У истоков эволюции зубной эмали
Толстая зубная эмаль, наряду с большим мозгом и прямохождением, — одна из черт, отличающих наш род Homo от родственных нам приматов и предков. Новое исследование, опубликованное 5 мая в Journal of Human Evolution, проливает свет на то, как эволюция формировала наши зубы, один ген за раз.
Сравнив геном человека с геномами пяти других видов приматов, команда генетиков и эволюционных антропологов из Университета Дьюка выявила два сегмента ДНК, на которые мог действовать естественный отбор, чтобы дать современным людям их толстую эмаль.
Зубы были бесценным ресурсом для учёных, изучающих эволюцию. «Ископаемая летопись всегда наиболее полна для зубов», — сказала соавтор Кристин Уолл. «А толщина эмали давно является ключевым признаком для диагностики ископаемых гоминин и реконструкции их диеты и жизненного цикла».
Явные различия в толщине эмали у приматов связаны с диетой. Из шести видов, включённых в исследование, питающиеся фруктами и листьями гориллы и шимпанзе имеют самую тонкую эмаль; всеядные орангутаны, гиббоны и резус-макаки — среднюю толщину; а люди обладают самой толстой эмалью, хорошо приспособленной для дробления твёрдой пищи.
«Зубы также сохраняют свои линии роста», — говорит Уолл, имея в виду, что эмаль откладывается слоями, как годичные кольца деревьев. «Таким образом, в плане понимания ископаемых останков, зубы могут сказать, какого возраста был детёныш на момент смерти, или сколько времени требуется для развития зубов — и можно сравнивать ныне живущие и вымершие виды».
Всё это делает зубную эмаль одним из немногих признаков, которые одновременно обнаруживаются в ископаемой летописи и поддаются геномному анализу.
Команда поставила цель выявить некоторые генетические изменения, которые способствовали приобретению человеком более толстой эмали. Работа является частью масштабного исследования связей между генами, физическими характеристиками и диетой в ходе эволюции человека.
«Мы решили рассмотреть только гены, имеющие известную роль в развитии зубов», — сказал Грег Рэй. Команда выбрала четыре гена, каждый из которых кодирует белок, участвующий в формировании зубов (энамелизин, амелогенин, амелобластин и энамелин), что делало их хорошими кандидатами для поиска свидетельств положительного отбора, но не обязательно единственными, вовлечёнными в эволюцию зубов.
Используя общедоступные данные, исследователи получили последовательности четырёх генов у шести видов. Затем они загрузили последовательности в программу, которая определила, какие пары оснований изменились между видами, и где изменения накапливались с ускоренной скоростью. «Тогда мы знаем, что ген находится под положительным отбором», — сказала первый автор Джули Хорват.
Они использовали концепцию генетического дрейфа для этого вывода. Дрейф — это явление, при котором изменения в последовательности ДНК накапливаются с ожидаемой скоростью. Когда изменения складываются быстрее, чем ожидалось, это говорит учёным, что затронутые гены находятся под положительным отбором — они дают организмам какое-то преимущество.
Предыдущие исследования показали положительный отбор по одному из генов, называемому MMP20 (энамелизин). Настоящий анализ подтвердил, что MMP20 демонстрирует отчётливый след действия естественного отбора на толщину зубной эмали у людей. Они также обнаружили другой ген, называемый ENAM (энамелин), который находится под положительным отбором.
Давление отбора не затронуло ENAM и MMP20 в кодирующей белок области, где даже незначительные изменения могут кардинально изменить или разрушить функциональность гена. Вместо этого ENAM и MMP20 показали изменения положительного отбора в их регуляторных областях — последовательностях ДНК, расположенных выше или ниже по ходу цепи, которые контролируют транскрипцию гена.
«Это исследование обеспечивает важные связи между морфологией, процессами развития и их лежащими в основе генетическими регуляторными механизмами», — сказал Тимоти Бромидж, не участвовавший в исследовании. «Уже сейчас результаты проделанной работы проясняют многие уровни регуляции и эволюции структуры эмали».
Связывая гены и окаменелости у разных видов — а в будущем и у разных возрастных групп — команда надеется построить дорожную карту для распутывания того, как связаны многие составляющие естественного отбора.