Эволюционные генетики наблюдают естественный отбор у современных людей

Эволюция человека — это не только далёкое прошлое. Она продолжается и сейчас. Эволюция означает, что мутации — случайные изменения в генах при копировании ДНК — со временем становятся более или менее распространёнными в популяции.

Это может происходить случайно или в результате естественного отбора, когда носители определённой мутации лучше выживают, размножаются или заботятся о родственниках, оставляя больше потомков. Каждая биологическая адаптация, от прямохождения у людей до полёта у птиц, в конечном счёте, связана с естественным отбором, действующим на эти мельчайшие изменения из поколения в поколение.

Люди определённо всё ещё эволюционируют. Вопрос в том, продолжаем ли мы адаптироваться: оставляют ли носители вредных мутаций меньше потомков из-за сниженной выживаемости или репродукции? Например, плохое зрение могло быть серьёзным недостатком в саванне, но сегодня, с очками и лазерной хирургией, оно вряд ли помешает долгой жизни. Насколько часто мутации в современных людях подвергаются отбору?

Долгие сроки затрудняют изучение эволюции

Адаптации связаны с крошечными изменениями частот мутаций от поколения к поколению и разворачиваются на протяжении десятков или сотен тысяч лет, что делает их крайне сложными для прямого изучения у долгоживущих организмов, таких как люди.

Хотя существуют неопровержимые доказательства эволюции человека и явные следы адаптации в геноме, учёным редко удавалось непосредственно наблюдать действие естественного отбора у людей. Поэтому биологи всё ещё мало понимают, как работает естественный отбор у человека.

Один из самых ясных следов прошлой адаптации в геноме человека — мутация в гене лактазы, позволяющая переваривать молоко во взрослом возрасте. Частота этой мутации резко возросла с развитием молочного животноводства тысячи лет назад, независимо в разных популяциях. Именно она объясняет, почему некоторые люди могут пить молоко взрослыми, а большинство остаются непереносимыми лактозу.

Но даже в этом хорошо изученном случае, не говоря уже об остальном геноме, исследователи не знают, была ли мутация полезна для выживания или для размножения; были ли преимущества одинаковыми для обоих полов или всех возрастов; зависела ли польза от окружающей среды. Как отметил эволюционный биолог Ричард Левонтин в 1960-х, для изучения этих свойств естественного отбора потребовалось бы масштабное исследование генетической и генеалогической информации сотен тысяч людей.

Пятьдесят лет спустя наша группа поняла, что эта мысль становится осуществимой. Мы искали крупные биомедицинские наборы данных, которые позволили бы изучить мутации, влияющие на выживаемость.

Анализ частоты генов в разных возрастных группах

Наша основная идея заключалась в том, что мутации, снижающие шанс на выживание, должны быть реже у пожилых людей. Например, если мутация становится вредной в возрасте 60 лет, её носители имеют меньше шансов дожить до этого возраста, и мутация должна быть менее распространена среди тех, кто живёт дольше.

Мы искали мутации, частота которых меняется с возрастом, среди примерно 60 000 человек из Калифорнии (когорта GERA) и около 150 000 человек из UK Biobank. Чтобы избежать осложнений из-за разного генетического набора у людей с разным происхождением, мы сосредоточились на самой большой группе с общим происхождением в каждом исследовании.

В масштабе всего генома мы обнаружили два варианта, угрожающих выживанию. Первый — вариант гена APOE, известный фактор риска болезни Альцгеймера. Его частота снижается после 70 лет. Второй вредный вариант — мутация в гене CHRNA3. Связанная с интенсивным курением, эта наследственная мутация начинает снижаться в частоте в среднем возрасте у мужчин, потому что её носители с меньшей вероятностью выживают дольше.

Обе вредные мутации оказывали эффект лишь долгое время после типичного репродуктивного возраста для обоих полов. Биологи обычно считают, что такие мутации не подвергаются отбору, так как к этому возрасту большинство людей уже передали свои гены потомству.

Почему же мы нашли только два таких варианта, хотя наше исследование было достаточно масштабным, чтобы обнаружить любой подобный распространённый вариант? Одна из возможностей — мутации, угрожающие выживанию так поздно, почти никогда не возникают. Хотя это возможно, учитывая размер генома, это кажется маловероятным.

Другая интригующая возможность заключается в том, что естественный отбор предотвращает распространение даже поздно действующих вариантов в популяции, если их эффект достаточно велик. Почему? Во-первых, мужчины могут зачать детей в пожилом возрасте. Даже если так делает лишь крошечная их часть, этого может быть достаточно для эволюционных издержек, на которые будет действовать отбор. Выживание после репродуктивного возраста также может быть полезно для выживания родственников, несущих те же мутации, в первую очередь детей. Другими словами, выживание после типичного репродуктивного возраста всё же может быть полезно для людей.

Ваши мутации влияют на выживаемость

Помимо изучения отдельных мутаций, мы также рассмотрели наборы мутаций, влияющих на один и тот же признак и имеющих очень тонкие индивидуальные эффекты на выживаемость. Например, исследователи выявили около 700 распространённых мутаций, влияющих на рост, каждая из которых вносит вклад лишь в миллиметры. Мы рассмотрели десятки и сотни мутаций, формирующих вариацию по одному из 42 признаков.

Мы обнаружили, что генетические мутации, связанные с рядом заболеваний и метаболических признаков, снижают выживаемость: люди с генетической предрасположенностью к более высокому общему холестерину, холестерину ЛПНП, риску сердечных заболеваний, ИМТ, риску астмы или более низкому холестерину ЛПВП, как правило, умирают раньше других.

Возможно, более удивительно, мы обнаружили, что люди, несущие мутации, которые задерживают половое созревание или возраст рождения первого ребёнка, как правило, живут дольше. Из эпидемиологических исследований было известно, что раннее половое созревание связано с неблагоприятными последствиями в более позднем возрасте, такими как рак и ожирение. Наши результаты указывают, что часть этого эффекта, вероятно, обусловлена наследственными факторами.

Таким образом, люди несут распространённые мутации, влияющие на их выживаемость, и естественный отбор, по-видимому, действует по крайней мере на часть из них в некоторых современных условиях. Но то, что вредно в одном контексте, может не быть таковым в другом; например, вариант CHRNA3 оказывает эффект, потому что люди курят.

Это лишь первые шаги, и наши выводы дают лишь первый взгляд на то, что вскоре можно будет узнать из миллионов геномов в сочетании с генеалогическими записями. В будущей работе важно будет изучать не только продолжительность жизни, но и количество детей и внуков, оставляемых людьми, а также популяции и условия по всему миру.