Генетическая одиссея человека - Спенсер Уэллс

«Но подождите, — скажете вы, — да разве эти сломанные и соединенные вновь хромосомы не такие, какими были прежние? Предполагалось, что они должны быть копиями!» Дело в том, что они не точные копии друг друга, а имеют отличия во многих местах по всей длине. Это копии копий, сделанные недобросовестным копировальным аппаратом, постоянно допускающим некоторое количество случайных ошибок при копировании хромосом. Эти ошибки и есть мутации, о которых мы уже упоминали ранее, а различия между парными хромосомами и есть полиморфизмы. Полиморфизмы обнаруживаются приблизительно через каждые 1000 нуклеотидов хромосомы. Таким образом, когда происходит рекомбинация, новые хромосомы отличаются от родительских.

Эволюционный смысл рекомбинации заключается в том, чтобы разрушить наборы полиморфизмов, соединенных друг с другом на одном участке ДНК. И хотя этот механизм, создающий разнообразие, в эволюционном плане отличная штука, он очень усложняет жизнь молекулярным биологам, желающим прочитать книгу об истории человеческого генома. Рекомбинация позволяет каждому полиморфизму на хромосоме вести себя независимо от других. Со временем полиморфизмы рекомбинируют много раз, и после сотен или тысяч поколений тип полиморфизмов, существовавший у общего предка, полностью утрачивается. Хромосомы потомков полностью перетасованы, и от первоначальной «колоды» не остается и следа. И это плохо для эволюционных исследований, так как, не имея возможности сказать что-либо о предке, мы не можем применять к полиморфизмам принцип «бритвы Оккама» и, следовательно, не представляем, сколько изменений претерпели в действительности перетасованные хромосомы. В настоящее время все наши расчеты молекулярных часов базируются на скорости появления новых полиморфизмов посредством мутаций. Из-за рекомбинации кажется, будто произошли мутации, в то время как их на самом деле не было, и из-за этого мы можем переоценить время, прошедшее с момента отделения от общего предка.

В начале 1980-х годов Уилсона и некоторых других генетиков посетила научная догадка, что если взглянуть на маленькие клеточные структуры, называемые митохондриями, то можно найти способ перехитрить перетасовку хромосом. Интересно, что митохондрия имеет свой собственный геном, и кроме ядра это единственная клеточная структура, у которой он есть. Дело в том, что по существу это эволюционный след, оставшийся с того времени, когда миллиарды лет назад образовались сложные клетки. Митохондрия — это то, что осталось от древней бактерии, проглоченной одним из наших одноклеточных предшественников. Позднее она оказалась пригодной для генерирования энергии в клетке, и теперь служит в качестве внутриклеточной силовой станции, хотя и начала свою жизнь как паразит. К счастью, митохондриальный геном существует всего в одной копии (как и бактериальный геном), а это означает, что он не может рекомбинировать. Кроме того, оказывается, что вместо одного полиморфизма приблизительно на 1000 нуклеотидов, он имеет один на 100. Чтобы провести эволюционное сравнение, мы хотели бы иметь в распоряжении столько полиморфизмов, сколько возможно, так как каждый полиморфизм увеличивает нашу способность различать индивидуумов. Вдумайтесь: если бы мы взяли только один полиморфизм с двумя различающимися формами А и Б, мы могли бы рассортировать всех на две группы — вариант А и вариант Б. С другой стороны, если взять 10 полиморфизмов, каждый из которых имеет два варианта, можно добиться лучшей разрешающей способности, так как вероятность того, что множество индивидуумов будет иметь одинаковый набор вариантов, намного меньше. Другими словами, чем больше полиморфизмов мы имеем, тем выше наши шансы сделать правильные выводы о родственных отношениях между исследуемыми людьми. Поскольку полиморфизмов митохондриальной ДНК (мтДНК) в десять раз больше, чем в остальной части нашего генома, к ней стоит приглядеться получше.

Ребекка Канн в рамках работы над своей диссертацией в лаборатории Уилсона начала исследование изменчивости мтДНК людей из разных уголков Земли. Команда ученых из Университета Беркли преодолевала огромные расстояния, чтобы собрать образцы человеческой плаценты (являющейся богатым источником мтДНК) в разных популяциях — европейской, новогвинейской, коренной американской и других. Их целью было оценить характер изменчивости всего человеческого вида, чтобы делать выводы о происхождении челочка. То, что они обнаружили, было поразительно.

Начальные исследования человеческого митохондриального разнообразия Канн с коллегами опубликовали в 1987 году. Это был первый случай, когда человеческий полиморфизм ДНК был проанализирован методами экономии для установления общего предка и датировки. В аннотации к статье они сформулировали основные результаты коротко и ясно: «Все исследованные митохондриальные ДНК восходят к одной женщине, жившей предположительно 200 000 лет назад в Африке». Это открытие стало большой новостью, а бульварные газеты назвали эту женщину митохондриальной Евой — нашей прародительницей. Однако самым неожиданным было то, что в райском саду она была не единственной Евой — лишь самой удачливой.

Анализ, проведенный Канн и ее коллегами, заключал в себе ответ на вопрос, как последовательности мтДНК были связаны между собой. В своей статье они исходили из предположения, что если последовательности двух мтДНК имеют одинаковую мутацию в полиморфном сайте (скажем, Ц в позиции, где может быть либо Ц либо Т), то они имеют общего предка. Построив схему из 147 последовательностей мтДНК, они смогли сделать вывод о степени связанности индивидуумов, у которых были взяты образцы мтДНК. Это был утомительный процесс, потребовавший много времени на компьютерный анализ данных. При этом наибольшая дивергенция последовательностей мтДНК (число различий) была обнаружена среди африканцев, а это показывает, что процесс дивергенции у них шел дольше. Другими словами, африканцы — самая древняя группа людей на Земле, и это означает, что наш вид возник в Африке.

Рисунок 2. Доказательство того, что люди современного типа возникли в Африке — самое глубокое расщепление в генеалогии мтДНК («Ева») находится между последовательностями мтДНК африканцев. Это показывает, что они накапливали эволюционные изменения дольше

Метод экономии, использованный Канн, Стоункингом и Уилсоном в анализе последовательностей мтДНК, неизбежно приводил к единственному общему предку человека. Для любого участка генома, который не рекомбинирует — в данном случае для митохондриальной ДНК — мы можем определить ту единственную предковую митохондрию, из которых произошли все современные митохондрии. Это все равно что смотреть на расходящиеся круги на воде и определить, куда упал камень. Эволюционирующие последовательности мтДНК, накапливающие полиморфизмы при передаче от матери к дочери, подобны распространяющимся волнам, а предок — тому месту, куда упал камень. Применяя методы анализа, предложенные Цукеркандлем и Полингом, мы можем «увидеть» того единственного предка, который жил тысячи лет назад и который со временем мутировал, дав все существующее сегодня разнообразие форм. Более того, если мы знаем скорость, с которой возникают мутации, и имеем представление о количестве существующих полиморфизмов, то, собрав образцы человеческой ДНК по всему миру, мы сможем подсчитать, сколько прошло времени с того момента, когда «упал камень», то есть когда жил предок, давший начало всем потомкам, приобретшим по ходу истории мутации полиморфизмы.

Важно, однако, что факт существования единственного предка, давшего начало всему сегодняшнему разнообразию, не означает, что в то время жил лишь один человек. Это значит лишь то, что потомки других людей, живших в то время, вымерли. Представьте себе прованскую деревню XVIII века, в которой живет десять семей. У каждой из них — собственный рецепт приготовления рыбного супа буйабес, но он передается устно только от матери к дочери. Если в семье — только сыновья, рецепт будет утерян. Со временем первоначальное число рецептов постепенно уменьшается, так как не всем семьям посчастливилось иметь девочек. И к нашему времени остался только один рецепт — la bouillabaisse profonde. Почему сохранился только он? По чистой случайности — в других семьях в какой-то момент попросту не было девочек, и их рецепты канули в Лету. Глядя на эту деревню сегодня, мы будем немного разочарованы отсутствием кулинарного разнообразия. Как все они могут есть один и тот же рыбный суп?

Разумеется, в реальном мире ни один рецепт не передается из поколения в поколение не меняясь в соответствии с вкусовыми предпочтениями хозяек. Еще один зубчик чеснока здесь, немного больше тимьяна там — и voila! — готов новый вариант, передающийся по материнской линии. Со временем эти вариации на тему супа найдут свое отражение в бульонных чашках — но тем не менее исчезновение первоначального рецепта будет продолжаться. Если мы заглянем в такую творческую деревню сегодня, мы увидим значительное разнообразие рецептов, но для них всех благодаря принципу Оккама все еще можно установить единственного общего предшественника XVIII века. Это и есть секрет митохондриальной Евы.