Недавно на сервере препринтов bioRxiv вышла работа группы биоинформатиков, в которой авторы представили «Хронологический атлас естественного отбора в геноме человека за последние полмиллиона лет». Ученые под руководством доктора Кун Тана из Шанхайского биологического института утверждают, что им удалось разработать эффективный метод регистрации эволюционных событий. Возможно, самым интригующим результатом этой работы стало обнаружение следов древнего положительного отбора в генах, связанных с болезнью Альцгеймера.
Наблюдать эволюцию напрямую, по крайней мере, эволюцию человека, невозможно. Чтобы восстановить ход эволюционных изменений, приходится использовать анализ косвенных свидетельств. В своей статье группа Тана смогла реконструировать некоторые эволюционные события прошлого человека благодаря анализу генетических различий внутри всего лишь сотни ныне живущих людей. Чтобы дать читателю ощущение, как можно делать выводы об эволюции на основе такой скудной информации, хочется рассказать простую историю из жизни крестовых барбусов.
Крестовые барбусы родом из Юго-Восточной Азии, это популярные аквариумные рыбы с характерными черными полоcками. Конкретная окраска этих рыб зависит от места их обитания. Как и ожидается, соседние популяции рыб имеют схожую окраску. Любопытно, что из этого правила есть исключение: барбусы из региона малайской реки Муар, впадающей в малаккский пролив, непохожи на своих соседей из малайского штата Джохор. Напротив, они выглядят так же, как рыбы из крупной реки Паханг, впадающей в Южнокитайское море на другом, тихоокеанском, побережье Малайзии. Эту аномалию можно объяснить так: в прошлом река Паханг изменила свое русло, однако небольшая популяция «пахангского типа» осталась на старом месте. Этот пример иллюстрирует, как изучение биологического разнообразия в популяции позволяет делать выводы о событиях, повлиявших на судьбу популяции в прошлом: информация об изменении русла реки удивительным образом сохранилась в разнообразии окраски барбусов.
Окраска барбусов — это такой фенотип. Понятно, что за его вариабельность отвечают некие неизвестные генетические факторы, иначе никаких выводов об истории расселения этих рыб сделать было нельзя. Человечество точно так же хранит информацию о своей истории в разнообразии своих фенотипических и генетических признаков. Для получения этой информации мы заинтересованы в том, чтобы работать с генетическими данными напрямую (а не измерять, скажем, черепа линейкой). Сейчас, благодаря прогрессу в скорости и цене расшифровки геномов, ученые могут относительно легко получать исчерпывающие данные о генетических различиях между людьми. Такие различия могут быть мутациями, характерными только для вас или вашей семьи, а могут объединять крупные популяции людей. В последнем случае генетические различия называются полиморфизмами. Многие из них возникли десятки или сотни тысяч лет назад и именно они являются свидетелями эволюционных изменений в истории человечества.
Подавляющее большинство генетических различий не имеют для нас никакого значения, они эволюционно нейтральны. Некоторые из них вредные и находятся под действием отрицательного отбора. Наконец, совсем небольшое число относится к полезным мутациям, которые дают их носителю эволюционное преимущество и подвержены положительному отбору. Классический пример — мутации, позволяющие некоторым популяциям в Европе и Африке переваривать молоко всю жизнь, а не только в детстве. Очень «противоестественная» способность, если подумать, но с появлением молочного животноводства она помогала выживать предкам некоторых из нас.
Мы, как биологический вид, обладаем рядом важных, специфических только для нас особенностей, некоторые из которых напрямую связаны с тем, что именно мы, а не крестовые барбусы, построили пирамиды и полетели в космос. Кроме способности переваривать молоко, это интеллект, психика, отсутствие хвоста, членораздельная речь и многое другое, что отличает нас от наших обезьяних сородичей. Понимание того, какие эволюционные события сформировали человека как прогрессивный биологический вид — одна из самых амбициозных научных задач. Но как можно детектировать такие события, основываясь только на ДНК ныне живущих людей?
Допустим, в некотором конкретном месте генома у конкретного индивида в популяции появляется полезная мутация. Будем определять генетику этого места (локуса) во всей популяции в поколениях — для человека это проблематично, но для многих модельных животных это вполне реально. Мы заметим, что доля геномов с этой мутацией будет увеличиваться. C течением времени мы также будем наблюдать увеличение доли соседних мутаций, сцепленных с этой полезной мутацией.
Это происходит из-за того, что перемешивание соседних мутаций (рекомбинация) и образование новых происходит очень редко — примерно 10-8 на нуклеотид на поколение. Таким образом, положительный отбор приведет к тому, что в данном месте генома мы увидим локальное снижение генетического разнообразия. Такие ситуации называются «выметание отбором» (selective sweep).
Проблема в том, что со временем выметание становится все менее заметным, поэтому такой метод способен надежно детектировать только относительно недавние события. Например, выметание в гене лактазы хорошо видно именно потому, что положительный отбор на потребление молока взрослыми в этом гене был всего несколько тысяч лет назад.
Авторы обcуждаемой статьи претендуют на то, что им удалось разработать метод, позволяющий надежно детектировать не только недавние, но и относительно древние, до полумиллиона лет назад, эволюционные события.
Фотография: Micah Baldwin / flickr.com