Следы естественного отбора в человеческом геноме

Повторы блоков и ДНК, и SNP — два типа ДНК-маркеров, используемых для описанных выше исследований; по большей части они располагаются за пределами генов и на физические характеристики человека влияют незначительно или не влияют вовсе. Такие вариации генетики называют нейтральными — это означает, что они игнорируются естественным отбором. Тогда что же делает человеческие популяции отличными друг от друга?

Естественный отбор — основной источник различий, особенно в крупных сообществах. В небольших группах значительное влияние может оказывать генетический дрейф — передача аллелей следующему поколению случайным образом. Но в долгосрочной перспективе главной формирующей силой является естественный отбор, зачастую совместно с дрейфом. С появлением быстрых методов секвенирования генома генетики наконец–то начали выявлять следы, оставленные отбором при перекраивании человеческого генома. Эти отпечатки имеют относительно современный характер и отличаются у разных рас.

Региональный характер отбора впервые стал очевидным после полногеномного сканирования, проведенного в 2006 г. Джонатаном Притчардом, популяционным генетиком из Чикагского университета. Он искал гены, подвергавшиеся естественному отбору у трех основных рас: африканцев, восточных азиатов и европейцев (или, точнее, у представителей кавказской расы, но генетика европейцев в настоящий момент исследована намного лучше, поэтому обычно изучаются европейские популяции). По каждой расе было собрано множество генетических данных в рамках проекта HapMap13, предпринятого Национальными институтами здоровья США для исследования генетической основы распространенных заболеваний. Для каждой расы Притчард обнаружил около 200 геномных областей, демонстрирующих характерные признаки того, что они находились под давлением отбора (206 у африканцев, 185 у восточных азиатов и 188 у европейцев). Но в каждой расе отбору подвергались весьма различные генные блоки — совпадения были совсем незначительными [12].

О действии естественного отбора на ген свидетельствует то, что в популяции растет процент носителей аллеля, которому отбор благоприятствует. Но, хотя аллели, подверженные отбору, становятся более распространенными, они редко достигают 100%?ной частоты, вытесняя все прочие аллели гена. Если бы в пределах расы такое происходило часто, то расы можно было бы отличить одну от другой по имеющимся у них аллелям, но чаще всего дело обстоит иначе. На практике с ростом частоты аллеля интенсивность отбора обычно ослабевает, поскольку нужный признак уже фактически приобретен.

У генетиков есть несколько тестов для проверки, являлся ли какой–либо ген в недавнем прошлом мишенью естественного отбора. Многие из них, включая тест, разработанный Притчардом, основываются на том факте, что по мере распространения поддерживаемого отбором аллеля какого–либо гена в популяции генетическое разнообразие на участке самого гена и в его окружении уменьшается в популяции в целом. Это происходит потому, что увеличивается число людей, имеющих теперь одинаковую последовательность блоков ДНК на данном участке — ту, которой благоприятствует отбор. И результатом такого «выметания»14 становится то, что у членов популяции различия в ДНК на затронутом данным процессом участке генома уменьшаются. Концепция использования «выметаний» как следов естественного отбора рассматривается ниже.

Другие исследователи, сканируя геном в поисках следов естественного отбора, также обнаружили, что у каждой основной расы или континентальной популяции есть собственные характерные наборы генных участков, в которых происходил отбор.

Эти участки действия естественного отбора, как правило, очень велики и состоят из многих генов, и потому сложно или невозможно определить, какой именно ген был мишенью отбора. С помощью нового подхода, в котором используется множество полных геномов, расшифрованных к настоящему времени, Пардис Сабети из Гарварда вместе с коллегами определили 412 геномных областей, подвергавшихся действию отбора у африканцев, европейцев и восточных азиатов. Эти участки настолько малы, что большинство из них содержит один ген или ни одного. На участках, не содержащих генов, по–видимому, присутствует регулятор, то есть последовательность ДНК, контролирующая какой–либо соседний ген [13].

Из 412 участков человеческого генома, для которых определилось наличие отбора, 140 поддерживались отбором только у европейцев, 140 — у восточных азиатов и 132 — у африканцев [14]. Отсутствие каких–либо обнаруженных Притчардом пересечений, то есть генов, характерных для двух или более популяций, связано с использованным Сабети и ее командой методом геномного сканирования, отчасти основанном на поиске участков, в которых эти три популяции различаются.

Когда–нибудь каждый ген, поддержанный отбором, сможет рассказать увлекательную историю о некоем историческом давлении, которому популяция подвергалась и к которому впоследствии адаптировалась. Хорошей иллюстрацией здесь будет анализ по аллелю EDAR?V370A, описанный в предыдущей главе, — этот аллель является причиной возникновения толстых волосяных стержней и ряда других черт у восточных азиатов. Но на данный момент эти истории для нас недоступны. Изучение человеческого генома началось настолько недавно, что пока неизвестна точная функция большинства генов.

Тем не менее, даже если конкретные задачи большинства генов еще не ясны, об их основной роли можно судить, сравнивая последовательность ДНК любого неизвестного гена с теми известными генами, которые записаны в геномных базах данных. Известные гены сгруппированы в общие функциональные категории, такие как гены мозга или гены, участвующие в метаболизме, и, поскольку их функция связана со структурой, гены каждой категории имеют характерную последовательность блоков ДНК. Сравнив последовательность ДНК каждого нового гена с последовательностями из базы данных, ген можно отнести к какой–либо из общих функциональных категорий. В число генов, которые Притчард определил как подвергшиеся естественному отбору, входят гены цвета кожи, гены, регулирующие оплодотворение и размножение, развитие скелета и функционирование мозга. В категории генов, регулирующих функционирование мозга, четыре находились под давлением отбора у африканцев и по два — у восточных азиатов и европейцев. Что именно эти гены делают в мозге, по большей части неизвестно. Но эти находки подтверждают очевидную истину: гены мозга не относятся к особой категории, свободной от естественного отбора. Они точно так же подвергаются эволюционному давлению, как и гены любой другой категории.

Популяционные генетики разработали несколько разных типов тестов, позволяющих увидеть, воздействовал ли естественный отбор на последовательность ДНК в каком–либо гене. Все эти тесты статистические, и многие основываются на отклонениях в частоте генов, появляющихся, когда поддерживаемый отбором ген распространяется в популяции, «выметая» другие. Естественный отбор не может выбирать отдельные гены или даже отдельные мутации в ДНК. Скорее, он зависит от процесса, называемого рекомбинацией, в ходе которого материнский и отцовский геномы «перетасовываются» перед образованием яйцеклетки и сперматозоида.

В клетках, образующих яйцеклетки и сперматозоиды, два набора хромосом, унаследованных человеком от отца и матери (по одному набору от каждого), выстраиваются бок о бок, и клетка заставляет их обмениваться крупными участками ДНК. Эти новые смешанные хромосомы, частично состоящие из участков отцовского генома и частично — материнского, и передаются следующему поколению.

Длина обмениваемых участков хромосом может достигать 500 000 блоков ДНК, то есть они достаточно велики, чтобы содержать несколько генов. В результате ген с полезной мутацией будет передан по наследству вместе с целым участком ДНК, в котором расположен. Так происходит потому, что поддерживаемые отбором гены располагаются на столь большом участке, что можно обнаружить влияние естественного отбора на геном: распространяясь в популяции, поддерживаемые отбором блоки «выметают» крупные сегменты генома.

В последующих поколениях участок ДНК с поддерживаемым отбором вариантом гена становится общим для все большего числа людей. В конце концов новый аллель может «вымести» все другие аллели из популяции, и в этом случае генетики говорят, что он зафиксировался, или закрепился. Но большинство «выметаний» не приводит к фиксации аллеля. Причина, вероятно, в том, что признак, подвергаемый отбору, обусловливается или регулируется многими генами. Естественный отбор будет действовать на все аллели этих генов, поддерживающих нужный признак. Сначала давление отбора будет сильным, но через несколько поколений, когда признак сформируется в самом удачном виде, давление отбора на любой задействованный в нем аллель ослабнет.

Каким бы ни было «выметание», полным или частичным, со сменой поколений поддерживаемые блоки ДНК уменьшаются, поскольку создающие их разрывы происходят не всегда в одном и том же месте хромосомы. Примерно через 30 000 лет эти блоки становятся слишком сжатыми, чтобы их выявить по одной калькуляции. Это означает, что большинство полногеномных сканирований для поиска следов отбора обнаруживают события, произошедшие всего несколько тысяч лет назад — совсем недавно, по меркам человеческой эволюции.

Чтобы оценить скорость эволюции, биологам долго приходилось зависеть от данных окаменелых останков. Но в окаменелом виде сохраняются лишь кости животного. А поскольку структура скелета любого вида меняется медленно, эволюция долго казалась процессом неторопливым, как движение ледника.

Получив возможность расшифровывать последовательность ДНК, биологи теперь могут изучить непосредственно программный код эволюционных изменений и проследить развитие каждого гена в арсенале вида. Сейчас стало ясно, что эволюция вовсе не лентяйка и не медлительная улитка. Уже найдены конкретные примеры эволюционных изменений у человека за последние несколько тысяч лет, такие как продолжительная эволюция цвета кожи, волос и глаз у европейцев на протяжении последних 5000 лет. Разумеется, каждый ген человеческого генома подвергался интенсивному отбору в тот или иной момент времени. Но для большинства генов отбор завершился за много сотен тысяч лет до появления людей или даже приматов. Следы таких событий древнего отбора уже давно стерлись. Отбор, который обнаруживается в большинстве процессов сканирования генома, — совсем недавний, шедший примерно от 30 000 до 5000 лет назад, но, к счастью, этот период представляет огромный интерес для понимания эволюции человека.

Чтобы обнаружить следы естественного отбора, на человеческом геноме было проведено более 20 сканирований. Не все они указывают на одни и те же участки, подвергавшиеся действию отбора, но это неудивительно, поскольку авторы используют разные типы тестов и разные статистические методы, которые в любом случае неточны. Но, как свидетельствуют оценки Джошуа Эйки из Вашингтонского университета, если взять только области, выявленные любыми двумя сканированиями, то 722 области, содержащие около 2465 генов, подвергались недавнему воздействию естественного отбора. Это составляет примерно 8% генома [15].

Столь большая часть генома, подвергавшаяся достаточно сильному для выявления естественному отбору, показывает, насколько интенсивно должна была идти эволюция человека на протяжении последних нескольких тысяч лет. Основным двигателем эволюционных изменений, вероятно, служила необходимость адаптироваться к широкому спектру новых природных условий. В подтверждение такой точки зрения, примерно 80% из 722 областей, подвергавшихся действию отбора, — это примеры локальных адаптаций, то есть происходивших в одной из трех основных рас, но не в двух других.

Подверженные отбору гены влияют на множество биологических процессов и признаков; наиболее значимые из них: цвет кожи, пищевой рацион, строение костей и волос, устойчивость к заболеваниям и функционирование мозга.

Аналогичные данные были получены в результате особенно подробного сканирования генома, проведенного Марком Стоункингом с коллегами. Стоункинг, специалист по популяционной генетике из Института эволюционной антропологии Общества Макса Планка в Лейпциге, известен разработкой оригинальной методики оценки периода, когда люди впервые начали носить одежду. Платяная вошь, которая живет только на одежде, произошла от головной вши, обитающей на волосах. Стоункинг понял, что время появления одежды, скроенной по фигуре, можно вывести при помощи генетических методов, датирующих возникновение ветви платяной вши — около 72 000 лет назад [16].

В ходе этого исследования Стоункинг обнаружил множество подверженных отбору генов, которые влияли на взаимодействие людей с их средой. В частности, эти гены участвуют в переваривании определенных типов пищи и косвенным образом — в формировании устойчивости к патогенам. Он также выявил несколько генов, связанных с некоторыми функциями нервной системы, такими как когнитивная деятельность и сенсорное восприятие.

Гены нервной системы подвергались отбору по тем же причинам, что и остальные: чтобы способствовать адаптации людей к местным условиям. Изменения социального поведения вполне могут быть самыми важными из них, если учесть, что люди в основном взаимодействуют с окружающей средой именно посредством общества. Признаки отбора в генах мозга «могут быть связаны с тем, насколько по–разному с точки зрения поведения взаимодействуют группы людей с окружающей средой и/или с другими группами людей», — написали Стоункинг с коллегами [17].

Еще одна региональная тенденция, выявленная сканированиями геномов, заключается в том, что, по–видимому, у восточных азиатов и европейцев отбору подвергалось большее количество генов, чем у африканцев. Не все геномные сканирования давали подобные результаты (например, в описанном выше исследовании Притчарда такого обнаружено не было), и для африканских популяций на тот момент имелось недостаточно большое разнообразие образцов. А в последующем сканировании Притчард с коллегами действительно нашли подтверждение, что большее количество «выметаний» происходило за пределами Африки.

«Вероятно, это объясняется тем, что люди испытывали множество новых воздействий отбора, когда расселялись, покинув Африку, в новых местах и более холодных условиях, — написали они. — Следовательно, на неафриканцев просто мог влиять более длительный процесс отбора, приводящий к новым фенотипам» [18]. «Фенотип» означает организм, развивающийся на основе ДНК, в отличие от самой ДНК, представляющей собой генотип. Один из очевидных примеров нового фенотипа, востребованного за пределами Африки, — это цвет кожи. Африканцы сохранили базовую темную кожу предковой популяции людей, а восточные азиаты и европейцы, потомки популяций, адаптируясь к высоким северным широтам, стали обладателями светлой кожи.

После появления первой сельскохозяйственной деятельности около 10 000 лет назад, когда популяции стали расти, и в Африке, и в остальном мире социальная структура претерпела радикальные изменения. На всех трех континентах в отдельности социальное поведение людей начало адаптироваться к требованиям жизни в оседлых сообществах, которые были больше и сложнее, чем группы охотников–собирателей. Следы этих социальных изменений могут быть записаны в геноме, возможно где–то в генах мозга, для которых воздействие отбора уже известно. Ген МАО-А, влияющий на агрессию и антисоциальное поведение, является одним из поведенческих генов, которые, как упоминалось в предыдущей главе, отличаются друг от друга в разных расах и этнических группах. Несомненно, также обнаружатся и другие подобные гены.