Чем человек отличается от обезьяны? Если ориентироваться на внешние признаки, то ответить на этот вопрос не составит труда. Однако на генетическом уровне люди и шимпанзе сходны на 98 процентов. До недавнего времен ученые не знали, где находятся оставшиеся два процента "истинно человеческой" ДНК. Авторы новой работы впервые смогли идентифицировать три уникальных для Homo sapiens гена.
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 статья 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.
Всего ничего
Чем человек отличается от обезьяны? Если ориентироваться на внешние признаки, то ответить на этот вопрос не составит труда. Однако на генетическом уровне люди и шимпанзе сходны на 98 процентов. До недавнего времен ученые не знали, где находятся оставшиеся два процента "истинно человеческой" ДНК. Авторы новой работы впервые смогли идентифицировать три уникальных для Homo sapiens гена.
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 статья 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.
;)