатории.
…ни капли для питья
Поняв, что дивергирующие молекулы могут служить эволюционными часами, позволяющими взглянуть в прошлое и увидеть нашего общего предка, Цукеркандль и Полинг дали нам ключ к разгадке данных о митохондриальной ДНК и помогли сделать выводы относительно Евы. А поскольку Y-хромосома тоже свободна от рекомбинации, это же относится и к ней. Следуя путем, заданным полиморфизмами Y-хромосомы, мы можем легко и быстро добраться и до Адама, и все, что для этого нам нужно – полиморфизмы. И здесь Y-хромосома имеет козырь, потому что до недавнего времени казалось, что полиморфизмов у нее не так уж много.
В 1994 году Роб Дорит, Хироси Акаси и Уолтер Гилберт (тот самый человек, который в 1970-х годах создал метод секвенирования ДНК) в престижном научном журнале Scienceопубликовали необычную статью. Странность состояла не в том, что они обнаружили, а в том, чего не нашли. Статья под названием «Отсутствие полиморфизма в локусе ZFY человеческой Y-хромосомы» описывала результаты проведенного в рамках целенаправленного поиска полиморфизмов на конкретном участке Y-хромосомы тридцати восьми мужчин из разных стран мира. Хотя несколько полиморфизмов Y-хромосомы и было установлено – впервые их открыли Мириам Касанова и Жерар Люкотт в 1985 году независимо друг от друга, – их было гораздо меньше, чем в любой другой хромосоме. Удивительным результатом исследования Дорит и его коллег было то, что в изученном участке Y-хромосом не было найдено никаких различий. Не было обнаружено ни одного изменения в последовательности ДНК, что подразумевает, будто все мужчины произошли от общего предка совсем недавно. Но поскольку не было обнаружено изменений, нельзя было и сказать, когда именно он жил. Было похоже на то, что все эти мужчины имели одного отца – этакого Казанову, который сеял свое семя по всему миру. Однако из-за относительно небольшого размера изученного фрагмента ДНК – около 700 нуклеотидов – и небольшого числа исследованных мужчин, была вероятность, что ученым просто не повезло, и они выбрали участок ДНК, в котором эти конкретные Y-хромосомы не менялись. По этой причине оценка времени жизни ближайшего общего предка мужчин – иными словами, Y-хромосомного Адама – была между 0 и 800 000 лет назад. Это не дало ничего нового для понимания происхождения и миграции человека, но послужило сдерживающим фактором для исследователей, которые хотели изучать популяционную генетику по Y-хромосоме.
Вскоре все же было открыто несколько полиморфизмов, и Майкл Хаммер из Университета Аризоны смог обнаружить достаточное количество различий, чтобы сделать вывод о том, что Адам жил 200 000 лет назад в Африке. Это подтвердило результаты, полученные по митохондриальной ДНК, и подготовило почву для свидания наших предков в велде [16]16
Велд (от нидерл. veld – поле) – засушливые плато в Южной Африке. – Прим. пер.
[Закрыть]. Однако общее количество информативных полиморфизмов Y-хромосомы было еще совсем мало. Настало время для расширения масштабов поиска разнообразия, и снова район залива Сан-Франциско в Калифорнии становится подходящим местом.
