Инвазия

Еще одна важная деталь, о которой стоит сказать: в генетическом плане мы не полностью люди, примерно 8 % нашего генома не унаследовано нами от предков. Эта ДНК встроилась в наш геном усилиями других существ, пытавшихся наладить собственную репликацию. Вирус можно сравнить со взломщиком, который врывается на фабрику и подменяет рабочую схему своей собственной, в результате чего фабрика начинает производить то, что нужно ему, а не хозяину фабрики. Когда вирус взламывает стены наших клеточных фабрик, он приносит туда свою ДНК (или РНК)[61] и может встроить ее в наш геном, и тогда наши клетки начинают исполнять приказы вируса и производить новые вирусы. Чаще всего такие инсерции (вставки) вредны для организма. Многие симптомы простуды и других вирусных заболеваний связаны с тем, что наша иммунная система реагирует на вторжение чужеродной материи или наши клетки по команде вируса убивают сами себя. Иногда вставки встраиваются в середину гена, ограничивающего частоту деления клетки, и тогда начинается неконтролируемое деление — развивается опухоль. Но иногда вирусные гены просто сидят в нашем геноме и ничего не делают. ДНК вируса встроилась, но на организм это никак не повлияло. В ходе эволюции человека такое происходило множество раз, и именно так возникло 8 % нашей ДНК. Для сравнения, это гораздо больше, чем количество ДНК в составе наших генов, и больше размера некоторых хромосом, включая Y-хромосому. Если так рассуждать, мужчины в большей степени вирусы, чем мужчины.

Чужеродная ДНК отвечает за некоторые функции в нашем организме, но один пример выделяется на фоне остальных: речь идет о формировании плаценты. В теле существуют специализированные ткани с изумительным названием синцитий. Они содержат множество ядер и образуются при слиянии клеток в процессе развития некоторых тканей мышц, костей и сердца. В плаценте клетки синцития формируют высокоспециализированную и важную ткань с еще более великолепным названием синцитиотрофобласт. Это своего рода шиповидные выросты развивающейся плаценты, которые внедряются в стенки матки и обеспечивают контакт между телом матери и эмбрионом; через них происходит обмен жидкостями, питательными веществами и отходами жизнедеятельности. Эта же ткань подавляет иммунный ответ матери, что предотвращает отторжение растущего плода как чужеродной материи. Эти клетки — центральный элемент репродукции человека, необходимый для зарождения одной жизни внутри другой. Гены, обеспечивающие их рост, не являются человеческими генами. Примерно 45 миллионов лет назад приматы приобрели их у вируса. Вирусу они нужны для слияния с хозяйской клеткой, и они тоже подавляют иммунный ответ на инфекцию. Но они были захвачены нашим геномом и стали необходимыми для успешного протекания беременности. Понятное дело, млекопитающие обзавелись плацентой гораздо раньше, чем 45 миллионов лет назад, и это очередная невероятно таинственная и удивительная история в эволюции. Мыши, у которых тоже есть синцитиотрофобласт, имеют очень похожий набор генов, приобретенный от вируса, но только от другого. Это невероятный пример конвергентной эволюции на молекулярном уровне. В ходе эволюции генетическая программа вируса несколько раз почти идентичным способом применялась для развития млекопитающих.

Кисти и стопы

У человека есть специфические сочетания дуплицированных генов, а также версии генов, характерные только для него. Можно поговорить о том, что эти специфические гены делают в нашем организме.

Мы уже сравнивали поведение человека с поведением других животных, и такое сравнение можно продолжить на генетическом уровне. С другими организмами нас роднит множество генов, возникших миллиарды лет назад. В основном они кодируют фундаментальные биохимические процессы. Существуют гены, общие для всех животных, или для всех млекопитающих, или для всех приматов, или только для человекообразных обезьян. Генетическая генеалогия отчасти напоминает построение семейных эволюционных деревьев, но есть отличия. В значительной степени это связано с тем, что эволюционные деревья на самом деле не имеют формы деревьев. Если отступить назад всего на несколько поколений, можно обнаружить, что деревья превращаются в запутанные сети, поскольку наши предки появляются в нашей родословной более одного раза. Вот пример из доисторического прошлого: линии Homo sapiens и Homo neanderthalensis разошлись примерно 600 000 лет назад. Далее обе ветви эволюционировали независимо, но примерно 50 000 лет назад, когда Homo sapiens вторглись на территорию неандертальцев, мы скрестились с ними. Мы это знаем, поскольку нам известна последовательность генома неандертальца, и, если вы европеец, у вас совершенно точно есть ДНК неандертальцев, которая встроилась в наш геном именно в это время. Через несколько тысяч лет неандертальцы исчезли, но их ДНК осталась жить внутри нас. Она оказывает некоторое влияние на биологию европейцев: это касается пигментации кожи и волос, роста, характера сна и даже предрасположенности к курению[62], хотя это изобретение появилось лишь через несколько сотен тысяч лет после исчезновения неандертальцев. Таким образом, из-за интрогрессии ДНК неандертальцев в ваш геном (если вы европеец) на вашем эволюционном дереве имеется петля. А на деревьях обычно не бывает петель. Хотя в семьях гены в основном передаются по вертикали, семейные деревья могут иметь спутанные ветви, и гены могут вливаться в семейную линию из других источников — от дальних предков или даже, как мы видели, от вирусов. Кроме того, со временем гены могут теряться в результате естественного процесса перемешивания, происходящего всякий раз при образовании яйцеклеток и сперматозоидов.

Несмотря на сложность нашего происхождения, мы вполне можем сравнить нашу ДНК с ДНК денисовцев, неандертальцев и других гоминид и попытаться установить, насколько важную роль играют различия в ДНК.

Участок ДНК под названием HACNS1[63] не является геном в полном смысле слова. Этот фрагмент ДНК длиной 546 знаков называется энхансером, причем 16 из них у нас не такие, как у шимпанзе. Данная последовательность не является геном, поскольку она не кодирует белок, однако энхансеры (как и некоторые другие фрагменты некодирующей ДНК) регулируют работу генов. Во всех клетках, имеющих ядро, содержится полный набор генов, но не все клетки нуждаются во всех генах в любой момент времени. Энхансер обычно располагается перед последовательностью гена и содержит инструкции для его активации. Мы читаем предложения по порядку, от начала до конца, двигаясь слева направо (по крайней мере, в английском языке). Гены рассыпаны по всему геному и могут читаться в любом направлении, в любом порядке, с любой хромосомы, поскольку, в отличие от книги, их никто никогда не записывал в один присест по какому-либо плану. Ген на хромосоме 1 может активировать ген на хромосоме 22. Энхансеры и другие регуляторные последовательности ДНК контролируют этот кажущийся хаос.

Чтобы установить функцию энхансера, можно проверить, где и когда он активен, и экспериментальным путем проанализировать действие человеческой версии и версии шимпанзе в мышином эмбрионе. Человеческий энхансер HACNS1 активен во многих тканях мыши, включая головной мозг, но наибольшую активность он проявляет в развивающихся передних конечностях, особенно на концах отростков, которые постепенно превращаются в лапы. В таком же эксперименте с версией HACNS1 шимпанзе усиленной активности в этом участке обнаружено не было. Аналогичная ситуация наблюдается и в зачатках задних конечностей. Поскольку этот фрагмент ДНК является энхансером, а не геном, усиление активности в развивающихся кистях и стопах указывает на его функцию в качестве регулятора активности генов, которые в передних и задних конечностях, по-видимому, разные. Ловкость кистей рук чрезвычайно важна для изготовления орудий, и эта способность у нас развита намного сильнее, чем у других гоминид, в частности умение вращать большой палец (он у нас сравнительно длинный по отношению к другим пальцам). А недостаточно ловкие стопы с довольно короткими пальцами были важны для ходьбы на двух ногах. Вот такая удивительная теория о том, что быстрая эволюция этого короткого фрагмента ДНК сыграла важную роль в изменении морфологии наших кистей и стоп, отличающих нас от других существ.

Я могу привести еще несколько примеров генов, которые, возможно, являются генетической основой уникальных человеческих характеристик, но достаточно скоро будет обнаружено еще больше таких генов. Особый интерес вызывают гены, связанные с развитием мозга, поскольку мозг у нас большой и сложный, и поэтому за рост и функционирование нервных тканей у нас отвечает гигантское количество генов. Некоторые способствуют росту новых нейронов, другие стимулируют связи между нейронами. Какие-то гены активны в специфических отделах мозга, особенно в новой коре, в значительной степени определяющей наши способности и личностные качества. Многие гены — кандидаты на эту роль, отвечают не только за эти, но и за другие способности, поскольку эволюция — луддит, а адаптировать и подгонять то, что уже существует, проще и эффективнее, чем изобретать заново.

Удивительных генов множество (хотя многие выполняют скорее скучную работу), и мы продолжаем искать ответы на вопросы, как работают они, а также все 20 000 человеческих генов, как они эволюционировали, как взаимодействуют с другими составляющими нашей биологии и что происходит, когда в них возникают ошибки. Мы также должны понять, как они взаимодействуют друг с другом в контексте функционирования организма.

Легко и без запинки

Есть один ген, о котором стоит рассказать подробнее. Он многое может сообщить об истории нашего вида, об эволюции, о том, как мы рассуждаем об эволюции, — по той причине, что этот ген чрезвычайно важен для нашей способности говорить. Эта история началась в 1990-х гг. в Лондоне, в больнице Грейт-Ормонд-стрит. Членов одной семьи (условно названной KE) обследовали в связи с редкой формой вербальной апраксии: многие представители семьи испытывали трудности в сложении звуков в слоги, слогов в слова, слов в предложения. Эти симптомы проявлялись у 15 человек в трех поколениях, ярче всего у детей, которые, например, произносили «bu» вместо «blue» или «boon» вместо «spoon». Углубленные исследования показали, что эти люди испытывали трудности не только при артикуляции, но и в целом при выполнении некоторых специфических движений лица и рта. Когда какое-то нарушение просматривается в нескольких поколениях, мы составляем семейное дерево и помечаем на нем носителей этого порока развития. Можно предположить, что случайное перемешивание генов при формировании сперматозоидов и яйцеклеток не приводит к вымыванию этого повреждения из генома и оно сохраняется у некоторых представителей семьи. Характер наследования в семье KE указывает на то, что причиной дефекта является один-единственный ген. Сейчас ситуация в генетических исследованиях усложнилась невероятным образом, но в тот период развития клинической генетики большинство идентифицированных заболеваний действительно были связаны с единственным генетическим дефектом. Это, в частности, касается таких заболеваний, как кистозный фиброз, болезнь Хантингтона или гемофилия. В те времена для охоты на дефектный ген исследователи использовали подобные семейные деревья, и в 1998 г. Саймон Фишер с коллегами выявили единственную причину речевых проблем у представителей семьи KE. Этот ген получил название FOXP2 и стал символом генетики и эволюции.

Ген FOXP2 кодирует транскрипционный фактор[64]. Транскрипционные факторы — это белки, функция которых заключается в связывании с очень специфическими последовательностями ДНК (например, как описанный выше энхансер HACNS1). Таким образом, один ген может контролировать активность второго гена, второй — третьего и т. д., и этот сложный каскад позволяет активировать специфические клетки и ткани в развивающемся эмбрионе. Все гены в геноме важны, но какие-то важнее остальных, и к этой группе как раз относятся транскрипционные факторы. За то время, пока эмбрион находится в матке, он из единственной клетки превращается в существо из триллионов клеток разного типа, организованных в виде специфических тканей со специфическими функциями. Транскрипционные факторы играют в этом процессе важнейшую роль. Они выполняют функцию контролеров или бригадиров, налаживающих важные строительные работы, например определяют, какая часть бесформенного сгустка клеток станет головой, а какая — хвостом. Когда ориентиры расставлены, к делу подключаются другие транскрипционные факторы, определяющие более тонкие детали: «мозг будет здесь», «в этой части мозга располагаются глаза», «в этой части глаза находится сетчатка», «в этой части сетчатки сгруппированы фоторецепторные клетки», «эти фоторецепторные клетки будут палочками». По мере развития эмбриона происходит все большая детализация и дифференцировка тканей, достигающих зрелого состояния. Ген FOXP2 относится к числу генов, которые функционируют в середине этой общей схемы развития эмбриона, и его функция заключается в стимуляции роста большого числа клеток. Его активность обнаруживается в отдельных участках по всему мозгу, он направляет рост различных нейронов, включая нейроны моторных цепей, базальных ганглиев, таламуса и мозжечка.

Поиск участка функционирования гена — лишь один инструмент в арсенале генетиков. Кроме того, можно выделить соответствующий белок и посмотреть, с чем он взаимодействует, — отправиться на своеобразную «молекулярную рыбалку». Если удить на FOXP2, оказывается, что на него клюют многие, но одна из «рыбок» дает повод для интересных рассуждений: это короткая последовательность ДНК, названная CNTNAP2, которая также связана с речевыми нарушениями.

Таким образом, мы имеем ген, дефект которого вызывает нарушение речи и который активен в различных участках ткани, связанной с речевой функцией. Многие животные общаются звуками, но по уровню сложности речи мы оторвались от остальных на недосягаемое расстояние[65]. Учитывая, что человек — единственный вид, пользующийся сложным синтаксисом и грамматикой, генетические основы наших речевых способностей часто обозначают как демаркационную линию, отделяющую нас от других животных.

Ген FOXP2 не возник в нашем организме de novo. На самом деле, это очень старый ген, как и многие транскрипционные факторы. Сходные версии имеются у млекопитающих, рептилий, рыб и птиц, многие из которых общаются с помощью звуков. Например, в головном мозге самцов певчих птиц ген FOXP2 активируется, когда они обучаются у других самцов петь песни, чтобы привлекать самок.

Версия белка FOXP2 у шимпанзе отличается от нашей только двумя аминокислотными остатками из 700, но последствия этих различий весьма значительны: мы разговариваем, а они нет. У неандертальцев был такой же ген, как у нас, но другие участки их ДНК могли определять отличия в функционировании этого гена. У мышей, с которыми мы разошлись от последнего общего предка примерно за девять миллионов лет до того, как вымерли динозавры, версия белка Foxp2 отличается от нашей всего на четыре аминокислоты. А при развитии головного мозга мышиный ген Foxp2 активируется точно в тех же местах, что и у нас. Когда у мыши экспериментальным путем удаляли одну копию гена, проявлялись некоторые аномалии, в частности сокращалось количество ультразвуковых сигналов, обычно издаваемых мышатами (если удалить обе копии, мышата умирают через 21 день после рождения).

То, что ген FOXP2 важен для нашей речи, отличается от аналогичного гена у мыши и шимпанзе, а также подвергался положительному отбору у Homo sapiens, указывает на его важнейшее значение для человека. Это также иллюстрирует, что один конкретный ген может быть чрезвычайно важным, но в одиночку он не определяет все различия.