Днк человека и шимпанзе совпадают. Безрассудно и рискованно? Китайские учёные создали ГМ-макак с человеческим геном развития мозга

"Две главных черты человека — большие размеры мозга и замедленное развитие нервной системы внутри утробы матери. Теперь нам удалось раскрыть молекулярные механизмы развития и той, и другой особенности Homo sapiens, которые, как оказалось, включаются на самых ранних стадиях развития мозга", — заявил Дэвид Хаусслер (David Haussler) из университета Калифорнии в Санта-Крузе (США).

Геномы человека и шимпанзе совпадают на 99 процентов, однако наши нервные системы развиваются совершенно по-разному и страдают от разных проблем в старости. Эти различия мешают ученым использовать приматов для изучения болезней человека и выяснить, как он приобрел способность членораздельно говорить и мыслить.

За последние годы исследователи открыли несколько сотен генов, отвечающих за развитие мозга и отличающиеся по структуре в геномах человека и шимпанзе. Однако им так и не удавалось найти те участки ДНК, которые отвечали за необычайно крупные, по сравнению с остальным телом, размеры нашего мозга. Многие нейрофизиологи и генетики подозревают, что причина разительного отличия двух видов кроется не столько в структуре генов, сколько в различиях в их активности в разных частях мозга.

Хаусслер и его коллеги смогли найти этот, как они выражаются, "Святой Грааль эволюции мозга человека", изучая структуру разных генов на первой хромосоме человека, удаление которых очень часто приводит к развитию микроцефалии, а удвоение или повреждение — к макроцефалии или тяжелым формам аутизма.

В этом участке генетического кода, как объясняют ученые, находится набор генов из семейства NOTCH2, отвечающих за развитие "заготовок" нейронов и формирование будущих тканей мозга в зародыше млекопитающих. Их структура почти не отличается в ДНК всех приматов и они, как недавно показали ученые из России, работают одинаковым образом при развитии зародыша.

Наблюдая за активностью этих участков ДНК в культурах стволовых клеток, Хаусслер и его коллеги заметили одну простую вещь, которую почему-то упустили все остальные научные коллективы. Оказалось, что в человеческих клетках работает "лишний" ген, который отсутствует или не работает в заготовках нейронов шимпанзе, горилл и других приматов.

Изучив его структуру, специалисты пришли к выводу, что ген NOTCH2NL появился в ДНК наших предков примерно три-четыре миллиона лет назад в результате серии "удачных" ошибок при копировании первой хромосомы. Первая ошибка привела к тому, что один из генов семейства NOTCH2 был частично скопирован и встроен в ДНК первых Homo. Это превратило его в "мусорный" псевдоген, не игравший никакой роли в работе организма.

Вторая ошибка "починила" его поврежденные части, в результате чего в геноме протолюдей появился новый участок ДНК, радикально поменявший программу развития нервной системы, который был затем еще несколько раз скопирован в ходе последующей эволюции. Как показали опыты ученых на стволовых клетках, удаление NOTCH2NL приводит к тому, что заготовки нервных клеток начинают быстрее "взрослеть" и реже делиться.

"Одна стволовая клетка, участвующая в росте мозга, может дать жизнь двум нейронам или еще одной заготовке и одной нервной клетке. NOTCH2NL заставляет их выбирать второй вариант, что позволило нашему мозгу вырасти в объеме. Как часто происходит в истории эволюции, небольшое изменение в работе стволовых клеток привело к очень большим последствиям", — заключают эксперты.

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.

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.

Экология

Известно, что шимпанзе являются самыми близкими нашими родственниками, живущими сегодня, однако об этом мало кто догадывался, пока Чарльз Дарвин не сделал эту идею популярной в 1859 году, написав свой знаменитый труд "Происхождение видов". Многие из нас до сих пор не знают о том, что же у нас на самом деле общего и чем мы отличаемся. Возможно, больше узнавая о наших ближайших родственниках, мы сможем больше узнать о нас самих?

1) Число видов

Шимпанзе относятся к семейству гоминид , к которому относимся мы сами. Кроме этого, в это семейство также входят орангутанги и гориллы. В настоящее время существует только один вид человека: homo sapiens (человек разумный). Многие ученые спорят над тем, кто из наших далеких предков также относился к людям, однако многие из них убеждают всех, что сами относятся к какому-то "высшему" виду. Люди способны давать фертильное потомство, а значит, мы относимся к одному виду. У шимпанзе на самом деле имеются два вида - обыкновенный шимпанзе (Pan troglodytes ) и карликовый шимпанзе (Pan paniscus ) или бонобо. Эти два вида отличаются друг от друга и не скрещиваются. Человек и оба этих вида шимпанзе произошли от одного общего предка, возможно, сахелантропа , между 5 и 7 миллионами лет назад.

2) ДНК

Вы, возможно, слышали, что ДНК шимпанзе и человека совпадают на 99 процентов. Генетическое сравнение сделать очень сложно из-за свойства генов повторяться и мутировать, поэтому лучше было бы сказать, что у нас от 85 до 95 процентов общих генов. Даже такие цифры кажутся впечатляющими, хотя большая часть ДНК используется, как основа для клеточных функций практически у всех живых организмов на планете. Например, ДНК человека наполовину совпадает с ДНК банана, однако мы вряд ли можем сказать, что похожи на банан. 95 процентов совпадений – тоже не так уж много. У шимпанзе имеется 48 хромосом - на 2 больше, чем у нас. Считается, что это произошло из-за того, что у предка человека две пары хромосом соединились в одну пару. Интересно, что у человека самая маленькая генетическая вариация из всех животных, именно поэтому родственное скрещивание может вызвать множество проблем. Два совершенно не связанных родственными узами человека будут иметь не такую богатую вариацию генов, как два шимпанзе, родившиеся от одних родителей.

3) Размер мозга

Объем мозга шимпанзе в среднем составляет 370 мл, когда как у человека – 1350 мл. Однако размер мозга сам по себе не указывает на умственные способности. Некоторые обладатели Нобелевской премии имели объем мозга от 900 мл до 2000 мл. Структура и организация разных частей мозга лучше определяет уровень интеллекта. Мозг человека имеет более высокую площадь поверхности, и он более извилистый, чем мозг шимпанзе. Сравнительно более крупные фронтальные доли позволяют нам логически рассуждать и мыслить более абстрактно.

4) Социальность

5) Язык и мимика

У шимпанзе сложная система приветствий и коммуникации, которая зависит от социального статуса особи. Они могут общаться вербально, то есть использовать разные звуки – крики, хрюканье, фырканье, вопли, пыхтение и так далее. Многие эти звуки сопровождаются жестами и мимикой. Выражения лица – удивление, ухмылка, мольба, утешение - такие же, как и у нас, людей. Однако люди улыбаются, обнажая зубы, когда как для шимпанзе и других животных – демонстрация зубов – признак агрессии или опасности. Для коммуникации человек больше всего использует вокализацию, то есть речь. У человека имеются уникальные голосовые связки, которые позволяют нам издавать большое разнообразие самых разных звуков, однако мы не можем пить и дышать одновременно, как шимпанзе.

У человека довольно мускулистые язык и губы, что позволяет нам совершать виртуозные манипуляции со звуками. Именно поэтому у нас заостренный подбородок, когда как у шимпанзе он немного срезанный. У шимпанзе не имеется столько мышц лица, сколько имеется у человека.

6) Питание

Человек и шимпанзе – существа всеядные, то сеть мы едим как растения, так и мясо. Однако люди более плотоядны, чем шимпанзе, и наша пищеварительная система развита таким образом, чтобы переваривать достаточно мяса. Шимпанзе иногда убивают и едят других животных, часто обезьян других видов, однако намного чаще предпочитают фрукты и иногда едят насекомых. Люди намного больше зависят от мяса, так как необходимый нам витамин B12 можно получить только из мясных продуктов.

Основываясь на исследованиях пищеварительных систем и образа жизни некоторых древних племен, ученые полагают, что люди приспособились есть мясо по меньшей мере раз в несколько дней. Люди предпочитают принимать пищу в определенное время и не проводят весь день, питаясь - это еще одна особенность плотоядных существ. Это связано с питательными свойствами продукта, а также с тем, что для его получения требуется выйти на охоту.

7) Секс

Бонобо славятся своими сексуальными аппетитами. Обыкновенные шимпанзе могут приходить в ярость и применять силу в некоторых ситуациях, когда как бонобо предпочитают все решать мирным путем через получение сексуального удовольствия. Они также приветствуют друг друга и выражают привязанность с помощью сексуальной стимуляции. Обыкновенные шимпанзе не занимаются сексом ради развлечения, а спаривание у них длится не более 10-15 секунд, при этом они могут есть или делать что-то еще.

Дружба или эмоциональная привязанность не имеют значения в выборе партнеров для спаривания, а самка во время течки обычно спаривается с несколькими партнерами, которые терпеливо ждут своей очереди.

Люди, как известно, испытывают сексуальное удовольствие, как и бонобо, а секс для продолжения рода может длиться довольно долго с приложением больших усилий. Более того, люди часто заводят длительные отношения с партнерами. В отличие от людей, шимпанзе не имеют понятия о том, что такое сексуальная ревность или соперничество, так как они не склонны к длительным отношениями с одним и тем же сексуальным партнером.

8) Строение тела

И люди, и шимпанзе умеют ходить на двух ногах. Шимпанзе становятся на ноги, только если им требуется посмотреть куда-то вдаль, однако обычно передвигаются на четырех ногах. Люди начинают ходить в раннем возрасте и имеют таз в форме чаши, который поддерживает все внутренние органы. Шимпанзе не нужно поддерживать внутренние органы, так как они обычно не ходят на задних ногах. Роды у шимпанзе происходят гораздо проще, чем у человека, так как наш таз находится перпендикулярно родовому пути. Пальцы на ноге человека расположены все с одной стороны, что позволяет отталкиваться во время ходьбы, когда как у шимпанзе большой палец на ноге стоит отдельно, как и на руке, что делает ноги похожими на руки. Шимпанзе использует все конечности для лазания по деревьям или передвижения по земле.

9) Глаза

У людей белые яблоки глаз, которые видны вокруг зрачков, когда как у шимпанзе – темно коричневые. Взглянув на человека, можно понять, куда он смотрит, причем существует несколько теорий о том, зачем это надо. Это может быть адаптацией к более сложным социальным ситуациям, когда нам важно понять направление взгляда другого человека. Это также может помочь человеку во время охоты группами, когда направление глаз является жизненно важной способностью для коммуникации. Либо это всего лишь мутация, не имеющая особой цели - у некоторых шимпанзе также можно заметить белые глазные яблоки.

И люди, и шимпанзе умеют различать цвета, что позволяет выбирать спелые фрукты и растения для питания, а также у нас имеется бинокулярное зрение - то есть глаза смотрят в одном направлении. Это позволяет разглядеть глубину объектов, что очень важно для охоты. Было бы очень неудобно, если бы наши глаза были расположены с двух сторон головы, как у многих животных, которым не нужно охотиться, таким как кролики.

10) Использование орудий труда

Долгие годы считалось, что только человек умеет пользоваться орудиями труда. Однако наблюдения за шимпанзе в 1960-х годах показали, что это не так – обезьяны могли использовать заостренные ветви для ловли термитов. Как человек, так и шимпанзе способны изменить окружающую среду с целью получения предметов – орудий труда - которые помогают решать насущные проблемы.

Шимпанзе умеют изготавливать дротики, использовать камни в качестве молотка и наковальни, сворачивать листья для получения самодельной мочалки. Считается, что когда человек стал прямо ходить, ему понадобилось больше использовать орудия труда, и именно мы стали превращать эти орудия в предметы искусства. Сегодня нас окружают предметы, которые были созданы нами из необходимости.

Люди любят рассматривать фотографии животных. Кошки, собаки, лошади, ламы - все они, особенно детеныши, кажутся нам очень симпатичным. Однако мало кто называет симпатичными или милыми обезьян, особенно высших приматов. Эти звери выглядят как пародия на человека. Явные черты сходства, перемешанные с отчетливо животными признаками, вызывают смешанные чувства.

Человек и обезьяна действительно похожи. На уровне ДНК сходство между Homo sapiens и Pan troglodytes - шимпанзе - превышает 98 процентов. В цифрах эта разница кажется не такой маленькой: из трех миллиардов "букв" человеческого генома целых 60 миллионов являются уникальными для H. sapiens . В данном случае цифры создают ложное представление о пропасти, отделяющей человека от обезьяны. Практически все гены этих двух групп организмов отличаются лишь незначительными вариациями последовательности ДНК.

Ученые до сих пор не могут объяснить, как эти небольшие генетические отличия смогли обеспечить колоссальный эволюционный прыжок от обезьяны к человеку. Первый ответ, который приходит в голову, - последовательности, характерные для H. sapiens , составили в его геноме в особые "гены человечности". Однако на практике эта теория не подтверждается: исследователи не обнаружили у человека уникальных генов. Все гены H. sapiens эволюционировали из генов общего с шимпанзе предка. Авторы нового исследования впервые обнаружили целых три исключения из этого правила.

Эволюция на генном уровне

Прежде чем описывать новое открытие, стоит чуть подробнее рассказать, как именно происходит эволюция генетических последовательностей. Геномы самых первых живых организмов, появившихся на нашей планете, содержали всего несколько сотен генов. Чтобы размножаться, первые жители Земли делили свое тело, состоящее из единственной клетки, надвое. Каждый из потомков получал по одной копии родительского генома. Копирование ДНК "папы" (или "мамы") происходило с ошибками - некоторые гены терялись, а другие, напротив, появлялись в удвоенном варианте. В некоторых случаях "лишние" гены не приводили к смерти хозяина. Они сохранялись в цепочке поколений и постепенно мутировали. Через несколько десятков сотен копирований последовательность таких генов изменялась до неузнаваемости. Соответственно, менялась и последовательность кодируемых генами белков. Постепенно строение живых существ усложнялось, но механизмы образования новых генов оставались неизменными.

В некоторых случая новые гены появлялись без удвоения старых - мутации появлялись и в генах, представленных в единственной копии. Если изменения не ухудшали жизнеспособность организма, они могли сохраняться в череде поколений. В конце концов в гене накапливалось критическое число таких нейтральных или положительных мутаций, и у кодируемого белка появлялись новые функции.

Еще один способ образования новых генов - это потеря части последовательности. Укороченный ген иногда продолжал работать не хуже полноценной копии, кроме того, место утраченных "букв" могли занимать соседние последовательности ДНК. Еще один вариант рождения новых генов - "сращивание" старых друг с другом или их расщепление.

Во всех описанных случаях гены не создаются de novo : основой для них всегда служат уже существующие у организма варианты. Биологи были уверены в этом факте вплоть до 2006 года, когда в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences появилась группы исследователей, работавших с плодовой мушкой Drosophila melanogaster .

Авторы обнаружили в геноме дрозофилы целых пять генов, которых нет у ее ближайших родственников. Все они образовались из так называемой "мусорной" ДНК (junk DNA). Этим нелицеприятным эпитетом ученые обозначают не кодирующие белки последовательности ДНК, функция которых неизвестна. Термин был предложен в 1972 году американским генетиком японского происхождения Сусуму Оно (Susumu Ohno) и с тех пор прижился. У развитых организмов "мусорная" ДНК составляет более 95 процентов генома.

После выхода "мушиной" работы биологи бросились искать уникальные гены у других организмов. Однако к настоящему моменту их удалось обнаружить только у дрожжей. Тем не менее, авторы нового исследования под руководством Ифы Маклайсэт (Aoife McLysaght) из Тринити колледжа в Дублине задались целью найти новые гены у человека.

Ключи к человечности

Маклайсэт и ее коллеги сравнили геномы H. sapiens и P. troglodytes . Используя специальные программы, они сопоставляли последовательности известных на сегодняшний день генов человека и шимпанзе. Авторы обнаружили в геноме человека 644 гена, не имеющих аналогов у шимпанзе.

Порядок расположения генов у шимпанзе и человека практически не отличается. Исследователи пристально изучили области обезьяньего генома, где могли бы располагаться подозрительные последовательности. В существующих базах данных ДНК P. troglodytes в некоторых из этих мест отсутствовали большие куски кода, поэтому исследователям пришлось исключить из рассмотрения 425 из найденных 644 генов.

На следующей стадии работы ученые провели повторный поиск оставшихся 219 последовательностей в геноме шимпанзе, используя немного иной алгоритм. У 150 предположительно уникальных человеческих генов в геноме P. troglodytes обнаружились аналоги. Таким образом, "круг подозреваемых" сузился до 69 генов. Ученые вычеркнули из этого списка последовательности, которые были обнаружены в геномах других видов, кроме шимпанзе. Наконец, Маклайсэт и ее соавторы отказались от генов, которые были представлены только в одной базе данных человеческой ДНК и могли попасть туда по ошибке.

Все стадии отбора прошли только три гена - CLLU1 , C22orf45 и DNAH10OS . Чтобы еще раз убедиться в их уникальности для человека, исследователи проверили геномы макаки, гиббона и гориллы. Последовательности, напоминающие CLLU1 , C22orf45 и DNAH10OS , были обнаружены у всех изученных приматов, однако являться полноценными генами они не могли и присутствовали в "мусорной" ДНК.

Для того чтобы считаться геном, последовательность должна содержать определенные сочетания "букв", в частности, отмечающих конец и начало гена. Такие характерные "буквосочетания" узнаются ферментами, отвечающими за синтез белка с этого гена. У макаки, шимпанзе, гиббона и гориллы характерных для генов отличительных признаков не было. Более того, у них имелись участки, мешающие полноценной работе ферментов. Причем у всех приматов (кроме человека) эти участки были одинаковыми.

Исследователи предположили, что в ходе эволюции человека в некоторых регионах "мусорной" ДНК, присутствующих у приматов, накопились необходимые изменения, которые позволили им стать настоящими генами. Именно работа этих генов привела к появлению рода Homo .

Из-за пробелов в генетических базах данных и очень строгих критериев отбора ученые смогли полноценно изучить только 20 процентов из исходно отобранных генов. Соответственно, в будущем, когда дыры будут заполнены, авторы рассчитывают обнаружить еще как минимум 15 уникальных генов. Пока же авторы сосредоточились на поиске белков, кодируемых "человеческими" генами. В работах других исследовательских групп было показано, что белки с этих последовательностей синтезируются, однако какова может быть их функция, на данный момент не совсем ясно. Если Маклайсэт и коллегам удастся это узнать, то человечество, возможно, чуть-чуть приблизится к ответу на вопрос, чем же отличается человек от обезьяны.

О мусоре и РНК

На самом деле, частичный ответ на этот вопрос ученые знают. Результаты множества исследований, посвященных поискам разницы между человеком и обезьяной, указывают, что секрет кроется не в последовательности белков, а в регуляции их работы. Причем контролировать работу человеческого генома и белков могут не только регуляторные белки, но также особые молекулы РНК. Кодирующие эти молекулы гены также расположены в "мусорной" ДНК. Так что и мусор иногда бывает полезен.

Ученым удалось полностью расшифровать геном ближайших биологических родственников человека - шимпанзе.

Геном шимпанзе насчитывает 2,8 миллиардов оснований ДНК ("букв" генетического кода), и чрезвычайно похож на геном человека. Ученые насчитали в среднем лишь по две мутации, связанных с изменениями белков, на каждый ген, а 29% генов у человека и шимпанзе абсолютно идентичны.

Лишь несколько генов, имеющихся у человека, полностью или частично подавлены у шимпанзе.

Однако сходство или различие в геном е видов - далеко не главное. Например, геном ы двух видов мышей - Mus musculus и Mus spretus - различаются между собой примерно в той же степени, что у человека и шимпанзе, однако указанные два вида мышей еще более сходны между собой.

А внешние различия между домашними собаками, как известно, могут быть колоссальны, однако их геном в среднем сходен на 99,85%. Так что в эволюционном смысл е большинство различий между шимпанзе и людьми не приносят видам ни преимуществ, ни недостатков, поясняют ученые.

Поэтому главный вызов для ученых - отыскать именно те генетические изменения, которые привели к ныне наблюдаемым различиям у двух видов после их разделения 5-8 миллионов лет назад. Пока никаких явных улик найти не удалось, хотя и опознаны некоторые кандидаты.

Ученые, в частности, сравнили 13454 гена в поисках признаков быстрой эволюции. Между собой сравнивалось количество мутаций, изменяющих одну "букву", и количество "молчащих" мутаций, не оказывающих никакого эффекта вовсе. Таковые возможны, поскольку большинство аминокислот кодируются более чем тремя буквами ДНК.

Сравнение двух типов ДНК позволило специалистам выявить гены, изменения которых связаны с естественным отбором, с учетом среднего количества мутаций. 585 генов, изученных в ходе этого исследования, - многие из которых связаны с иммунными и репродуктивными системами, - имели больше белковых мутаций, чем "молчащие" гены. Их и будут исследовать в надежде найти ключ к различиям шимпанзе и человека.

Шимпанзе "расскажут" о людях

Последовательность геном а шимпанзе, которая состоит из 2,8 миллиардов пар оснований, не только расскажет многое о шимпанзе, но и о нас - людях, считают исследователи. Собственно, сопоставление геном ов и есть главная цель этого исследования, которое "расшифровкой шимпанзе" далеко не заканчивается.

Саймон Фишер из Оксфордского уточнил, что "самой трудной задачей на будущее является выявление тех крошечных различий, благодаря которым сформировались уникальные человеческие черты, такие, как язык человека".

Предварительные результаты исследований показали, что мозг человека отличается своим большим объемом и сложным устройством главным образом благодаря тому, что существующие в человеческом организме гены вырабатывают протеин именно тогда, когда мозг человека увеличивается в объеме, в период внутриутробного развития человеческого зародыша и в младенчестве.

Гены считывания генетической информации – молекулы, которые регулируют активность других генов и играют важнейшую роль в развитии эмбриона – также более развиты в организме человека, по сравнению с шимпанзе.

У шимпанзе нет трех важных генов, которые связаны с развитием воспалительного процесса при реакции человеческого организма на болезнь, и этим можно объяснить разницу, существующую между иммунными системами человека и шимпанзе, поясняют ученые. С другой стороны, люди утратили ген энзима, который может защитить от болезни Альцгеймера.

Пока ученые уверены, что самая большая разница между генами человека и шимпанзе находится в хромосоме, определяющей сексуальное поведение самцов. В этой хромосоме некоторые гены у шимпанзе за 6 млн лет подверглись мутации и утратили свою активность, в то время как у человека в этой хромосоме сохранились 27 активных видов генов. Вероятно, в организме человека существует механизм "восстановления" утрачивающих активность таких генов, чего нет у шимпанзе.

ДНК шимпанзе и человека идентичны на 96% Клив Куксон
Первое детальное сравнение генов человека и шимпанзе показало, что цепочка ДНК у них идентична на 96%. Но есть и существенные различия, особенно в генах, отвечающих за сексуальное поведение, развитие мозга, иммунитет и обоняние.
В четверг в журнале Nature международный научный консорциум опубликовал результаты исследования геном а шимпанзе – животного, которое имеет наибольшее сходство с homo sapiens. Шимпанзе стал четвертым млекопитающим, геном которого полностью расшифровали ученые, после геном а мыши, крысы и человека.

Часть научного анализа трех миллионов химических символов генетического кода шимпанзе посвящена его удивительному сходству с геном ом человека. Спустя 6 млн лет независимой эволюции разница между шимпанзе и человеком в 10 раз больше, чем разница между двумя людьми, не находящимися в родстве, и в 10 раз меньше, чем различия, существующие между крысами и мышами.

Но большинство ученых сосредоточивают внимание на различиях между генами шимпанзе и человека. Саймон Фишер из Оксфордского университета говорит о том, что "самой трудной задачей на будущее является выявление тех крошечных различий, благодаря которым сформировались уникальные человеческие черты, такие, как язык человека".

Предварительные результаты исследований показали, что мозг человека отличается своим большим объемом и сложным устройством главным образом благодаря тому, что существующие в человеческом организме гены вырабатывают протеин именно тогда, когда мозг человека увеличивается в объеме, в период внутриутробного развития человеческого зародыша и в младенчестве. Гены считывания генетической информации – молекулы, которые регулируют активность других генов и играют важнейшую роль в развитии эмбриона – также более развиты в организме человека, по сравнению с шимпанзе.

У шимпанзе нет трех важных генов, которые связаны с развитием воспалительного процесса при реакции человеческого организма на болезнь, и этим можно объяснить разницу, существующую между иммунными системами человека и шимпанзе. С другой стороны, люди утратили ген энзима, который может защитить от болезни Альцгеймера.

Самая большая разница между генами человека и шимпанзе находится в хромосоме, определяющей сексуальное поведение самцов. В этой хромосоме некоторые гены у шимпанзе за 6 млн лет подверглись мутации и утратили свою активность, в то время как у человека в этой хромосоме сохранились 27 активных видов генов. Вероятно, в организме человека существует механизм "восстановления" утрачивающих активность таких генов, чего нет у шимпанзе.

Дэвид Пейдж из Института биомедицинских исследований в Уайтхеде предполагает, что такую разницу можно объяснить особенностями сексуального поведения людей и шимпанзе. У приматов есть множество сексуальных партнеров, поэтому в развитии генов большее значение имеют гены, связанные с производством спермы, в то время как у людей, в большинстве своем придерживающихся моногамии, идет развитие и ряда других генов.