На протяжении многих веков учёные умы стремились понять, как возникло огромное разнообразие видов на нашей планете. С середины XX столетия стало известно, что информация о физических чертах от характера кожного покрова до размера мозга находится в ДНК. Тем не менее до недавнего времени было невозможно точно установить, какие именно изменения в нуклеотидных последовательностей ДНК ответственны за придание живым организмам их уникального внешнего вида.
Биологи занимаются расшифровкой ДНК, чтобы найти чертежи, которые отличают различные виды насекомых, рыб или птиц друг от друга, и нас, людей, от шимпанзе. И это привело к кардинальному изменению точки зрения в научном сообществе. Большую часть последних 50 лет исследователи уделяли основное внимание генам – нуклеотидным последовательностям в ДНК, которые кодируют аминокислотные цепи, образующие белки. Но, к удивлению, оказалось, что очень разные животные обладают очень похожими наборами генов. При этом в ДНК обнаружили генетические переключатели, не кодирующие белков, но регулирующие, где и когда используются гены. Изменения в этих переключателях имеют решающее значение для формирования уникальной морфологии видов и позволяют по-новому взглянуть на то, как эволюционировали кажущиеся бесконечными формы живой материи.
Долгое время учёные, безусловно, ожидали, что анатомические отличия между животными найдут отражение в содержимом их генотипов. Однако, когда сравниваются геномы млекопитающих – мышей, крыс, собак, людей и обезьян, мы замечаем, что их каталоги генов на удивление похожи. Определённое число генов в геноме каждого организма и взаимное расположение многих из них с завидным постоянством поддерживались на протяжении сотни миллионов лет эволюции. Это не значит, что нет различий в количестве и местоположении генов, но, на первый взгляд, в этих генетических файлах ничто не указывает конкретно на «мышь», «собаку» или «человека». Например, сравнивая геномы мыши и человека, биологи могут идентифицировать мышиный аналог по крайней мере для 99% всех наших генов.
Когда биологи проводят детальное изучение отдельных генов, они также обнаруживают сходство между видами. Последовательности ДНК любых двух версий гена, а также кодируемые ими белки, как правило, схожи до такой степени, что просто отражают время, прошедшее с момента, когда два вида разделились в процессе эволюции. И такое сохранение кодирующих последовательностей на протяжении весьма длительного периода времени весьма озадачивает.
Только небольшая часть всех генов – менее 10% – участвуют в формировании организма в процессе его развития от двух слившихся половых клеток до взрослой особи. Другие 90% – работают для решения повседневных метаболических задач клеток. Анатомические отличия между животными – разница в размере, форме, количестве или цвете частей тела – должны каким-то образом включать гены для построения тела.
Например, большая часть наших белков отличаются от таковых у шимпанзе лишь одной или двумя из сотен аминокислот, входящих в каждый белок, 29% которых абсолютно идентичны по последовательности. Как мы объясняем это несоответствие между эволюцией на двух уровнях – белков и анатомии? Где-то во всей этой ДНК должны быть значимые различия, которые эволюционировали.
У людей участки ДНК, кодирующие белки, составляют всего около 1,5% генома – гены похожи на маленькие островки информации в огромном океане последовательностей ДНК. Большая часть ДНК не кодирует белки и учёные до сих пор не знают её функции. Однако некоторые из этих последовательностей играют очень важную роль – они регулируют экспрессию генов. И именно эти участки являются ключом к эволюции.
Экспрессия гена обеспечивает транскрипцию ДНК в версию матричной (информационной) РНК (мРНК), а затем и трансляцию этой мРНК – синтез белка. Экспрессия большинства генов регулируется именно на уровне транскрипции. Клеткам нецелесообразно тратить энергию на выработку мРНК и синтез белков, которые им не требуются. Таким образом, многие гены экспрессируются только специфичным для органа или типа клетки образом. Определённые некодирующие последовательности ДНК решают когда и где это происходит. Эти компоненты генетических переключателей, включающие или выключающие гены в нужное время и в нужном месте в организме называются энхансерами. ДНК-связывающие специфичные белки – факторы транскрипции, распознают необходимые последовательности ДНК. Связывание факторов транскрипции с энхансером определяет, включены или выключены переключатель и ген в конкретной клетке.
Учёные считают, что каждый ген имеет по крайней мере один усилитель. Энхансеры могут располагаться по обе стороны от гена или в пределах некодирующего участка внутри гена, и даже находиться на расстоянии нескольких тысяч нуклеотидов от регулируемого гена. И что крайне важно, некоторые гены имеют множество отдельных усилителей. Это особенно верно для генов, кодирующих белки, которые формируют анатомические структуры. Каждый энхансер независимо регулирует экспрессию гена в разные периоды жизненного цикла организма и в разных частях тела, так что полная экспрессия гена представляет собой лоскутное одеяло из множества независимо контролируемых участков экспрессии. Энхансеры позволяют использовать один и тот же ген много раз в разных амплуа и, таким образом, значительно расширяют функциональную универсальность отдельных генов.
Один из наиболее ярких примеров недавней эволюции человека представляет собой адаптацию путём избирательной потери экспрессии генов в среде, где малярия является эндемичной. В дополнение к хорошо знакомым группам крови A, B и 0 изучены и другие, так называемые второстепенные группы крови. Статус белка под названием Duffy, присутствующего на поверхности красных кровяных телец, определяет один из этих типов. Белок Duffy является частью рецептора, который используется вызывающим малярию паразитом, Plasmodium vivax, для заражения эритроцитов, но в Западной Африке этот белок отсутствует в клетках крови почти у 100% населения, что делает людей устойчивыми к инфекции. Ген Duffy также экспрессируется в нескольких других тканях организма, включая клетки селезёнки, почек и головного мозга. В африканской популяции экспрессия Duffy в этих других тканях сохраняется. Неудивительно, что Duffy-отрицательные особи являются носителями мутации в усилителе гена Duffy, которая отключает сайт связывания фактора транскрипции, активирующего экспрессию Duffy в предшественниках эритроцитов, но не оказывающего влияния на выработку Duffy в других частях организма.
Грегори А. Рэй из Университета Дьюка и его сотрудники выявили другие аспекты биологии человека, которые эволюционировали в результате мутаций энхансеров в различных генах человека. Одна из самых интригующих ассоциаций, выявленных на сегодняшний день, связана с расхождением регуляторных последовательностей человекообразных обезьян и человека, контролирующих ген продинорфина, который кодирует набор небольших опиоидных белков, вырабатываемых в мозге и участвующих в восприятии, поведении и памяти.
Продинорфин – это предшественник ряда нейропептидов, которые отвечают за регуляцию эмоционального статуса, оказывающих влияние на поведение и формирование социальных связей и даже на способности к обучению и запоминанию.
Человеческий ген более активно экспрессируется в ответ на стимулы, чем версия шимпанзе, и убедительные доказательства свидетельствуют о том, что регуляторная последовательность человека эволюционировала в результате естественного отбора, то есть она была сохранена, потому что это было выгодно. Как показывают данные примеры, мутации в регуляторной ДНК, несомненно, сыграли роль в эволюции человека, и регуляторные вариации также могут быть важным источником физических различий и различий в состоянии здоровья между индивидуумами.
Исследования эволюции регулирующих генов только начинаются. И сотни тысяч генетических переключателей в геномах ещё предстоит обнаружить и исследовать. Однако биологи уже изучают новые принципы, которые имеют прогностическую ценность для будущих исследований: эволюционные изменения в анатомии, особенно те, которые связаны с плейотропными генами, с большей вероятностью произойдут через изменения в усилителях генов, чем в самих генах.
Этот феномен также показывает, насколько у очень разных групп животных могут быть общие, если не все, гены, участвующие в формировании структуры тела – вопреки первоначальным ожиданиям учёных.
Вопрос заключается в том, как и когда используются гены, которые формируют многообразие столь различных форм животного царства. Если мы действительно хотим понять, что отличает человеческую форму от других обезьян или, что отличает слона от мыши, то большая часть этой информации содержится не в наших соответствующих генах и белках, а в совершенно другой области наших геномов, которую ещё предстоит изучить.
Лапы рептилий и млекопитающих, а потом и руки, и ноги человека в процессе эволюции развились из плавников рыб. Однако сам механизм этого процесса оставался загадкой до настоящего времени. Учёные заметили, что активность определённой группы генов была выше у мышей, чем у рыб. Им удалось простимулировать их работу и обнаружили, что костная ткань в плавниках начала развиваться активнее. В результате очертания плавников изменились и стали более близкими к форме лап.
Однако краеугольным камнем в биологии остаётся вопрос о том как происходят и закрепляются полезные изменения (мутации) и как организм защищает себя от мутаций вредных. Другими словами, существует ли регуляция мутагенеза, ибо если допустить, что этот процесс неконтролируем и носит случайный характер, то, после расчёта вероятностей станет понятным, что и сотен миллионов лет эволюции не хватит для возникновения такого многообразия видов на планете. И то, что мутации не являются случайными доказывает наблюдение за придорожным сорняком, растением Arabidopsis thaliana. Учёные обнаружили, что этот организм предотвращает внесения изменений в важные для него гены, но при этом другие участки генома оставляет «открытыми» для мутаций. Некоторые бактерии используют CRISPR-кассеты в своей ДНК для занесения в свой геном изменений, позволяющих им защищаться от бактериофагов – поражающих их вирусов.
Другие материалы по теме «Современные дискутабельные вопросы биологии»:
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов, и теперь статьи канала Intellectus увидят только его подпиcчики. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.
