Обезьяньи ошибки стали человеком

Человеческая раса гордится многочисленными отличиями от ближайших сохранившихся родственников по древу жизни – шимпанзе и горилл. Прямохождение, большой объём мозга, отличия в строении ладоней или выносливость через 10 миллионов лет после разделения с высшими обезьянами позволили человеку занять то место, где он сейчас находится. И как бы ни менялись обстоятельства, именно мы остаёмся царями природы, а наши способности перекраивать все под себя в последние века даже стали слегка пугать.

Благодаря эволюционной теории и понятию естественного отбора у этой гордости даже появились какие-то разумные основания. Как отдельного человека закаляют испытания, так и весь наш вид в целом стал таким сильным благодаря непрекращающейся борьбе с силами природы. Эволюция – это естественный отбор плюс неизбежные мутации, благодаря которым каждый новый ребёнок чуть-чуть не похож на обоих своих родителей, плюс способность передать эти мутации по наследству.

Не исключено, что несколько миллионов лет назад такое «уродство», как чуть изогнутая скобой стопа, позволила какому-то ребёнку убежать от хищника, который легко догнал его более плоскостопых родителей. С ребёнком убежали и его гены и в дальнейшем распространились по всей человеческой популяции.

Разумеется, такие мутации, которые дают преимущество, – лишь капля в море бесконечного числа изменений генетического кода, которые в лучшем случае никак не сказываются на способностях человека, а в худшем – не дают ему даже появиться на свет.

Однако учёные давно нашли способ хотя бы статистически отличать гены, которые менялись случайным образом и никак не сказывались на живучести, от тех, что были подвержены естественному отбору.

Сделать это помогает избыточность генетического кода. Поскольку 64 комбинации троек генетических букв-нуклеотидов кодируют в ДНК человека всего 21 аминокислоту и пару знаков препинания, то далеко не всякая замена одной буквы приведёт к замене одной аминокислоты на другую в синтезируемом белке. Именно по соотношению немых замен генетических букв в коде белка к заменам несинонимичным и можно понять, случайно ли то или иное отличие нашего белка от аналогичного белка шимпанзе или оно – результат естественного отбора.

Это несинонимичные замены дали нам и большой мозг, и прямохождение, и возможность брать в руки камни. Отношение числа несинонимичных замен к немым очень велико для генов, связанных с работой сердца, поддерживающих клеток мозга, эндокринной системы. Среди аналогичных приобретений последних тысячелетий можно вспомнить набор генов, позволивших Homo sapiens пить молоко в зрелом возрасте, или наличие голубых глаз. Хотя последние, быть может, никакого эволюционного преимущества не дают – слишком мало времени прошло, чтобы проверить эту гипотезу.

Однако не исключено, что мы напрасно гордимся многими из своих качеств, считая их результатом борьбы со стихией и опасностями, с которыми сталкивались наши предки.

Как показали Мэтью Уэбстер из шведского Университета Упсалы и его коллеги из Швеции и США, генетический аппарат и белковый состав человеческого организма устроены таким образом, что после исправления ошибок в случайно или намеренно разорванной ДНК отремонтированные гены начинают походить на результат положительного естественного отбора. И соответствующий «сигнал» в отношении несинонимичных замен к немым является ложным: предки, у которых появилась соответствующая мутация, не смело сражались с силами природы, а лежали на печи и часто размножались.

Ложный сигнал вносит так называемое смещение конверсии генов при их рекомбинации. Хромосомы иногда обмениваются участками. Это случается и при делении клеток, и при их разделении без копирования, в результате которого образуются яйцеклетки и сперматозоиды. И поскольку фрагменты ДНК, которыми обмениваются хромосомы, не всегда совпадают, может так случиться, что в двойной спирали друг против друга оказываются некомплементарные друг другу азотистые основания: напротив аденина (А) оказывается не положенный ему тимин (Т), а цитозин (Ц) или гуанин (Г), которые должны встречаться только в паре друг с другом. Бывает, что такие несоответствия случайно возникают и при спокойной репликации ДНК безо всякого обмена участками.

К счастью, клетка умеет быстро ремонтировать такие участки, подбирая «правильную», комплементарную пару.

Однако как выбрать, какое из оснований в «несовместной» паре А-Ц заменить? Поставить Т вместо Ц или Г вместо А?

Ясно, что здесь появляется возможность для «злоупотреблений»: надо понять, какая из букв пары «новая», а какая – стояла здесь раньше, до рекомбинации.

В большинстве случаев ремонтные ферменты принимают правильное решение, успевая сделать свою работу прежде, чем на новые буквы А оказываются надеты метиловые «шапочки». Этот процесс чуть запаздывает за репликацией, и увидев аденин «с непокрытой головой», фермент тут же понимает, где в двойной спирали правильная цепочка. По ней он и подстраивает неправильную, «безшапочную».

Однако иногда возникают ошибки. И как выяснили биологи лишь в конце XX века, здесь ферменты ведут себя предвзято: они чаще доверяют Ц и Г и реже – А и Т.

Завидев некомплементарную пару А-Ц, ферменты чуть чаще поменяют её на Г-Ц, чем на А-Т. Механизм этого явления до конца не установлен, хотя на его счёт есть несколько гипотез.

Уэбстер и его коллеги, опубликовавшие свою работу в последнем выпуске PLoS Biology, показали, что эта предвзятость изменяет «диагностическое» отношение несинонимичных замен к синонимичным – и в среднем в пользу первых.

Учёные сравнили геномы человека, шимпанзе и макаки и выделили в них те кодирующие сегменты ДНК, которые в промежутке от шимпанзе к человеку эволюционировали быстрее (в сравнении с эволюцией от макаки к шимпанзе). В соответствии со стандартной схемой, именно соответствующие этим генам человеческие черты стоит считать результатом положительного естественного отбора – и поводом гордиться за наших предков.

На этих участках оказалось непропорционально много замен вида А-Т -> Г-Ц, да и сами участки подозрительно концентрировались к тем регионам хромосом, где особенно часто происходят события рекомбинации – особенно в мужских клетках.

Некоторое время назад французские учёные под руководством Николя Гальтье показали, что «предвзятость» ферментов у приматов настолько велика, что вполне способна превозмочь отрицательный отбор и способствовать распространению, казалось бы, неблагоприятных мутаций в популяции. Работа Уэбстера и его коллег показывает, что с человеком именно так и произошло.

Подробный анализ этих генов ещё лишь предстоит провести, они кодируют белки, работающие по всему организму – от сердечных мышц до хвостов сперматозоидов; есть среди них и гены, провоцирующие раннее развитие болезни Паркинсона. Однако уже сейчас пора готовиться к тому, что многие из тех отличий от обезьян, которыми мы привыкли гордиться, могут оказаться тривиальным следствием ошибок при копировании ДНК и предвзятости генетического аппарата.