Эволюция человека том 1: Обезьяны кости и гены 2011 - Александр Марков

 В эволюции приматов, в том числе человекообразных, ретрогены появлялись довольно часто. Ген CDC14Bretro появился 18—25 млн лет назад у общих предков человекообразных обезьян (гиббонов, орангутанов, горилл, шимпанзе и людей) в результате ретродупликации. Его "родителем" был очень древний ген CDC14B, первые варианты которого появились еще у одноклеточных. Функция этого гена (точнее, кодируемого им белка) состоит в регуляции некоторых стадий клеточного деления. Ген весьма консервативен, то есть мало меняется в ходе эволюции, что говорит о важности выполняемой им функции. Варианты CDC14B настолько похожи у разных организмов, что если у дрожжей удалить этот жизненно необходимый ген и вместо него вставить человеческий аналог, то дрожжевые клетки совершенно нормально живут и делятся.

 Как же сложилась судьба ретрокопии этого гена, которая появилась у древних человекообразных?

 Здесь необходимо еще одно пояснение. Исходный ген CDC14B у приматов подвергается альтернативному сплайсингу, то есть из незрелой матричной РНК, считанной с этого гена, может быть "нарезана" не одна, а несколько — в данном случае четыре — разных зрелых матричных РНК (которые используются затем для синтеза четырех различающихся вариантов белка). Подробнее о явлении альтернативного сплайсинга рассказано в книге "Рождение сложности". Предком CDC14Bretro является один из четырех сплайс-вариантов, который исследователи обозначили как CDC14Bpar {от parent — "родитель"). Остальные варианты получили названия CDC14B1, CDC14B2 и CDC14B3.

 Затем авторы проверили, в каких тканях производятся соответствующие молекулы РНК. Картина получилась любопытная. Оказалось, что все четыре сплайс-варианта исходного гена CDC14B производятся во всех тканях человеческого организма, однако его ретрокопия CDC14Bretro работает (экспрессируется) только в мозге и семенниках. Особенно интересно, что ретроген активно работает во время раннего эмбрионального развития в переднем мозге эмбриона, в той области, из которой впоследствии развивается кора больших полушарий.

 Похоже на то, что пока "родительский" ген продолжал заниматься своей старинной работой — регуляцией клеточных делений во всех тканях, — его ретрокопия занялась чем-то более специфическим в мозге и в семенниках. Эта смена тканевой локализации, по-видимому, произошла еще до отделения предков гиббонов от предков остальных человекообразных, то есть вскоре после дупликации, 18—25 млн лет назад. Это подтверждается тем, что у гиббонов, шимпанзе и людей ретроген экспрессируется в одних и тех же тканях — в семенниках и в мозге (горилл и орангутанов пока не проверяли).

 Интересные результаты дал также анализ изменений нуклеотидной последовательности ретрогена в ходе эволюции.

Сопоставив последовательности гена CDC14Bretro разных человекообразных обезьян с эволюционным деревом этой группы, авторы реконструировали "ископаемые" варианты этого гена, которые имелись у вымерших предков, а также установили, какие нуклеотидные замены и в каком количестве произошли в каждой отдельной веточке. Как известно, нуклеотидные замены делятся на синонимичные, не ведущие к изменению структуры кодируемого белка, и несинонимичные, или значимые. Первые находятся вне сферы внимания естественного отбора и могут накапливаться свободно. Вторые влияют на фенотип и поэтому либо отсеиваются отбором (если они вредны), либо, наоборот, распространяются в популяции и в конце концов фиксируются (если они полезны). Поэтому по соотношению синонимичных и значимых замен можно судить о том, находился ли данный ген под действием одного из двух вариантов отбора. Если синонимичных замен много, а значимых мало, то ген находился под действием отрицательного (очищающего) отбора, который отбраковывал большинство значимых замен. Если доля значимых замен повышена, то ген находился под действием положительного отбора, который способствовал фиксации полезных изменений.

 Так вот, оказалось, что ген CDC14Bretro в ходе эволюции гоминоидов почти всегда находился под действием очищающего отбора, и только однажды он подвергся кратковременному, но сильному действию положительного отбора. Этот период соответствует веточке дерева, которая соединяет общего предка орангутанов и африканских человекообразных обезьян (= горилла + шимпанзе + человек) с общим предком последних. Движущий отбор действовал на данный ген только в промежутке от 14 до 7 млн лет назад и только в одной эволюционной линии, которая соответствует общим предкам африканских человекообразных обезьян (после отделения от этой линии предков орангутанов и до разделения ее на линии, ведущие к горилле и к предку шимпанзе и человека). За этот период в гене зафиксировалось 12 значимых замен и ни одной синонимичной.

 Большинство значимых замен, зафиксировавшихся у предков африканских человекообразных, расположены в концевых участках гена, от которых зависит, в какие части клетки будет доставляться белок. Поэтому авторы решили проверить, в каких частях клетки работают белки, кодируемые четырьмя сплайс-вариантами CDC14B и ретрогеном CDC14Bretro. Оказалось, что два из четырех сплайс-вариантов скапливаются в клеточном ядре, а два другие, в том числе "предковый" вариант CDC14Bpar, локализуются в цитоплазме и прикрепляются к микротрубочкам — особым внутриклеточным структурам, играющим важную роль в клеточном делении.

 Белки, кодируемые ретрогеном CDC14Bretro, у гиббона и орангутана ведут себя так же, как их молекулярный предок — сплайс-вариант CDC14Bpar, то есть прикрепляются к микротрубочкам. Однако белки, кодируемые тем же ретрогеном у гориллы, шимпанзе и человека, ведут себя иначе: они игнорируют микротрубочки и вместо этого прикрепляются к мембранам эндоплазматической сети (системы внутриклеточных каналов, служащей для синтеза и транспорта различных веществ).

 Авторы не поленились изготовить "ископаемые" белки по реконструированным последовательностям генов, которые имелись у (1) общего предка орангутана и африканских человекообразных и (2) общего предка африканских человекообразных. Таким образом, были воссозданы белки, существовавшие до и после периода интенсивного положительного отбора. Эти белки затем внедрили в живые клетки. Оказалось, что первый (более древний) воскрешенный белок липнет к микротрубочкам, как у орангутана и гиббона, а второй — к эндоплазматической сети, как у гориллы, шимпанзе и человека.

 Дополнительные эксперименты подтвердили, что основной "смысл" тех двенадцати значимых замен, которые зафиксировались в период действия положительного отбора, состоял именно в том, чтобы изменить внутриклеточную локализацию белка — направить его от микротрубочек к эндоплазматической сети. Кроме того, три из этих замен должны были немного изменить свойства активного центра белка — так называемого фосфатазного домена. К сожалению, конкретная биохимическая функция всех этих родственных белков неизвестна, но определенно можно сказать следующее. "Изначальный" вариант белка, кодируемый сплайс-вариантом CDC14Bpar; занимался отрезанием фосфатных групп у какого-то вещества в окрестностях микротрубочек и тем самым управлял клеточным делением. Примерно то же самое поначалу делал и белок, кодируемый вновь образовавшимся ретрогеном CDC14Bretro, но уже не во всех тканях, а только в мозге и семенниках (почему произошло изменение тканевой специфичности, пока неясно). У гиббонов и орангутанов он продолжает этим заниматься до сих пор.

 Затем 14—7 млн лет назад у предков африканских человекообразных обезьян ретроген попал под действие положительного отбора и быстро накопил 12 значимых замен, которые привели к смене внутриклеточной локализации и функции белка. Теперь белок стал присоединяться к мембранам эндоплазматической сети и отрезать фосфатные группы у какого-то другого вещества (об этом свидетельствует изменение активного центра). Скорее всего, все началось с какой-то одной случайной замены, которая чуть-чуть изменила свойства белка, так что это изменение оказалось полезным и создало "зацепку" для отбора — возникло слабое полезное отклонение в "удачном" направлении. После этого отбор быстро оптимизировал структуру гена для выполнения новой функции, закрепив еще и мутаций.

 Разобранный пример показывает, как в результате дупликации генов и последующей игры случайности (мутаций) и необходимости (отбора) может возникнуть — а может и не возникнуть! — белок с новыми свойствами и функциями.

Гены, которые мы потеряли

Эволюция гоминид сопровождалась не только приобретениями, но и потерями. Некоторые гены, которые у шимпанзе и других обезьян нормально работают, у человека выключились, превратились в молчащие псевдогены. В 1999 году Мэйнард Олсон из Вашингтонского Университета (Сиэтл, США) предложил гипотезу, известную под названием less is more ("меньше значит больше"), согласно которой утрата генов может открывать путь для прогрессивных преобразований. Например, выключение гена MYH16, по всей видимости, привело к уменьшению жевательной мускулатуры у предков рода Homo, а это, в свою очередь, стало одной из предпосылок увеличения мозга (известно, что в эволюции млекопитающих две функции головы — жевательная и думательная — находятся в извечном конфликте).