То и дело, в различных источниках, всплывает миф о том, что "свинья генетически ближе к человеку, чем шимпанзе", и это заблуждение весьма устойчиво.
Отчасти, по причине того, что внутренние органы свиньи весьма неплохо подходят для пересадки человеку. А еще Бернард Вербер подлил масла в огонь со своей гнигой "Отец наших отцов" (но там, надо понимать, фантастика чистой воды).
А вот что думают по этому поводу специалисты-генетики, насколько всё-таки свинья и человек близки генетически?
Владимир Александрович Трифонов: Цифры гомологий генома имеют довольно невысокую ценность, все сильно зависит от того, что мы с чем сравниваем: учитываем ли структурные изменения генома, учитываем ли повторенные последовательности или же речь идет только о заменах в кодирующих областях.
Как сравнительный цитогенетик, я могу сказать, что эволюция кариотипов свиных сопровождалась большим количеством перестроек - даже от общего предка со жвачными и китообразными свиных отделяет 11 разрывов и 9 инверсий, плюс еще в линии свиней после отделения пекариевых произошло 7 слияний и три инверсии. Когда мы строим молекулярные филогении на основе данных секвенирования, то свинья никогда не попадает в родственники человеку, таких данных можно привести множество и они гораздо точнее и надежней, чем общие оценки молекулярных различий. Отличий между геномами свиньи и человека сотни тысяч, поэтому для их оценки используются специальные программы, которые, основываясь на сходстве и различии множества признаков строят филогенетические деревья. Положение на филогенетическом древе как раз и отражает степень сходства или различия между видами.
У филогенетиков есть свои трудности и свои противоречия, но сегодня мало кто сомневается в некоторых базовых идеях. Вот, например, три современные статьи, где филогении строились разными группами (являющимися общепризнанными экспертами в данной области), основываясь на множестве признаков, взятых из последовательностей ДНК:
Conrad A. Matthee et al. Indel evolution of mammalian introns and the utility of non-coding nuclear markers in eutherian phylogenetics. Molecular Phylogenetics and Evolution 42 (2007) 827–837.
Olaf R. P. Bininda-Emonds et al. The delayed rise of present-day mammals. Nature, Vol 446|29 March 2007.
William J. Murphy et al. Using genomic data to unravel the root of the placental mammal phylogeny. Genome Res. 2007 17: 413-421.
Во всех опубликованных филогениях (см., рисунок ниже) свинья прочно занимает свое место среди парнокопытных, а человек "никуда не выскакивает" из отряда приматов, т.е. данные, полученные по анализу разных последовательностей ДНК, одинаково отвечают на этот вопрос, подтверждая в этом вопросе филогении, построенные по морфологическим признакам еще в 19 веке.
Из рисунка видно, что свинья отстоит от человека дальше, чем мышь, кролик и дикобраз. Источник: William J. Murphy et al. Using genomic data to unravel the root of the placental mammal phylogeny. Genome Res. 2007 17: 418.
Михаил Сергеевич Гельфанд: про точный % совпадений ДНК, честно говоря, сходу не скажу, да и не очень понятно, что бы это значило: в генах? в межгенных промежутках? большая часть генома свиньи с человеком просто не выравнивается (в отличие от шимпанзе), там про % совпадений говорить не имеет смысла. В любом случае, свинья от человека дальше, чем мышь. А вот кто близок к свиньям - так это киты (правда, они еще ближе к гиппопотамам).
Вопрос. Константин Задорожный, главный редактор журнала для учителей "Биология" (Украина): В электронной книге уважаемого С. В. Дробышевского "Достающее звено" указано, что вторая хромосома человека образовалась в результате слияния двух хромосом предкового вида, которые у шимпанзе остались неслитыми (эту информацию лично я встречал и ранее, но в популярных изданиях она практически не освещалась). Соответственно, вопрос к кому-нибудь из экспертов. На каком этапе эволюции человека (ранние гоминиды, австралопитеки, ранние хомо и т.д.) произошла эта хромосомная аберрация? Возможно ли это определить?
Ответ. Владимир Александрович Трифонов: с удовольствием отвечу на Ваш вопрос, поскольку слияние хромосом предка шимпанзе и человека (соответствующих хромосомам PTR12 и PTR13 шимпанзе) действительно является последним значительным событием, изменившим кариотип человека.
Начнем с предка человекообразных обезьян - данные сравнительной геномики свидетельствует, что эти два элемента кариотипа были акроцентрическими, и именно в таком неизменном виде они сохранились у орангутана.
Далее у общего предка человека, гориллы и шимпанзе происходит перицентрическая инверсия, превратившая один из этих элементов в субметацентрик (этот элемент соответствует хромосоме PTR13 шимпанзе и хромосоме GGO11 гориллы). Затем у общего предка человека и шимпанзе происходит другая перицентрическая инверсия (в гомологе хромосомы PTR12 шимпанзе), превратившая ее в субметацентрик.
И, наконец, последнее событие уже в линии Homo - слияние двух субметацентриков с образованием хромосомы человека HSA2. Это не робертсоновское слияние (центрическое), а тандемное, при этом центромера PTR12 сохраняет свою функцию, центромера PTR13 инактивируется, а в точке тандемного слияния обнаруживаются предковые теломерные сайты (Ijdo et al., 1991).
По времени образования хромосомы HSA2 человека можно только сказать, что фиксация этой перестройки произошла после расхождения линий человек - шимпанзе, т.е. не раньше, чем 6.3 миллиона лет назад.
Я не думаю, что у человекообразных обезьян повышена частота робертсоновских транслокаций. У них очень консервативные кариотипы, мало меняющиеся на протяжении миллионов лет, за это время в кариотипах видов других таксонов происходили десятки значительных преобразований. Есть данные из клинической цитогенетики, указывающие на частоту 0.1% в мейозе человека (Hamerton et al., 1975). Однако анализ геномов показывает, что такие перестройки не зафиксировались в линии человека.
Вопрос . Алексей (письмо в Редакцию): Возникают вопросы по ходу прочтения лекций по геномике для Физтеха. Не дано определение гену...
Ответ. Светлана Александровна Боринская: Определение гену легко было дать, когда о нем еще не очень много было известно. Например "ген - это единица рекомбинации", или "ген - это участок ДНК, кодирующий белок", "Один ген - один фермент (или белок)", "Один ген - один признак".
Теперь ясно, что дело обстоит сложнее и с рекомбинацией, и с кодированием. Гены имеют разную структуру, порой довольно сложную.Один ген может кодировать много разных белков. Один белок может кодироваться разными фрагментами ДНК, находящимися в геноме на большом расстоянии, продукты которых (РНК или полипептидные цепи) соединяются по мере созревания в один полипептид.
Кроме того, в состав гена входят регуляторные участки. И еще есть гены, не кодирующие белки, а кодирующие только молекулы РНК (кроме всем известных рибосомных РНК это молекулы РНК, входяющие в состав других молекулярных машин, открытые не так давно микроРНК и другие
типы РНК). Поэтому сейчас есть много определений того, что такое ген. Ген - это концепция, которую трудно уложить в одно краткое всеобъемлющее определение.
Ответ С.Б.: Геном - это и есть ДНК. Или полный комплект молекул ДНК организма (в отдельной клетке) = геном.
При этом мы не подразумеваем клетки, в которых в процессе развития происходят перестройки ДНК (такие как клетки иммунной системы у млекопитающих или клетки животных, у которых происходит "диминуция хроматина" - утрата значительной части ДНК в процессе развития).
Ответ С.Б.: Е.coli - самая изученная бактерия, но и для нее до сих пор не для всех генов известны функции. Хотя по нуклеотидной последовательности гена можно "вывести" аминокислотную последовательность белка. Для хорошо изученных бактерий примерно для половины генов известны функции кодируемых ими белков. Для части генов получены экспериментальные подтверждения функций, для части - предсказания делаются на основе сходства структуры белка с другими белками с известными функциями.
Вопрос. Алексей: Правильно ли я понимаю, что количество входящих в ген нуклеотидов для каждого гена различно? Какой-либо закономерности здесь нет.
Ответ С.Б.: Совершенно верно.
Вопрос. Алексей: Могут ли различные гены иметь абсолютно аналогичную последовательность нуклеотидов, но отличаться только местоположением?
Ответ С.Б.: Абсолютно идентичных генов, наверное, все же нет. Но расположенные в разных участках генома гены с очень близкой последовательностью нуклеотидов имеются. Только их называют не "аналогичными", а "гомологичными". Эти гены произошли в результате дупликации предкового гена. Со временем в них накапливаются замены нуклеотидов. И чем ближе к нам время дупликации, тем больше похожи гены. Дупликации генов встречаются у всех организмов - от бактерий до человека.
При этом разные гены у разных людей могут содержаться в разном количестве копий. Количество копий может влиять на активность соответствующих продуктов генов. Например, разное количество генов определенных цитохромов влияет на скорость метаболизма и выведения из организма лекарственных препаратов и, соответственно, рекомендуется применять разные дозы.
Вопрос. Алексей: Также хотелось бы услышать мнение специалистов касательно материалов, предоставляемых Гаряевым (имеется в виду т.н. теория "волнового генома"). Он утверждает что его опыты подтверждаются экспериментально в лабораториях. Так ли это. Что можете сказать на это?
Ответ С.Б.: Вы тоже можете утверждать все, что Вам вздумается. Но научный мир обратит внимание на Ваши утверждения только в том случае, если они будут опубликованы в рецензируемых научных журналах, да еще представлены с описанием деталей эксперимента, позволяющим его повторять.
Г-н Гаряев в научных журналах не публикует свои "открытия", только журналистам рассказывает. Никаких данных о проведенных им "опытах" нет, только его слова. Пусть хотя бы лабораторный журнал покажет с подробной записью условий и результатов экспериментов.
Люди любят рассматривать фотографии животных. Кошки, собаки, лошади, ламы - все они, особенно детеныши, кажутся нам очень симпатичным. Однако мало кто называет симпатичными или милыми обезьян, особенно высших приматов. Эти звери выглядят как пародия на человека. Явные черты сходства, перемешанные с отчетливо животными признаками, вызывают смешанные чувства.
Человек и обезьяна действительно похожи. На уровне ДНК сходство между Homo sapiens и Pan troglodytes - шимпанзе - превышает 98 процентов. В цифрах эта разница кажется не такой маленькой: из трех миллиардов "букв" человеческого генома целых 60 миллионов являются уникальными для H. sapiens . В данном случае цифры создают ложное представление о пропасти, отделяющей человека от обезьяны. Практически все гены этих двух групп организмов отличаются лишь незначительными вариациями последовательности ДНК.
Ученые до сих пор не могут объяснить, как эти небольшие генетические отличия смогли обеспечить колоссальный эволюционный прыжок от обезьяны к человеку. Первый ответ, который приходит в голову, - последовательности, характерные для H. sapiens , составили в его геноме в особые "гены человечности". Однако на практике эта теория не подтверждается: исследователи не обнаружили у человека уникальных генов. Все гены H. sapiens эволюционировали из генов общего с шимпанзе предка. Авторы нового исследования впервые обнаружили целых три исключения из этого правила.
Эволюция на генном уровне
Прежде чем описывать новое открытие, стоит чуть подробнее рассказать, как именно происходит эволюция генетических последовательностей. Геномы самых первых живых организмов, появившихся на нашей планете, содержали всего несколько сотен генов. Чтобы размножаться, первые жители Земли делили свое тело, состоящее из единственной клетки, надвое. Каждый из потомков получал по одной копии родительского генома. Копирование ДНК "папы" (или "мамы") происходило с ошибками - некоторые гены терялись, а другие, напротив, появлялись в удвоенном варианте. В некоторых случаях "лишние" гены не приводили к смерти хозяина. Они сохранялись в цепочке поколений и постепенно мутировали. Через несколько десятков сотен копирований последовательность таких генов изменялась до неузнаваемости. Соответственно, менялась и последовательность кодируемых генами белков. Постепенно строение живых существ усложнялось, но механизмы образования новых генов оставались неизменными.
В некоторых случая новые гены появлялись без удвоения старых - мутации появлялись и в генах, представленных в единственной копии. Если изменения не ухудшали жизнеспособность организма, они могли сохраняться в череде поколений. В конце концов в гене накапливалось критическое число таких нейтральных или положительных мутаций, и у кодируемого белка появлялись новые функции.
Еще один способ образования новых генов - это потеря части последовательности. Укороченный ген иногда продолжал работать не хуже полноценной копии, кроме того, место утраченных "букв" могли занимать соседние последовательности ДНК. Еще один вариант рождения новых генов - "сращивание" старых друг с другом или их расщепление.
Во всех описанных случаях гены не создаются de novo : основой для них всегда служат уже существующие у организма варианты. Биологи были уверены в этом факте вплоть до 2006 года, когда в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences появилась группы исследователей, работавших с плодовой мушкой Drosophila melanogaster .
Авторы обнаружили в геноме дрозофилы целых пять генов, которых нет у ее ближайших родственников. Все они образовались из так называемой "мусорной" ДНК (junk DNA). Этим нелицеприятным эпитетом ученые обозначают не кодирующие белки последовательности ДНК, функция которых неизвестна. Термин был предложен в 1972 году американским генетиком японского происхождения Сусуму Оно (Susumu Ohno) и с тех пор прижился. У развитых организмов "мусорная" ДНК составляет более 95 процентов генома.
После выхода "мушиной" работы биологи бросились искать уникальные гены у других организмов. Однако к настоящему моменту их удалось обнаружить только у дрожжей. Тем не менее, авторы нового исследования под руководством Ифы Маклайсэт (Aoife McLysaght) из Тринити колледжа в Дублине задались целью найти новые гены у человека.
Ключи к человечности
Маклайсэт и ее коллеги сравнили геномы H. sapiens и P. troglodytes . Используя специальные программы, они сопоставляли последовательности известных на сегодняшний день генов человека и шимпанзе. Авторы обнаружили в геноме человека 644 гена, не имеющих аналогов у шимпанзе.
Порядок расположения генов у шимпанзе и человека практически не отличается. Исследователи пристально изучили области обезьяньего генома, где могли бы располагаться подозрительные последовательности. В существующих базах данных ДНК P. troglodytes в некоторых из этих мест отсутствовали большие куски кода, поэтому исследователям пришлось исключить из рассмотрения 425 из найденных 644 генов.
На следующей стадии работы ученые провели повторный поиск оставшихся 219 последовательностей в геноме шимпанзе, используя немного иной алгоритм. У 150 предположительно уникальных человеческих генов в геноме P. troglodytes обнаружились аналоги. Таким образом, "круг подозреваемых" сузился до 69 генов. Ученые вычеркнули из этого списка последовательности, которые были обнаружены в геномах других видов, кроме шимпанзе. Наконец, Маклайсэт и ее соавторы отказались от генов, которые были представлены только в одной базе данных человеческой ДНК и могли попасть туда по ошибке.
Все стадии отбора прошли только три гена - CLLU1 , C22orf45 и DNAH10OS . Чтобы еще раз убедиться в их уникальности для человека, исследователи проверили геномы макаки, гиббона и гориллы. Последовательности, напоминающие CLLU1 , C22orf45 и DNAH10OS , были обнаружены у всех изученных приматов, однако являться полноценными генами они не могли и присутствовали в "мусорной" ДНК.
Для того чтобы считаться геном, последовательность должна содержать определенные сочетания "букв", в частности, отмечающих конец и начало гена. Такие характерные "буквосочетания" узнаются ферментами, отвечающими за синтез белка с этого гена. У макаки, шимпанзе, гиббона и гориллы характерных для генов отличительных признаков не было. Более того, у них имелись участки, мешающие полноценной работе ферментов. Причем у всех приматов (кроме человека) эти участки были одинаковыми.
Исследователи предположили, что в ходе эволюции человека в некоторых регионах "мусорной" ДНК, присутствующих у приматов, накопились необходимые изменения, которые позволили им стать настоящими генами. Именно работа этих генов привела к появлению рода Homo .
Из-за пробелов в генетических базах данных и очень строгих критериев отбора ученые смогли полноценно изучить только 20 процентов из исходно отобранных генов. Соответственно, в будущем, когда дыры будут заполнены, авторы рассчитывают обнаружить еще как минимум 15 уникальных генов. Пока же авторы сосредоточились на поиске белков, кодируемых "человеческими" генами. В работах других исследовательских групп было показано, что белки с этих последовательностей синтезируются, однако какова может быть их функция, на данный момент не совсем ясно. Если Маклайсэт и коллегам удастся это узнать, то человечество, возможно, чуть-чуть приблизится к ответу на вопрос, чем же отличается человек от обезьяны.
О мусоре и РНК
На самом деле, частичный ответ на этот вопрос ученые знают. Результаты множества исследований, посвященных поискам разницы между человеком и обезьяной, указывают, что секрет кроется не в последовательности белков, а в регуляции их работы. Причем контролировать работу человеческого генома и белков могут не только регуляторные белки, но также особые молекулы РНК. Кодирующие эти молекулы гены также расположены в "мусорной" ДНК. Так что и мусор иногда бывает полезен.
