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

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).

 Многие гены, выключившиеся у предков человека, связаны с обонянием и иммунитетом (Wang et al., 2006). Обонятельные гены в принципе могли отключиться просто "за ненадобностью". В борьбе за выживание хороший нюх едва ли давал нашим предкам большое преимущество, и естественный отбор не выбраковывал особей со слабым обонянием. Но как естественный отбор мог допустить потерю генов иммунной защиты? Возможно, это объясняется изменением условий жизни наших предков, а также тем, что иммунная система иногда может вредить организму излишней бдительностью. Неумеренная агрессивность иммунной системы порой ведет к опасным "аутоиммунным" заболеваниям, таким как рассеянный склероз. У мышей с искусственно выключенным иммунным геном Mbh реже развивается сепсис, так что отключение этого гена в определенных условиях может повышать выживаемость. Человеческий ген Mbl1, как выяснилось, выключен у 100 % лиц внеафриканского происхождения и у 89 % африканцев. "Испортившая" его мутация возникла, по-видимому, незадолго до выхода сапиенсов из африканской прародины. Носители мутации явно получили какое-то важное преимущество, потому что мутация начала быстро распространяться.

 Об этом говорит анализ изменчивости прилегающих участков ДНК. Как и следовало ожидать, исходя из гипотезы о положительном отборе, вариабельность этих участков оказалась ниже у лиц с выключенным геном по сравнению с носителями исходного "рабочего" варианта (Это, как уже говорилось, еще один характерный признак действия положительного отбора. Полезная мутация, распространяясь в популяции, "тащит" за собой и прилегающие к ней участки ДНК. Мутация изначально возникает у кого-то одного, поэтому и все копии этих прилегающих участков поначалу одинаковы (пока в них не накопятся нейтральные изменения)). Для остальных отключенных генов доказать прямое действие отбора сложнее: они замолчали раньше, и следы отбора уже стерлись. Но и одного примера достаточно, чтобы показать, что утрата генов могла быть выгодна нашим предкам.

 Повышенный уровень отключения (псевдогенизации) среди обонятельных и иммунных генов может иметь и иное объяснение. Дело в том, что между обонятельной и иммунной системами существует глубокая и не до конца еще понятая связь. По-видимому, обе эти системы играют важную роль в регуляции социальных отношений и выборе брачных партнеров. Запах партнера может играть решающую роль при возникновении влечения. Компоненты иммунной системы, по-видимому, играют ключевую роль в производстве и восприятии персональных запахов у позвоночных животных (Куликов, Марков, 2009). Возможно, отключение соответствующих генов в ходе эволюции гоминид было связано с растущей ролью разумной, сознательной регуляции общественных отношений, для которой более архаичные механизмы контроля социального и полового поведения могли быть помехой. В частности, снижение остроты обоняния у ранних гоминид могло способствовать становлению нового типа общественных отношений, основанных на моногамии и низком уровне внутригрупповой агрессии (см. главу "Двуногие обезьяны").

Древняя вирусная инфекция сделала людей беззащитными перед ВИЧ

Эндогенные ретровирусы представляют собой нечто вроде археологической летописи древних вирусных инфекций, с которыми приходилось когда-то сталкиваться данному виду животных или его предкам.

 Поразительные факты обнаружили молекулярные биологи из нескольких научных учреждений Сиэтла (США, штат Вашингтон) в ходе изучения эндогенного ретровируса PtERV1 (Pan troglodytes endogenous retrovirus), сотни копий которого присутствуют в геномах шимпанзе и гориллы (Kaiser et al., 2007). В человеческом геноме этого ретровируса нет. При этом, однако, у человека есть защитный антивирусный белок TRIM5a (компонент системы врожденного иммунитета), который эффективно защищает нас от не опасного для человека ретровируса, отдаленно напоминающего PtERV1, — вируса лейкемии мышей N-MLV.

 Интерес к белку TRIM5a — одному из сотен бойцов противовирусного фронта — связан с тем, что у многих приматов (например, у тех же горилл) этот белок обеспечивает эффективную защиту от ВИЧ, а у человека, к несчастью, он совершенно бессилен против этой смертельной инфекции.

 Эволюция TRIM5a у приматов протекала очень интенсивно. Этот белок распознает белки оболочки (капсида) ретровируса, прикрепляется к ним и способствует разрушению вирусной частицы. Та часть белка TRIM5a, которая отвечает за узнавание капсидных белков, чаще других попадала под действие отбора и претерпевала быстрые эволюционные изменения (это видно по высокой доле значимых нуклеотидных замен по сравнению с синонимичными). Как минимум один раз это произошло и в человеческой эволюционной линии после ее отделения от линии шимпанзе.

 Картина, в общем, ясная: время от времени разные виды приматов сталкивались с какой-нибудь новой опасной ретровирусной инфекцией, и в результате отбирались те варианты TRIM5a, которые обеспечивали наиболее эффективную защиту отданного ретровируса.

 Ученые предположили, что человеческий вариант TRIM5a был адаптирован для борьбы с древним вирусом PtERV1, который 3—4 млн лет назад поразил предков шимпанзе и горилл. Почти наверняка он представлял угрозу и для наших предков австралопитеков ("Почти наверняка" — потому что шимпанзе ближе к австралопитекам, чем к гориллам). Возраст вируса (3—4 млн лет) был установлен по числу различий, накопившихся между разными копиями PtERV1, сохранившимися в геномах шимпанзе и горилл. Сопоставление этих копий также позволило реконструировать исходную нуклеотидную последовательность вирусного генома, а заодно и доказать, что все копии действительно происходят от единого общего предка, которым когда-то заразились гориллы и шимпанзе.

 После этого ученые частично воскресили ископаемый вирус. За основу был взят вирус мышиной лейкемии, часть генома которого была заменена реконструированными последовательностями PtERV1. В частности, заменили ген, кодирующий капсидный белок — тот самый, который распознается защитным белком TRIM5a. Получившийся химерный вирус оказался вполне жизнеспособным (в дальнейшем будем называть его просто вирусом PtERV1, поскольку те части его генома, которые остались от вируса мышиной лейкемии, в контексте данного исследования ни на что не влияют).

 Ученые проверяли инфекционность вирусов и эффективность защитных белков на лабораторной культуре почечных фибробластов кошки. Эти клетки не имеют никаких средств защиты от известных ретровирусов. В них, однако, можно внедрять чужеродные гены(например, ген человеческого белка TRIM5a), и тогда клетки могут приобрести устойчивость к тем или иным вирусным инфекциям.

Эффективность белка TRIM5a против вирусов PtERV1 и ВИЧ (HIV-1). Вверху — схема строения белка TRIM5a, показаны основные функциональные блоки (домены). Домен В30.2 служит для узнавания капсидных белков ретровирусов. Показан ключевой участок этого домена (patch), включающий десять аминокислот. Звездочкой отмечена аминокислота, стоящая в 332-й позиции. Внизу слева — эволюционное дерево исследованных видов приматов. Две колонки цифр справа отражают эффективность защиты клеток белком TRIM5a от вирусов. Каждое число показывает, во сколько раз меньше клеток заражает вирус, если клетки производят белок TRIM5а По рисунку из Kaiser et al., 2007.

 Оказалось, что человеческий TRIM5a весьма эффективно защищает клетки от вируса PtERV1. Вирус заразил 4,1% контрольных "беззащитных" клеток и только 0,03% клеток,вырабатывающих человеческий TRIM5a. Таким образом, люди обладают мощным врожденным иммунитетом к доисторическому вирусу, которого давно нет в природе.

 Затем исследователи решили выяснить, какие изменения в белке TRIM5a обеспечили его эффективность по отношению к PtERV1. Ранее было установлено, что важную роль в распознавании белком TRIM5a тех или иных вирусов играет маленький участок белковой молекулы длиной в десять аминокислот, с 330-й по 339-ю позицию. Внимание исследователей привлекла позиция 332. У предков человекообразных здесь стояла аминокислота глутамин (Q). Это предковое состояние сохранилось у гиббонов, орангутанов и горилл, а у человека и шимпанзе глутамин заменился аргинином (R).