Расшифровка генома шимпанзе и его сравнение с человеческим геномом | Наука и техника | DW | 14.09.2005
  1. Inhalt
  2. Navigation
  3. Weitere Inhalte
  4. Metanavigation
  5. Suche
  6. Choose from 30 Languages

Наука и техника

Расшифровка генома шимпанзе и его сравнение с человеческим геномом

12.09.2005

Чтобы два самых авторитетных в мире научных журнала – британский «Nature» и американский «Science» – одновременно посвятили значительную часть своих очередных выпусков одной и той же теме, – такое случается крайне редко. А уж если случается, то свидетельствует о чрезвычайной важности этой темы. Так что публикация сразу 12-ти статей, посвящённых расшифровке генома шимпанзе и его сравнению с геномом человека, – событие, конечно, незаурядное.

Для реализации проекта по картированию и сравнительному анализу генома шимпанзе был создан международный консорциум. В него вошли 67 учёных из 23-х научных учреждений 5-ти стран – США, Израиля, Испании, Италии и Германии. Координировали работу генетики Гарвардского университета и Массачусетского технологического института в Бостоне. А кровь для анализа ДНК дал молодой самец шимпанзе по имени Клинт (Clint), обитатель одной из вольер Национального центра по изучению приматов имени Йеркиса в Атланте, штат Джорджия. К сожалению, в январе нынешнего года донор умер от острой сердечной недостаточности в самом расцвете сил, в возрасте 24-х лет. Его скелет находится теперь в экспозиции музея Филда в Чикаго. Однако самая главная ценность, доставшаяся человечеству в наследство от Клинта, – это порция его крови, послужившая исходным материалом для расшифровки и анализа генома шимпанзе. Теперь приматы пополнили перечень организмов, наследственный материал которых полностью картирован. Этот перечень насчитывает сегодня уже сотни позиций: тут и плесневые грибы, и бактерии, в том числе возбудители опасных инфекционных заболеваний (сибирской язвы, туляремии, чумы, тифа), и растения (рис, кофейное дерево), и насекомые (малярийный комар), и птицы (например, курица), и млекопитающие (мышь, крыса, собака, свинья, корова). Однако человекоподобные обезьяны занимают в этом перечне, конечно же, совершенно особое место. По словам Роберта Уотерстона (Robert Waterston), возглавляющего отдел геномных исследований Высшей медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле, «изучение шимпанзе как самого близкого из ныне живущих на Земле родственника человека может дать нам максимум информации о нас самих». Однако прежде чем перейти к обсуждению полученных учёными результатов, я позволю себе небольшое отступление – или, если хотите, напоминание, – чтобы было понятнее, о чём, собственно, речь.

Как известно, любой живой организм состоит из клеток, и в ядре каждой клетки имеется один и тот же свойственный данному биологическому виду набор генетической информации. Этот набор и именуется геномом. Носителем генетической информации являются хромосомы. Хромосома представляет собой молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты (сокращённо – ДНК) и состоит из двух длинных полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой и соединённых друг с другом так называемыми водородными связями. Эта молекула именуется двойной спиралью, её можно несколько упрощённо представить себе в виде скрученной верёвочной лестницы. Разным видам животных присуще разное количество хромосом. Так, человеческий геном состоит из 23 пар хромосом – в каждой паре одна хромосома происходит от отца, другая – от матери. У плодовой мушки – дрозофилы – в ядрах клеток содержится по 4 пары хромосом, а, например, бактерии имеют всего одну непарную хромосому. На хромосомах в строго определённых участках расположены гены – своего рода единицы наследственности. В химическом отношении гены состоят из молекул 4-х азотистых соединений – аденина, цитозина, гуанина и тимина. Эти так называемые нуклеотидные основания повторяются в строго определённом порядке, образуя пары «аденин – тимин» и «гуанин – цитозин». Один ген может содержать от нескольких тысяч до более чем двух миллионов нуклеотидных оснований. Именно их последовательностью и определяются специфические функции каждого конкретного гена.

Образно геном можно представить себе так: ядро клетки – это библиотека, в которой хранятся инструкции по обеспечению жизни; хромосомы играют роль книжных полок; на полках стоят книги – молекулы ДНК; гены – это главы внутри книг, а нуклеотидные основания – аденин, тимин, гуанин и цитозин, которые принято обозначать начальными буквами их названий А, Т, G и С, – это тот самый алфавит, которым записан текст генома. Геном человека, например, – это цепочка из 3-х миллиардов 200-т миллионов букв.

Но того, что гены есть и что они работают, ещё недостаточно: они должны работать по-разному, обеспечивая те или иные специфические функции. Ведь клетки разных органов и тканей – скажем, кожи, печени, сердца и головного мозга, – разительно отличаются друг от друга. Между тем, ядро каждой из них содержит один и тот же набор генов. Всё дело – в активности генов: в одних клетках работают одни гены, в других – другие. Так что хромосомы являются носителями не только генов, но и тех белковых факторов, которые контролируют их функции. Этот набор генов вместе с регулирующими элементами и составляет ту структуру внутри клетки, которая обеспечивает все необходимые функции.

Однако дело осложняется ещё и тем, что на хромосомах, помимо самих генов и контролирующих их элементов, имеются участки, вроде бы не несущие никакой информации и не выполняющие никакой функции. Собственно, в кодировании белков активно участвуют лишь 2-3 процента всего генома. Остальное – это не несущая кодирующих функций так называемая избыточная, «эгоистическая» или «паразитическая» ДНК, представляющая собой многократное – и, на первый взгляд, бессмысленное – повторение некоторых последовательностей всё тех же нуклеотидов А, Т, Г и Ц. Роль этих участков наследственного материала изучена пока слабо, но то, что это не «пустая порода», известно точно. Внутри этих вроде бы «бессмысленных» промежутков уже выделены участки с регулирующими функциями.

А теперь, вооружившись этими знаниями, давайте вернёмся к тем результатам, что были получены в ходе расшифровки генома шимпанзе. По вполне понятным причинам, наибольший интерес и у специалистов, и у широкой общественности вызывает каталог тех отличий в генетических кодах шимпанзе и человека, которые накопились за минувшие 6 с лишним миллионов лет, с тех пор, как эволюционные пути двух видов, имевших общего предка, разошлись. Сванте Пябо (Svante Pääbo), сотрудник Института эволюционной антропологии имени Макса Планка в Лейпциге и один из участников проекта, оценивает полученную базу данных так:

Она представляет собой чрезвычайно полезный инструмент, который поможет нам в поиске ответа на вопрос, какими генетическими мутациями объясняется разительное отличие человека как биологического вида от всех прочих видов животных. Одно из направлений этого поиска сводится к тому, чтобы попытаться выявить взаимосвязь между генетическими различиями и активностью тех или иных генов.

Прежде всего, следует отметить, что полученные данные удивили специалистов. Главная неожиданность заключается в том, что геном шимпанзе, как оказалось, совпадает с геномом человека на 98,8 процента. Грубо говоря, генетическое сходство между человеком и шимпанзе в 10 раз больше, чем между мышью и крысой. Дилетантов, скорее всего, поразит столь большое сходство, эта почти полная идентичность геномов, однако учёных удивило как раз обратное: то, что отличие оказалось всё же довольно значительным. Тем более, что эта цифра – совпадение на 98,8 процента – не в полной мере отражает положение дел. Она получается при сравнении отдельных букв генетического кода в кодирующей ДНК. Здесь учёные насчитали 35 миллионов расхождений, что и составило 1,2 процента от всего генома шимпанзе, который насчитывает около 3-х миллиардов 100 миллионов нуклеотидных пар. Но это далеко не всё: существенные различия были обнаружены и в распределении тех последовательностей нуклеотидных оснований, которые образуют некодирующую, «эгоистическую» ДНК. Эти несовпадения составили ещё 2,7 процента от всего генома, что дало в сумме уже почти 4 процента.

В общей сложности у шимпанзе не оказалось 53-х генов из тех, что имеются у человека. В частности, в геноме шимпанзе отсутствуют три гена, играющие ключевую роль в развитии воспалений, которые, как известно, являются причиной многих заболеваний человека. С другой стороны, человек, похоже, утратил в процессе эволюции ген, который предохраняет животных от болезни Альцгеймера.

Наиболее значительные отличия касаются генов, регулирующих иммунную систему. По мнению профессора Эвана Эйклера (Evan Eichler), сотрудника Высшей медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле, это свидетельствует о том, что в процессе эволюционного развития шимпанзе и человеку пришлось противостоять разным патогенам и бороться с разными болезнями. Сванте Пябо (Svante Pääbo) поясняет:

Прежде всего, мы задались вопросом, какие сегменты ДНК могут внести ясность в историю происхождения ряда болезней. Мы знаем, что некоторые генетические структуры, вызывающие то или иное заболевание, встречаются и у шимпанзе, и у человека. Видимо, эти структуры унаследованы обоими видами от их общего предка. Однако есть болезни, генетическая предрасположенность к которым возникла в процессе эволюции только у человека. В этих случаях сравнительный анализ ДНК даст нам ценную информацию о генетической природе таких заболеваний и о восприимчивости к ним человека как биологического вида.

Анализируя собранные данные, учёные произвели своего рода компьютерное наложение карты генома шимпанзе на карту генома человека, что позволило им выделить три категории так называемых ДНК-дупликаций – тех, что имеются в геноме человека, но отсутствуют в геноме шимпанзе, тех, что имеются в геноме шимпанзе, но отсутствуют в геноме человека, и тех, что имеются в геноме обоих видов. ДНК-дупликация – это одна из форм мутации, при которой участок хромосомы удваивается. В данном случае учитывались сегменты ДНК длиной не менее 20-ти тысяч нуклеотидных пар. Оказалось, что примерно треть ДНК-дупликаций, обнаруженных у человека, отсутствуют у шимпанзе. По словам Эйклера, эта цифра изрядно удивила генетиков, поскольку она свидетельствует об очень высокой частоте мутаций за короткий – по эволюционным меркам – промежуток времени. В то же время анализ ДНК-дупликаций, присущих только геному шимпанзе, показал, что хотя количество мест, где они встречаются, относительно невелико, зато количество копий дуплицированных сегментов намного превышает этот показатель у человека. Да и в тех случаях, когда ДНК-дупликация имеет место и у шимпанзе, и у человека, у шимпанзе она обычно представлена большим количеством копий. В частности, учёные обнаружили сегмент, который в геноме человека встречается 4 раза, а в геноме шимпанзе – 400 раз. Интересно то, что этот участок расположен вблизи того региона, который у шимпанзе и других больших обезьян разделён на 2 хромосомы, а у человека слит в одну – хромосому №2.

Впрочем, разительные отличия между обезьяной и человеком объясняются не столько разночтениями генетического кода, сколько различной активностью генов, – подчёркивает Сванте Пябо. Руководимая им группа исследователей изучила и сравнила активность 21 тысячи генов в клетках сердца, печени, почек, яичек и головного мозга обоих приматов. Оказалось, что полного совпадения активности генов нет ни в одном из этих органов, но различия распределены крайне неравномерно. Как это ни удивительно, наименьшие отличия учёные зарегистрировали в клетках головного мозга – они составили всего несколько процентов. А наибольшие отличия были обнаружены в яичках: здесь каждый третий ген обладает другой активностью. Впрочем, это вполне объяснимо, если иметь в виду, что шимпанзе не образуют моногамных семей, а живут группами, своего рода коммунами, насчитывающими 25-30 особей обоего пола. То есть «беспорядочные половые связи» у шимпанзе распространены значительно шире, чем у людей. Чтобы повысить свои шансы на продолжение рода в условиях промискуитета, самцы шимпанзе должны производить огромное количество спермы. Не случайно яички у них в десять раз крупнее, чем у мужчин «гомо сапиенс». Но дело, конечно, не только в размерах, – говорит Сванте Пябо:

Полученные нами данные свидетельствуют об очень высокой активности тех генов на Y-хромосоме, которые непосредственно отвечают за производство спермы.

И тому факту, что человек физически гораздо слабее шимпанзе, учёные нашли генетическое объяснение: у обезьян мускулатура работает в 5-7 раз эффективнее потому, что у всех представителей рода человеческого ген MYH16, кодирующий «миозин» – белок мышечных волокон – представлен мутированной копией.

Однако если сконцентрироваться на вопросе, в чём всё-таки состоит главное генетическое отличие человека как биологического вида от обезьяны и чем объясняется столь успешная экспансия человека в ходе эволюции, то ответ, видимо, следует искать в выделенных учёными 6-ти участках генома. В геноме человека эти участки, содержащие в общей сложности несколько сотен генов, столь стабильны, что практически идентичны у всех людей; в геноме шимпанзе они, напротив, часто содержат мутации. Видимо, считают учёные, эти участки играли чрезвычайно важную роль в процессе нашей эволюции. Примечательно, что на одном из этих участков расположен ген FOXP2 – один из 4-х генов, ответственных за развитие речи. Как показали эксперименты, в лабораторных условиях обезьяны способны усвоить довольно значительный набор знаков и символов; шимпанзе, живущие на воле, используют для коммуникации весьма богатый ассортимент звуков; однако они физически не в состоянии совершать губами и языком те движения, которые необходимы для артикулированной речи. Возможно, именно мутация гена FOXP2 и стала одним из ключевых факторов, определивших столь разную эволюционную судьбу разных видов приматов.

Впрочем, не следует забывать, что человек выделился среди прочих видов животных не только развитой речью. Но вот какие генетические структуры предопределили прямохождение и быстрый рост объёма головного мозга, которые и повлекли за собой всё остальное, будь то создание орудий труда или использование огня, – на этот счёт учёные пока даже гипотезы высказывать не рискуют.