Ген сросшихся бровей
Боярыня красотою лепа, бела вельми, червлена губами, бровьми союзна…
Эта глава — самая сложная в первой части книги, по крайней мере для меня. Поэтому я даже сделаю вначале краткое резюме: о чем мы узнаем, прочитав эту главу. Чтобы не запутаться самому.
Мы поговорим о том, как генетики разгадывают тайну человеческих волос. А помогают им в этом:
— наши ближайшие родственники — шимпанзе;
— голые животные, домашние и дикие (кошки, собаки, землекопы);
— человеческие патологии, такие как гипертрихоз (чрезмерный рост волос) либо, наоборот, врожденные формы алопеции;
— мухи-дрозофилы и мыши — любимые модельные организмы биологов.
Кроме того, попробуем разобраться, как исчезновение шерсти отразилось на человеческой коже, и выясним, какие гены решают, будут ли волосы прямыми или курчавыми.
Человек против шимпанзе: кератин сломался
Книгу я начал с грустной констатации факта: волос ископаемых предков человека еще никто не находил. Может быть, когда-нибудь палеонтологам повезет. Но, даже если этого не случится, свое веское слово, уверен, скажет молекулярная палеонтология — анализ древней ДНК. На момент написания этих строк ученым известны многие гены, вовлеченные в формирование волосяного покрова человека: например, те, что кодируют кератины — белки, составляющие основу волос. Но в результате каких генетических изменений волосы человека стали такими, как сейчас? На этот вопрос еще предстоит пролить свет. Как же нам узнать, какие мутации «проредили» шерсть наших предков? По идее, для этого нужно сравнивать ДНК человека и наших кузенов — шимпанзе.
Первые сопоставления показали, что гены кератинов человека и шимпанзе очень похожи: различия нуклеотидных последовательностей составляют около 1%. Кстати, кератины вообще очень консервативны и мало различаются у человекообразных обезьян. Число генов, кодирующих белки, ассоциированные с кератинами (эти белки играют важную роль в формировании волоса), у человека такое же, как у прочих приматов. Почему же тогда волосы у нас не такие, как у шимпанзе?
В 2001 году генетики проанализировали гены кератинов волос человека и выяснили, что один из таких генов сломан, превратился в псевдоген (он обозначается φhHaA). Девять других генов кератинов этой категории работают, а этот вышел из строя из-за единственной мутации, в результате которой синтез данного кератина прерывается. Такая мутация оказалась в гомозиготном виде у всех европейцев, китайцев и африканцев, геномы которых удалось проанализировать. У горилл и шимпанзе этот кератин находится в половине стержня волоса (вертикально — если мысленно разрезать стержень вдоль), во второй половине содержится другой кератин. В человеческом волосе такой асимметрии нет. Так на что повлияло выпадение одного кератина? На форму волоса? На чувствительность к гормонам? Сравнив число различий в этом гене у разных людей, исследователи вычислили примерное время поломки — около 240 000 лет назад. Если именно эта мутация привела к редукции шерсти у людей, то случилось это совсем недавно! Однако к 2018 году, когда я писал эту главу, стало доступно больше геномов. При помощи биолога Константина Лескова мне удалось заглянуть в ДНК бушменов, неандертальцев и денисовцев — и у них этот кератин точно так же не работает. Раз так, то поломка произошла уже не 240 000, а все 700 000 лет назад, а может, гораздо раньше.
Что общего у человека и мухи?
Но все же едва ли одна-единственная мутация привела к такой мощной перестройке всего волосяного покрова. Некоторые ученые полагают, что причина кроется в изменении работы так называемых генов-регуляторов, которые контролируют работу других генов, а через это управляют формированием органов и тканей. Перед глазами у специалистов аналог — щетинки у мух-дрозофил. (Конечно, щетинки мух не имеют отношения к человеческим волосам, они состоят из разных веществ и формируются по-разному, так что это только очень дальняя аналогия). У дрозофил есть щетинки двух типов: несколько десятков больших и много маленьких. Генетики обнаружили комплекс генов, управляющих их ростом. Восемь генов-усилителей «рулят» развитием 40 больших щетинок: если ген-усилитель выключить, то соответствующие ему щетинки на определенном участке тела мухи не вырастут. При этом каждый ген работает независимо от других, в «параллельной цепи». Это удобно для эволюции: изменения в работе такого гена влияют только на участок, за который он отвечает, но не затрагивают другие. Может, и у людей есть подобные регуляторы, которые один за другим «выключали» волосы на разных частях нашего тела? Авторы гипотезы нашли возможных кандидатов на роль таких регуляторных генов. Это гены, которые кодируют белки сигнального пути Wnt, регулирующие развитие эмбриона, рост костей, деление клеток и множество других важнейших процессов в организме, в том числе рост волос. К таким белкам относится, например, бета-катенин — у мышей, у которых вырабатывалось слишком много бета-катенина, формировались дополнительные волосяные фолликулы. А еще показано, что гены этого семейства регулируют расположение волос и их регенерацию. Центральная роль Wnt в формировании волосяного покрова подтверждена при исследовании собак 80 пород. Ключевой ген, отвечающий за густые брови и «усы» на собачьей морде, — Wnt-регулятор. Наконец, мутация в Wnt-гене WNT10A у человека — причина редких волос на голове и теле. И все же гипотеза о ключевой роли генов-регуляторов нуждается в проверке.
Как полысела кошка-сфинкс?
Может, стоит обратить взор на «голых» животных? Однако факты таковы, что у различных млекопитающих исчезновение шерсти шло очень разными путями. Так, отсутствие волос у голых землекопов связывают с мутацией в гене Hairless (HR). Исследования мексиканских, перуанских и китайских голых собак показали, что голы они из-за поломки гена FOXI3. Про китайских собак надо уточнить: речь о голой разновидности китайской хохлатой собаки. Кстати, у таких собак не только нет шерсти, но может не хватать зубов во рту, клыки странной формы, а гомозиготы по мутантному гену FOXI3 вообще гибнут на дородовой стадии. То, что у американских и у китайских голых собак обнаружилась одна и та же мутация, указывает на их общее происхождение. По-видимому, предки китайской породы привезены в Поднебесную из Нового Света.
Бесшерстые кошки породы сфинкс «раздеты» благодаря мутации в гене KRT71, который кодирует один из кератинов, отвечающих за структуру волосяного фолликула. Кстати, другой вариант этого гена связан с короткой кудрявой шерстью еще одной породы кошек — девон-рекс. У людей нарушения работы Keratin 71 приводят к синдрому «шерстистых волос» (woolly hairs) или к отсутствию волос на теле — гипотрихозу.
Как видим, существует много способов оголиться, и у человека тут, судя по всему, свой особый путь.
Раз мы перешли к разговору о человеческих патологиях, то наверняка вы помните картинку в школьном учебнике, на которой изображен человек с лицом, заросшим длинными волосами. В старых книжках такая иллюстрация служила примером «атавизма». На самом деле существует несколько наследуемых разновидностей этого заболевания — например, синдром Амбраса (вызываемый мутациями на 8-й хромосоме, возможно, в гене TRPS1), при котором волосами покрыты лицо и плечи, или терминальный гипертрихоз, когда «шерстью» зарастает все тело, за исключением ладоней и стоп (полагают, что «глючит» какой-то ген на Х-хромосоме). Есть и другие варианты, генетическая природа которых не всегда ясна, когда волосы начинают расти на локтях, шее, ушах, носу, ладонях… А как насчет врожденных форм алопеции? В исследовании, проведенном с участием российских ученых, показана связь ряда таких патологий с мутацией в гене LIPH. Быть может, поиск причин подобных недугов выведет генетиков на те самые «гены-регуляторы», направлявшие эволюцию наших волос.
Лечим алопецию у мышей
Пока же модельные животные помогают разбираться с молекулярными механизмами, лежащими в основе роста волос. Известно, что развитием волосяного фолликула и волоса управляет «волосяной сосочек» — особое образование, клетки которого подают биохимические сигналы другим клеткам фолликула. В ходе экспериментов было показано, что активность самих клеток волосяного сосочка (ВС) регулируется некими сигналами, выделяемыми другими клетками волосяной луковицы, в частности костным морфогенетическим белком-6 (Bone morphogenic protein, BMP-6). Это белок — фактор роста, известный своей ролью в регуляции развития костной ткани. Отсюда и название. Но, как выяснилось, у BMP-6 есть и другие функции. Только в присутствии этого фактора роста клетки ВС мышей сохраняли способность инициировать развитие волосяного фолликула.
Выяснили это так (оцените замысловатость эксперимента!): брали клетки ВС одной мыши, перемешанные с клетками кожи — кератиноцитами второй мыши, и подсаживали их в углубления, вырезанные на спине третьей — безволосого мутанта. Чтобы удобнее было наблюдать за процессом, кератиноциты использовали от генетически модифицированного животного, — такие клетки производили светящийся в ультрафиолете белок. Когда голой мыши пересаживали только кератиноциты, никаких волос, естественно, у нее не развивалось. При подсадке кератиноцитов с клетками ВС на затянувшемся углублении в коже появлялись редкие волоски. А если клетки ВС перед этим обработали BMP-6, у мышки на месте пересадки вырастал пучок густой шерсти.
Генетика волосатых лапок
Конечно, ученые только начали разбираться в том, как с помощью биохимических сигналов регулируется рост волос. Когда прояснятся детали процесса, это, вероятно, позволит не только победить облысение, но и выяснить, как происходила эволюция волосяного покрова наших предков с точки зрения генетики. Исследования все тех же мышей дали ряд любопытных результатов в этом направлении, и вот один из них. Мыши похожи на человека тем, что у этих зверьков — редкий случай — на некоторых участках задних лапок расположены вперемешку волосы и эккриновые потовые железы. Помните, что у большинства млекопитающих, за исключением приматов, эккриновые железы есть только на безволосой части стоп? Мыши вроде бы не являются исключением — подушечки их лапок тоже покрыты эккриновыми железами и лишены волос, однако на участках между подушечками развиваются и потовые железы, и волоски — как у человека. При этом число волос и потовых желез различается у разных мышиных линий (речь идет о лабораторных мышах). Исследователи подсчитали, что у одной из популярных линий мышей волосяных фолликулов много, а потовых желез мало. У другой линии ситуация обратная: много желез, мало волос. У гибридов первой и второй линий два признака находились в обратной зависимости: чем больше одного, тем меньше второго, хотя зависимость получалась нелинейная. Известно, что в формировании потовых желез и волосяных фолликулов у эмбриона задействованы общие молекулярные механизмы и общие гены. Может, есть какой-то общий фактор, управляющий количеством того и другого? Поиски привели ученых к гену En1, который работает в коже мышиных стоп у плода, когда формируются кожные придатки. Что важно: экспрессия гена сильная в коже подушечек, где волос нет, и ниже в промежуточных участках, где есть и железы, и волосяные фолликулы. А там, где эккриновые железы отсутствуют, ген неактивен. Сам ген En1 кодирует фактор транскрипции, известный своей ролью в подавлении работы других генов. Анализ гибридов показал, что с числом придатков — желез и волос — связаны мутации, влияющие на активность En1. Чем активнее ген, тем больше эккриновых желез и тем меньше волос.
Генетики получили мышей-мутантов, у которых ген En1 «выключен». У таких генетически модифицированных мышей (гомозиготных по молчащему гену En1) на подушечках лапок развивались волосы, а потовые железы не формировались вообще.
Конечно, En1 — явно не единственный фактор, поскольку им определяется менее 50% наследуемой изменчивости числа волос и потовых желез. Однако трудно не увидеть здесь параллели с эволюцией людей. Может, и у наших предков изменения в работе гена En1 привели к тому, что волосы поредели, а число потовых желез, напротив, возросло? Хорошо бы теперь эту гипотезу проверить на людях и шимпанзе. Для начала хотя бы посмотреть: действительно ли у человека на тех участках кожи, где волосяных фолликулов меньше, плотность потовых желез будет выше, чем у обезьян? Стоит, конечно, вспомнить, что человек отличается от шимпанзе скорее не количеством волосяных фолликулов, а характером растущих из них волос.
Другое любопытное исследование: ученые обратили внимание, что у мышей подушечки стоп голые, а у кроликов и полярных медведей покрыты волосами. Кстати, у человека волосатые ладони и стопы — крайне редкая форма гипертрихоза, но несколько таких случаев описаны. С полярными мишками, конечно, работать сложно, а до мышей и кроликов генетики добрались. Оказалось, что в «оголении» стоп важную роль играет ген Dkk2, подавляющий активность сигнального пути Wnt (еще раз напомню, что этот сигнальный путь играет ключевую роль в формировании волосяных фолликулов у эмбриона). Сначала генетики обнаружили, что у мышей-мутантов со сломанным геном Dkk2 верхний слой роговицы глаз преобразовывался в слой кожи, в котором даже формировались волосяные фолликулы: у мышиного эмбриона на роговице начинали развиваться волосы! Оказалось, что у таких мышей-мутантов полноценные волосы вырастают и на коже стоп, в норме абсолютно голой. У нормальных мышей активность гена Dkk2 в волосатой коже низкая, зато ген очень активен в стопах. А у кроликов уровень экспрессии Dkk2 оказался одинаковым что на подошвенной, что на тыльной стороне лапок. Видимо, именно высокая активность этого гена приводит к тому, что у мышей лапки снизу голые. Можно ли это связать с исчезновением шерсти у наших предков? Пока что трудно сказать.
Что стало с кожей голой обезьяны?
Несмотря на перспективные результаты, пока что гены, «побрившие» нас, неуловимы. Зато генетикам кое-что известно о последствиях этой метаморфозы. Очевидно, что исчезновение волос принесло не только пользу, но и новые проблемы: без шерсти единственной защитой человека от повреждений, излучений, патогенов, паразитов стала его кожа. Шерсть перестала согревать, а потери жидкости возросли. Вероятно, человеческие покровы должны были перестроиться, чтобы продолжать эффективно защищать организм. Эпидермис (внешний слой кожи) утолщился, стал более водостойким и прочным, ороговел. Ороговением кожи — кератинизацией — управляет комплекс специальных генов. Так вот оказывается, что эти гены — один из самых быстро меняющихся кластеров генов у человека. В 2014 году исследователи сравнили более 4000 аналогичных генов человека и шимпанзе и обнаружили, что гены кератинизации и дифференцировки эпидермиса эволюционировали у людей очень быстро — даже быстрее, чем гены пигментации (а считается, что пигментация человека менялась быстро, о чем мы поговорим во второй части книги). Ученые также показали возможную связь между вариантами этих генов у людей и климатом — прежде всего влажностью. Вероятно, изменчивая погода заставляла человеческую кожу эволюционировать. Вдобавок авторы исследования обнаружили, что в генах кератинов евразийцев присутствуют неандертальские варианты. Не поделились ли неандертальцы своей толстой кожей с нашими предками?
ДНК-бигуди и ДНК-выпрямитель
Кое-что удалось генетикам узнать и о недавних событиях в эволюции человеческих волос. Известно, что прямые волосы распространены среди европеоидов и еще в большей степени — среди монголоидов. Африканцы же в основном курчавы (если быть точным, антропологи, конечно, выделяют не два, а больше типов волос, так как степень их волнистости может быть очень разной). В классической шкале формы волос по Мартину 2 типа и 11 подтипов, а Джильда Луссуарн, например, описывает 8 типов. Почему форма волос у людей различна? Считается, что дело в поперечном сечении волоса.
Недавно ученые в очередной раз исследовали строение волос у представителей разных рас. У африканцев поперечный срез волоса чаще эллиптический, вытянутый, тогда как у европейцев и азиатов он более округлый. Вероятно, форма сечения волоса влияет на его кривизну, и курчавость волос связана именно с их эллиптичностью. Кроме того, африканские волосы обладают самой тонкой кутикулой.
В то же время у людей с одинаковым сечением волос степень их курчавости может заметно различаться.
Раз человек вышел из Африки, а курчавость характерна для африканцев к югу от Сахары, полагают, что наши предки были курчавы. Видимо, прямыми волосами люди обзавелись недавно, но когда и где? Исследования на близнецах показали, что форма волос обладает высокой степенью наследования — 85–95%, по крайней мере для европейцев.
Любопытные факты обнаружились, когда ученые стали искать гены, отвечающие за форму волос. Оказалось, что более толстые волосы, характерные для монголоидов, связаны с определенным вариантом гена EDAR. Судя по всему, такая мутация возникла и быстро распространилась у предков современных восточных азиатов уже после того, как они расстались с предками европейцев. Исследователи предположили, что толстые волосы лучше защищают от холода, поэтому их поддержал отбор.
Позднее, в 2013 году, на статистике 2000 человек (китайцев, тибетцев, монголов) специалисты изучили распределение определенного варианта гена EDAR — замены V370A. Ранее уже было показано, что этот аллель часто встречается у восточных азиатов и коренных американцев, но почти никогда — у африканцев и европейцев. Вариант, вероятно, возник в Центральном Китае более 30 000 лет назад и распространялся под действием сильного отбора. Генетикам удалось показать связь между этим аллелем и прямыми волосами у монголоидов. Но мутация вызывает и другие изменения — например, у ее обладателей нередко встречаются лопатообразные верхние резцы, а также часто отсутствуют нижние «зубы мудрости» — третьи коренные.
В этом месте я заволновался, ведь у единственной известной нижней челюсти денисовского человека, найденной в тибетской пещере Байшия, нет третьего коренного! А у восточных азиатов есть денисовская примесь. Красивая гипотеза: мутация V370A — подарок монголоидам от денисовцев. Однако не получается, мы проверили: в геноме денисовца в гене EDAR — предковый вариант 370V (спасибо за помощь Константину Лескову). Правда, не все потеряно: ведь известен только геном девочки из Денисовой пещеры на Алтае. ДНК из челюсти Байшия выделить пока что не удалось.
Влияние варианта V370A проверили на мышах. Конечно, мышь — не человек, однако поломки гена EDAR и у мышей, и у людей приводят к сходным неприятностям — недоразвитию зубов, проблемам с волосами и потовыми железами. Значит, мышь — подходящая модель. Исследователи вывели трансгенных V370A-грызунов, которые оказались вполне здоровыми и плодовитыми, а шерсть у них, как и у людей, получилась более толстой. Но кроме того, у таких мутантов отличалось строение молочных желез, а самое интересное для нас — увеличилось число эккриновых желез на подушечках лапок (вот она, плейотропия во всей красе! Одна-единственная мутация, а сколько признаков затронула). А что у людей? Ученые обследовали 2500 представителей китайской народности хан — у тех, кто был гомозиготен по мутации V370A, число потовых желез на подушечках пальцев оказалось выше, чем у гетерозигот. Так может, это и есть ключевое преимущество? Азиатские охотники-собиратели стали эффективнее потеть, и это помогло им при погоне за добычей? Смотрите, что получается: то ли более толстые волосы лучше грели в холод, то ли в жару древним азиатам было вольготнее от обилия потовых желез. Тут вопрос, в каком климате все это происходило. По данным геологов, в Китае было жарко 40 000–32 000 лет назад, потом похолодало. Датировка возникновения мутации не слишком точна. ДНК из древних останков с территории Китая прояснила бы ситуацию, но таких данных пока нет. А может, дело и не в климате, а в том, что у обладательниц V370A молочные железы имели более соблазнительные формы? Эту гипотезу исследователи пока что не проверили. Возможно, верны все предположения, т.е. отбор происходил по нескольким признакам — сразу или последовательно.
Поскольку вариант гена крайне редко встречается у европейцев, видимо, на западе Евразии эволюция шла своим путем. И действительно, исследование геномов нескольких тысяч европеоидов (если быть точным, австралийцев европейского происхождения) показало ассоциацию между формой волос и вариантами другого гена — TCHH. Производный аллель этого гена достигает максимальной частоты в Северной Европе, в тех местах, где чаще всего встречаются обладатели прямых волос.
Надеюсь, вывод ученых очевиден для вас: прямые волосы — признак, который независимо возникал у разных человеческих популяций как минимум дважды.
Борода возникла вместе с речью?
Еще одно уникальное исследование провели в 2016 году, перебрав геномы более 6500 латиноамериканцев — жителей Бразилии, Колумбии, Чили, Мексики и Перу. В жилах этих людей перемешалась европейская, индейская и африканская кровь. Такие смешанные популяции — хороший объект для исследования: внешне их члены очень разнообразны, а знание родословной каждого индивида облегчает анализ. Ученые искали причины особенностей волос этих людей: формы и цвета, склонности к алопеции и седине, плотности волос в бороде, толщины бровей и их срастания (англ. monobrow — монобровь). Кстати, процент европейской примеси показал высокую корреляцию с цветом волос (предсказуемо: чем больше европейский вклад, тем в среднем светлее волосы) и плотностью бороды. А вот что интересно: форма волос, плотность бороды, толщина и срастание бровей ассоциируются с мутациями в уже знакомом нам гене EDAR, причем не только с вариантом V370A, но и с другими. Если связь этого гена с формой волос уже была показана для монголоидов, то борода и брови — это что-то новенькое. Исследователи даже проверили связь гена EDAR с ростом волос у мышей. Трансгенные мыши с повышенным числом копий гена отращивали более толстые и прямые волосы, причем плотность волосяных фолликулов на нижней челюсти у мышат снижалась. Вероятно, у человека ген EDAR влияет на плотность волос на большей части тела, но на лице это наиболее заметно.
Кстати, ген EDAR находится на 2-й хромосоме человека, а это именно та хромосома, которая когда-то образовалась у наших предков при слиянии двух хромосом, гомологичных хромосомам 12 и 13 у шимпанзе. Так вот, участок хромосомы, где располагается ген EDAR (2q13), это как раз место предполагаемого слияния.
При соединении хромосом рядом с геном EDAR могло оказаться множество новых «усилителей», стимулирующих работу генов. Не сказалось ли это на волосяном покрове наших предков?
Впрочем, найдены связи формы волос и с генами на других хромосомах. Например, с геном сериновой протеазы PRSS53, а также упоминавшимся уже TCHH. А еще исследователи обнаружили ассоциации между плотностью бороды и мутациями вблизи гена FOXP2, так называемого гена речи. Это знаменитый ген, мутации в нем приводят к неспособности нормально говорить. Возникает шальная мысль: а вдруг борода возникла у человека вместе с членораздельной речью?
