Гены, кости и разум

Гены – это единицы наследуемости, которые отбираются природой и передаются следующим поколениям. Природа отслеживает физические проявления генов (фенотип), и, если они повышают шансы организма на выживание, ответственная за них ДНК наследуется и передается следующим поколениям. Гены – это матрица, на которой выстроена жизнь.

Представления о том, как ДНК превращается в живую материю, коренным образом изменились буквально за несколько последних лет. По двум причинам. Первая: последовательное изучение механизма функционирования генетического кода, генетических различий между людьми, их распределения в популяции в прошлом и в настоящем, а также связи между дефектными генами и болезнью. Генетический код в форме генов содержит биологическую информацию; гены рассредоточены среди трех миллиардов букв в составе ДНК, разделенной на 23 хромосомы и находящейся в маленьком ядре в центре большинства клеток. Все люди имеют один и тот же набор генов, но последовательность генов у разных людей может немного различаться, и именно эти различия определяют все естественные вариации человеческих признаков. Хотя нам еще многое предстоит узнать, мы уже хорошо представляем себе, как устроен геном и как последовательность букв ДНК превращается в жизнь. Чем ближе родственная связь между особями, тем больше сходство между их геномами. Это правило применимо к семьям, к особям одного вида и к представителям разных видов. Поскольку у нас одинаковые гены, мы можем сравнивать различия в последовательностях, чтобы понять, имеют ли они какое-то значение. В американском и британском вариантах английского языка встречаются разные формы написания одних и тех же слов, но выражения colour grey и color gray на обоих берегах Атлантики означают одно и то же. Напротив, слова appeal и appal отличаются всего одной буквой, но их смысл почти противоположен. Со временем ДНК изменяется за счет генетического эквивалента опечаток – орфографических ошибок, закрадывающихся в текст при неточном копировании и невнимательной проверке белками, ответственными за вычитывание последовательностей ДНК после репликации. Эти ошибки накапливаются почти с постоянной скоростью, так что различия в последовательностях генов разных людей и разных видов можно использовать для отсчета времени на часах, запущенных в тот момент, когда конкретная опечатка возникла в сперматозоиде или яйцеклетке предка и была передана его ребенку. Небывалые успехи в секвенировании генома за последние годы сделали расшифровку биологического кода легкой, быстрой и дешевой, и теперь у нас есть петабайты ДНК миллионов людей и животных.

Вторая причина революционного изменения генетики за последние годы также связана с техническими достижениями, но в приложении к расшифровке генома людей, умерших годы, десятилетия, столетия или даже сотни тысячелетий тому назад. ДНК – невероятно стабильная форма хранения информации. В живых клетках она активно поддерживается в надлежащей форме с помощью белков, которые проверяют и редактируют ее при каждом копировании, максимально снижая количество ошибок. В мертвых клетках никакого редактирования не происходит, но в правильных условиях (в сухой и прохладной атмосфере и в присутствии минимального количества других организмов) ДНК может сохраняться тысячелетиями. На основании генов мертвых мы можем установить генетические связи, которые в противном случае были бы потеряны во времени.

Эти два прорыва в генетике привели нас к новому пониманию наследственности и позволили перерабатывать горы информации в форме последовательностей геномов; из нее с помощью мощных статистических методов можно извлечь даже едва заметные закономерности. Вооружившись этими новыми инструментами, мы продвигаемся в понимании того, как древние люди превратились в современных людей.

24 – 2 = 23

Принадлежность к виду организмов определяется по морфологическим признакам, а не по ДНК. Такая таксономическая классификация используется по историческим причинам – мы обозначаем организмы в соответствии с этой системой с тех пор, как Линней в XVIII в. ввел биноминальную номенклатуру: название рода, потом название вида (Homo и sapiens, Pan и troglodytes). Геном каждого человека уникален, но геномы всех людей достаточно похожи, чтобы всех нас отнести к одному виду. Важно, что ныне живущие люди в большинстве своем имеют одинаковое количество хромосом. Хромосомы – это длинные последовательности ДНК, в которых содержатся гены (у каждого из нас порядка 20 000). Все наши гены распределены по 23 парам хромосом. У горилл, шимпанзе, бонобо и орангутанов 24 пары хромосом.

Хромосомы различаются по размеру, например, хромосома 2 – одна из самых длинных: она содержит 8 % всей нашей ДНК и примерно 1200 генов. Она такая большая, поскольку в какой-то момент, быть может шесть или семь миллионов лет назад, у одного из представителей общих предков всех человекообразных обезьян родился ребенок с серьезной хромосомной аномалией. В процессе образования яйцеклетки и сперматозоида, слияние которых дало начало этой новой жизни, при репликации хромосом две из них каким-то образом сцепились между собой. При сравнении хромосом всех гоминид хорошо видно, что гены, содержащиеся на нашей хромосоме 2, у шимпанзе, орангутанов, бонобо и горилл распределены между двумя хромосомами.

Большинство мутаций такого плана являются летальными или вызывают ужасные заболевания, но этой обезьяне повезло – она родилась с полностью функциональным геномом, который в значительной степени отличался от генома ее родителей. С этого самого момента началась линия организмов с 23 парами хромосом, которая протянулась до нас с вами.

Теперь мы знаем последовательности геномов неандертальцев и денисовцев, но, к сожалению, на основании тех фрагментов ДНК, которые мы извлекли из их костей, мы не можем сказать, сколько у них было хромосом. Мы предполагаем, что эти наши родственники тоже имели по 23 пары хромосом, но точно не узнаем, пока не выделим из редких содержащих ДНК костей образцы более высокого качества. Известно, что мы скрещивались с этими людьми, а разное количество хромосом часто является препятствием для репродукции, хотя и не всегда: представители единственного современного рода «лошади» из семейства лошадиных, куда относятся лошади, ослы и зебры, могут спариваться друг с другом, хотя количество хромосом у них варьирует от 16 пар до 31 пары. Впрочем, никто не понимает, как это возможно.

Нам не удалось выделить ДНК из многих образцов костей древнейших представителей человеческой линии и, возможно, никогда не удастся, поскольку большинство наших древнейших предков жили в Африке, где жарко и ДНК сохраняется очень плохо. Вполне вероятно, что после отделения линий предков шимпанзе, бонобо, горилл и орангутанов остальные гоминиды имели 23 пары хромосом.

Гены транслируются в белки, а белки делают всю работу в организме. Буквально всю – от формирования волос и мышечных волокон до синтеза компонентов жировых и костных клеток или осуществления каталитической функции в переработке пищи, энергии и отходов жизнедеятельности. Едва заметные вариации последовательности генов могут приводить к изменению формы или активности белков, и именно поэтому у одних людей глаза голубые, а у других карие, некоторые люди сохраняют способность переваривать молоко после выхода из младенческого возраста, хотя большинство ее теряют, у кого-то после употребления в пищу спаржи моча имеет специфический запах, а у кого-то нет (и кто-то чувствует этот запах, а кто-то нет). Генетические различия отражаются в физических. Специфические последовательности ДНК мы называем генотипом, а кодируемые ими физические характеристики – фенотипом.

Изменения в ДНК происходят случайным образом и являются предметом отбора в зависимости от того, обеспечивают ли они фенотипические преимущества или недостатки для выживания организма. Со временем неудачные мутации обычно вымываются из генома, поскольку снижают приспособленность организмов, а удачные распространяются. Некоторые мутации могут одновременно обеспечивать как преимущества, так и недостатки: наличие одной дефектной копии гена бета-цепи гемоглобина защищает от малярии, наличие двух копий приводит к развитию серповидно-клеточной анемии. А некоторые (нейтральные) мутации, от которых организму не хорошо и не плохо, просто дрейфуют в популяции.

Хотя у человека и человекообразных обезьян почти все гены одинаковые, некоторые в небольшой степени различаются, а какие-то появились только в нашем геноме. И поэтому мы отличаемся от других. Существует множество механизмов, посредством которых за несколько поколений гены и геномы могут изменяться и генерировать новую информацию. Такие гены могут подвергаться отбору и через какое-то время создать некую комбинацию, которая послужит основой для формирования нового вида. Я не буду описывать все эти механизмы, поскольку в различных организмах их существует множество. Но некоторые механизмы возникновения мутаций важны для понимания человеческого генома, и о них стоит поговорить подробнее.