Отсутствующая ДНК помогает сделать нас людьми
Новое исследование показывает, что специфические черты, отличающие человека от его ближайших живых родственников — шимпанзе, с которыми мы разделяем 96% нашей ДНК — могут быть объяснены потерей участков ДНК, контролирующих, когда и где включаются определённые гены. Это подтверждает накапливающиеся данные по другим видам: изменения в регуляторных областях ДНК, а не в самих генах, лежат в основе многих новых черт, приобретаемых организмами в ходе эволюции.
В поисках конкретных генетических изменений, ответственных за эволюцию уникальных человеческих черт, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза Дэвид Кингсли и его коллеги из Стэнфордского университета просканировали геном человека на предмет особенностей, отличающих нас от других млекопитающих. Команда обнаружила 510 сегментов, которые присутствуют у шимпанзе и других животных, но отсутствуют в геноме человека. Только один из отсутствующих сегментов нарушал бы работу гена; остальные 509 влияют на ДНК, окружающую гены, где находятся регуляторные последовательности.
Тщательный анализ нескольких таких сегментов показал, что потеря регуляторной ДНК может объяснить, как у людей развились некоторые черты, не встречающиеся у других животных (например, большой мозг), а также как они утратили черты, общие для других видов, такие как чувствительные вибриссы и шиповатый пенис. Результаты опубликованы в выпуске журнала Nature от 10 марта 2011 года.
Гены — сегменты ДНК, несущие чертежи для белков — составляют менее двух процентов человеческого генома. В остальных более чем трёх миллиардах пар оснований нашей ДНК скрыты регуляторные последовательности, контролирующие экспрессию генов. Прямые изменения гена могут иметь драматические последствия. «В отличие от этого, если изменить способ или место включения гена в развитии, это может сильно повлиять на конкретную структуру, но сохранить другие функции гена», — говорит Кингсли.
Предыдущая работа Кингсли с колюшкой показала, что изменения в регуляторной ДНК могут сильно влиять на черты организма. Поэтому, когда команда нашла участки генома, общие для шимпанзе, макак и мышей, но отсутствующие у человека, они не были удивлены, что различия почти исключительно находятся вне генов.
Совместно с лабораторией вычислительного биолога Джилла Бежерано в Стэнфорде команда определила 510 генетических последовательностей, которые есть у шимпанзе и других животных, но «удивительным образом отсутствуют» у человека. Компьютерный анализ показал, что делеции сгруппированы около генов, вовлечённых в сигнализацию стероидных гормонов и нейронное развитие.
Чтобы выявить конкретные делеции, команда привлекла экспертов: нейробиологов, физических антропологов, генетиков развития. Они искали последовательности около генов, играющих ключевую роль в развитии черт, отличающих человека от других животных.
Для проверки функций утраченных последовательностей команда изолировала их из геномов шимпанзе или мышей, присоединила к репортёрному гену (вызывающему синюю окраску) и ввела в оплодотворённые яйцеклетки мышей. Наблюдая за окраской у развивающихся мышей, они могли видеть, где и когда последовательность включала экспрессию гена в эмбриональном развитии.
Эксперименты выделили два сегмента ДНК, отсутствующих у человека, но играющих важную роль в развитии других млекопитающих:
Сегмент около гена андрогенового рецептора (связан с мужскими чертами). При вставке в мышей синяя окраска проявлялась в сенсорных вибриссах и гениталиях. Это указывает, что последовательность вызывает продукцию андрогенового рецептора в этих областях. Её потеря у человека может объяснить отсутствие чувствительных вибрисс и шипов на пенисе. Утрата шипов на пенисе — одна из черт, связанных с эволюцией парных связей и моногамии у человека.
Сегмент около гена GADD45g (подавляет рост клеток). При вставке в мышей синяя окраска проявлялась в ключевом ростковом слое развивающегося мозга. Это указывает, что у большинства животных эта регуляторная последовательность (утраченная у человека) ограничивает рост мозга.
Исследование описывает некоторые изменения, сделавшие людей людьми, но их, вероятно, гораздо больше. «Просто изменив один ген, как GADD45g, вы не сможете объяснить всю эволюцию человеческого мозга», — говорит Кингсли.
Тем не менее, работа показывает, что «теперь можно начать определять некоторые конкретные молекулярные изменения, способствующие эволюции человеческих черт». К ним относятся не только анатомические и физиологические различия, но и различия в восприимчивости ко многим болезням (артрит, рак, малярия, ВИЧ, Альцгеймер, Паркинсон). «Мы думаем, что такие же списки и подходы в конечном итоге помогут пролить свет и на восприимчивость человека к болезням», — заключает Кингсли.