Солнце, проникающее под кожу: климат и пигментация человека

Если не учитывать рассмотренный выше пример локальной адаптации к диете, то в основном человеку приходилось адаптироваться к самым разнообразным климатическим условиям планеты, включая экстремальные, например опасности тропического леса, недостаток кислорода в высокогорных местностях или холод Арктики. Как это происходило? Какие эволюционные механизмы были задействованы? Несколько лет назад команда Анны ди Риенцо из Чикагского университета взялась за исследование мутаций, связанных с адаптацией человека к меняющимся показателям окружающей среды: температуре, влажности, инсоляции (уровень освещенности солнцем), осадкам. Ученые уже давно подозревали, что изменчивость некоторых фенотипических признаков человека – например, пигментации кожи, основного обмена веществ (потребности в энергии, необходимой для жизнедеятельности организма), роста или формы тела – могла быть результатом различных адаптаций к климатическим условиям. Проанализировав изменчивость генома 61 популяции из разных уголков мира, эта американская команда исследователей выяснила механизмы генетической адаптации к климату, соотнеся частоту мутаций генома с различными климатическими показателями. Более того, некоторые из этих мутаций влияют на пигментацию кожи, на цвет и структуру волос, а также на иммунитет и на восприимчивость организма к инфекциям или раку. Эти результаты демонстрируют на уровне генома, что адаптация популяций к климату сформировала фенотипическое разнообразие, которое мы наблюдаем сегодня среди людей.

Изменение пигментации кожи – один из самых поразительных примеров фенотипического разнообразия человека. В отличие от других приматов кожа человека лишена густого волосяного покрова и напрямую контактирует с окружающей средой. Таким образом, нахождение под прямыми лучами солнца является основной движущей силой эволюции пигментации человека, при этом отбор благоприятствует темной пигментации в низких географических широтах, так как она обеспечивает защиту от вызываемых солнцем повреждений кожи (например, меланомы), и помогает избежать разрушения светом фолиевой кислоты – ключевого метаболита, необходимого для развития нервной трубки у эмбрионов, а также сперматогенеза. С другой стороны, отбор благоприятствует более светлой пигментации в высоких широтах – она необходима для поддержания выработки витамина D, синтезируемого в коже под воздействием ультрафиолетовых лучей, в зонах, где уровень УФ-излучения более низкий.

За последнее десятилетие был идентифицирован целый ряд генов, связанных с изменением цвета кожи, и в некоторых из них присутствуют сигнатуры положительного отбора. Кроме того, на основании недавно проведенного анализа 230 образцов древних индивидов, живших в разные времена, от 8000 до 2000 лет назад, ученые пришли к заключению, что генетический вариант, связанный с кожей более светлого цвета, вероятно, закрепился у европейцев относительно поздно – в течение последних четырех тысяч лет.

Хотя было идентифицировано множество мутаций, связанных с цветом кожи, большинство исследований касались европейских популяций. К сожалению, это достаточно общее правило для исследований в геномике человека, из-за чего генетические основы цвета кожи индивидов в Азии или в Африке остаются плохо изученными. В той же самой Африке существует бесконечное разнообразие пигментации кожи, и гамма ее оттенков очень широка: от интенсивно темного цвета у нилотских скотоводов до гораздо более светлого оттенка у охотников-собирателей сан в Южной Африке. За последнее время два исследования были посвящены этому вопросу – одно Сары Тишкоф из Пенсильванского университета, другое – Бренны Хенн из Калифорнийского университета в Дейвисе. В результате были идентифицированы новые гены, связанные с пигментацией кожи в африканских популяциях. Помимо этого, исследования показали, что пигментация кожи в Африке имеет гораздо более сложную генетическую основу, чем в Европе, где изменчивость фенотипа объясняется небольшим количеством мутаций. Вместе с тем географическое распределение африканских мутаций, отвечающих за пигментацию кожи, представляется результатом генетической адаптации к разным широтам. В ряде случаев эти мутации могут быть связаны с миграциями – как в случае мутации, вызвавшей более светлый цвет кожи и появившейся в Восточной Африке вследствие притока генов из Евразии за период от 3000 до 9000 лет назад.

Все исследования сходятся на том, что пигментация кожи людей является признаком, находящимся под сильным влиянием естественного отбора. Зато похоже, что в эволюционном процессе пигментации глаз и волос – о ее генетической основе мы узнаем сегодня все больше и больше – естественный отбор не играет значительной роли. Вероятно, в современном распределении этих фенотипов задействованы другие факторы – специфические демографические явления или дрейф генов.

Половой отбор также важен для эволюции человеческих фенотипов. Он определяется «сексуальной» конкуренцией, когда при выборе полового партнера предпочтение отдается определенным физическим, морфологическим характеристикам – например, цвету волос или глаз. Дарвин твердо верил, что половой отбор является главной силой, формирующей фенотипические различия между популяциями людей. Тем не менее, роль полового отбора в распределении цвета волос и глаз среди человеческих популяций еще не изучена во всех деталях. Что касается его влияния на пигментацию кожи, то, как представляется, большой роли он не сыграл, но, возможно, повысил уровень полового диморфизма (различия во внешности мужских и женских особей одного и того же вида), выраженного в отдельных популяциях цветом кожи. Действительно, некоторые исследования показывают, что в ряде культур Восточной и Южной Азии мужчины предпочитают женщин с более светлой кожей: возможно, этот факт тоже повлиял на более светлую пигментацию, в принципе наблюдаемую у женщин по причине острой нехватки витамина D в период беременности и лактации.

Холод и омега-3 жирные кислоты

Но кроме солнца есть еще и холод… Безусловно, арктический климат – один из самых суровых на Земле, с его низкими температурами и скудным освещением. Это настоящий вызов для адаптации любого живого существа, и человека в том числе. Представители многих культур, живущие на территории Арктики, смогли приспособиться к такому климату – среди них чукчи и эвенки в Сибири, саамы на севере Европы, а также инуиты в Северной Америке и Гренландии. Этим популяциям пришлось адаптироваться не только к морозам, но и к питанию дарами моря, богатому омега-3 полиненасыщенными жирными кислотами: большим содержанием этих кислот отличается мясо тюленей и китов, а также рыба, обитающая в холодных морях. Генетическая основа адаптации к холоду и такой своеобразной диете долго оставалась неизученной. Но в последнее время этому вопросу был посвящен ряд исследований, изучающих изменчивость генома и формы естественного отбора в популяциях, живущих на Крайнем Севере.

Первое исследование, в 2014 году, было проведено на популяциях чукчей, эскимосов и коряков из Восточной Сибири. Секвенируя их геномы и сравнивая их с генетическим материалом других популяций, живущих за полярным кругом, исследователи идентифицировали несинонимическую мутацию в гене CPT1A, которая часто (около 70 %) присутствует в этих популяциях, демонстрируя выраженные сигнатуры положительного отбора. Встречаемость этой мутации быстро выросла в период от 6000 до 23 000 лет назад по причине одного из самых высоких коэффициентов отбора, когда-либо обнаруженных в человеческих популяциях. Та же самая мутация присутствует у 50 % инуитов Канады и Гренландии. Но эта мутация также ассоциируется с гипогликемией и высокой детской смертностью.

Почему же мутация, связанная с вредоносным для человека эффектом и напрямую влияющая на выживаемость, стала объектом положительного отбора? И как она достигла такой высокой распространенности? Ответ заключается в функции белка, кодируемого геном CPT1A, – он транспортирует длинноцепочечные жирные кислоты в митохондрии для дальнейшего использования в реакции окисления. Таким образом эта мутация, пусть и вредоносная, дает популяциям полярных областей преимущество в обмене веществ, позволяющее им усваивать пищу, богатую жирами. Позже мы увидим и другие примеры этого парадокса эволюции – то есть вредных побочных эффектов естественного отбора в прошлом, действующих на здоровье индивидов в настоящем.

Следуя той же логике, два независимых исследования изучили, каким образом инуиты Гренландии адаптировались к окружающей их среде. Первое искало генетические основы диабета второго типа, уровень заболеваемости которым особенно высок в этой популяции. Проведя генетический анализ ассоциаций, ученые идентифицировали мутацию в гене TBC1D4, влияющую на повышение уровней глюкозы и инсулина в крови. Эта мутация встречается с частотой около 20 % у инуитов, но она практически отсутствует у всех других популяций в мире. Хотя и соблазнительно думать, что адаптация к традиционному для инуитов гипогликемическому режиму питания благоприятствовала распространению этой мутации, которая, помимо прочего, влияет на усвоение глюкозы, выбор между двумя гипотезами – влиянием отбора и дрейфом генов – пока остается открытым.

Именно этому вопросу посвящено второе исследование, изучавшее, каким образом естественный отбор участвовал в адаптации инуитов к холодному климату и богатой жирами пище. Если рассматривать целый геном, то наиболее выраженные сигнатуры находятся в области генов, связанных с превращением насыщенных жирных кислот в ненасыщенные (так называемая десатурация) (FADS1-FADS2-FADS3), за которыми следуют два гена (WARS2 и TBX15), влияющие на соотношение обхвата бедра и талии и на дифференциацию адипоцитов, что предполагает возможное участие в адаптации к холоду. Что же касается давления отбора на гены FADS, то кажется логичным думать, что оно связано с диетой инуитов, богатой жирными кислотами. Еще более интересен факт, что эти же самые гены сильно влияют на рост и вес, а также препятствуют повышению уровней холестерина и триглицеридов. Этот пример наглядно показывает, как плейотропия (явление, когда один и тот же ген задействован в формировании нескольких фенотипических признаков) может оказывать серьезное влияние на фенотип популяции. Действительно, естественный отбор благоприятствовал мутациям в генах FADS в ответ на режим питания инуитов, но оказалось, что они влияют не только на метаболизм жирных кислот, но и на другие характеристики фенотипа – такие, как маленький рост.

Исследование, проведенное в 2018 году, целенаправленно сосредоточилось на адаптации к холоду, изучая эволюционную историю гена TRPM8 – это единственный известный температурный рецептор, задействованный в распознавании холода и реакции на него с помощью физиологической терморегуляции. Описана мутация гена в его регуляторной области: мы находим в популяциях, живущих в северных широтах, вариант гена TRPM8, который изменяет уровень его экспрессии и имеет признаки положительного отбора. Два доказательства поддерживают предположения об адаптивной природе этой мутации: значительная разница в частоте встречаемости мутации в зависимости от популяции и ее географическое распределение. Ее частота варьируется от 5 % (у нигерийцев) до 88 % (у финнов). И следовательно, ее географическое распространение зависит от широты и от температуры.

Тем не менее, речь идет не о естественном отборе путем классического селективного выметания, но скорее об отборе среди существующего разнообразия. Мутация гена, задействованного в терморегуляции (TRPM8), появилась еще в Африке, где ее эволюция была нейтральной. А вот в Евразии она стала появляться все чаще с началом положительного отбора около 25 000 лет назад, совпавшим по времени с последним ледниковым максимумом. Сравнение этой информации с данными древней ДНК указывает, что мутация распространилась в Европе с очень высокой частотой от 3000 до 8000 лет назад. Но есть и цена, которую пришлось заплатить за адаптацию к холоду: эта мутация также связана с высокой предрасположенностью к мигрени, и этим объясняется значительно большая встречаемость этой болезни в популяциях европейского происхождения.