Эволюция человека том 1: Обезьяны кости и гены 2011 - Александр Марков

 Датские генетики обнаружили и изучили еще один яркий случай "одомашнивания" двух вирусных генов, которые изначально кодировали белки вирусной оболочки. Открытие было сделано в ходе целенаправленного поиска неиспорченных вирусных генов в геноме человека. Исследователи нашли два очень похожих друг на друга ретровирусных гена (их назвали ENW1 и ENW2), которые, по всей видимости, находятся в рабочем состоянии. Это типичные гены белков оболочки ретровируса. Каждый из них входит в состав своего ЭРВ, причем все остальные части этих ЭРВ давно выведены из строя многочисленными мутациями и вставками мобильных генетических элементов — транспозонов.

 Авторы нашли гены ENW1 и ENW2 и в геномах других приматов: у человекообразных (шимпанзе, орангутана), других обезьян Старого Света (макаки-резуса, зеленой мартышки), а также у обезьян Нового Света — мармозетки и беличьей обезьяны, или саймири. Однако у наших более отдаленных родственников — лемуров — этих генов нет. Сопоставив данные по нуклеотидным последовательностям генов ENW1 и ENW2 у разных обезьян, исследователи смогли реконструировать эволюционную историю этих генов.

 Исходный ретровирус проник в геном наших предков и "прижился" там между 77 и 43 млн лет назад: уже после того, как разделились линии обезьян и лемуров, но до того, как разошлись обезьяны Старого и Нового Света. Новый ЭРВ вскоре подвергся двум последовательным дупликациям, и в результате получилось три одинаковых ЭРВ, расположенных по соседству на одной хромосоме. Все участки этих ЭРВ, кроме генов белков оболочки (ENW1, ENW2 и ENW3), стали постепенно дегенерировать. Ген ENW2 приобрел в результате мутаций какое-то полезное для хозяина свойство и стал бережно сохраняться отбором. Об этом свидетельствует, в частности, резкое преобладание незначимых (синонимичных) нуклеотидных замен над значимыми в этом гене у всех обезьян. Гены ENW1 и ENW3, по-видимому, тоже приобрели полезные функции (возможно, это произошло еще до утроения исходного ЭРВ), но эти гены оказались не столь незаменимыми, как ENW2. Поэтому в некоторых эволюционных линиях обезьян эти гены были либо утрачены, либо выведены мутациями из строя. В частности, общий предок человека и шимпанзе потерял ген ENW3. У их ближайшего родственника орангутана этот ген есть, хотя и в нерабочем состоянии Ген ENW1 у орангутана есть, но не работает; у человека и шимпанзе он в полном порядке. Авторы также выяснили, что между генами ENW1 и ENW2 в разных эволюционных линиях неоднократно происходил обмен участками. В результате ген ENW2 мог передать гену ENW1 свои полезные свойства — полностью или частично.

 Интересно, что у обоих видов, у которых это удалось проверить, а именно у человека и павиана, гены ENW1 и ENW2 работают в плаценте. Установить экспериментально, какую именно функцию они там выполняют, технически очень сложно, и авторы пока этого не сделали. Но на основе анализа структуры белков, кодируемых этими генами, можно заключить, что возможных функций три:

1. управление слиянием клеток в ходе формирования наружного слоя плаценты — синцитиотрофобласта (об этом способе применения вирусных белков говорилось выше);

2. защита эмбриона от иммунной системы матери (у обоих белков есть участок, обладающий иммуносупрессивным действием — это вполне понятно, если вспомнить, что изначально они входили в состав вирусной оболочки);

3. защита эмбриона от "диких" ретровирусов. У ENW1 и ENW2 сохранились участки, связывающиеся с теми поверхностными белками клетки, к которым прикрепляются ретровирусы, чтобы проникнуть в клетку. Если к такому поверхностному белку уже прицепился белок ENW1 и ENW2, дикий ретровирус не может использовать его для проникновения в клетку.

Таким образом, генетические модификации, которым ретровирусы подвергали наших предков, впоследствии иногда оказывались весьма полезными.

Новые гены?

Активность генов может меняться в ходе эволюции не только путем изменений сайтов связывания ТФ, работы самих ТФ или регуляторных РНК, но и в результате дупликации генов. При прочих равных два одинаковых гена произведут больше продукта (то есть информационной РНК, которая затем "транслируется" в белок), чем один.

 Дупликация генов, так же как и их потеря, — весьма обычное явление в эволюции. В человеческой эволюционной линии (после ее обособления) произошло как минимум 134 генных дупликации. Удваивались не только гены, но и все то, что находится между ними — всевозможные некодирующие участки ДНК, функция которых в большинстве случаев неизвестна. Иногда происходило удвоение отдельных фрагментов генов. Некоторые гены дуплицируются многократно. Например, ген MGC8902 у человека присутствует в 49 копиях (у шимпанзе десять, у макак четыре). Ген к тому же несет следы действия положительного отбора и активно работает в клетках мозга.

 Удвоение генов часто становится первым шагом к возникновению принципиально новых генов. Одна из двух копий гена, оказавшись в ином генетическом "контексте" (окружении), может начать по-другому регулироваться, работать в других тканях или на иных этапах развития организма и в конце концов может приобрести новую функцию и структуру. Но это долгий путь. В какой степени он был реализован в эволюции человека, пока неясно, да и определить, в какой момент ген перестает быть просто дубликатом старого гена и начинает быть новым геном, не легче, чем провести грань между нечеловеческими гоминидами и людьми.

 Новые гены могут возникать и быстрее — путем перетасовки частей имеющихся генов. Один такой случай зарегистрирован у человека. Ген SIGLEC-11 дуплицировался примерно 15 млн лет назад, еще до расхождения линий человека и шимпанзе. Его вторая копия в какой-то момент выключилась, перестала работать, и в ней накопились мутации. У шимпанзе эта отключенная копия так и осталась невостребованной, а у человека ее фрагмент заместил собой часть исходного гена SIGLEC-11. В результате получился почти совсем новый, чисто человеческий ген. Он кодирует рецепторный белок, относящийся к надсемейству иммуноглобулинов и присутствующий на мембранах лимфоцитов и некоторых клеток мозга. По-видимому, он выполняет нейропротекторную функцию — защищает нервные клетки от каких-то токсинов.

 Рассмотрим один хорошо изученный пример появления нового гена путем дупликации и смены функции. Правда, на этот раз речь пойдет о гене, который появился не в гоминидной линии, а раньше — у общего предка человекообразных обезьян. Этот случай детально исследован бельгийскими и швейцарскими биологами в 2008 году (Rosso et al., 2008).

 Для начала необходимо напомнить, что существует два основных механизма удвоения генов: "обычная" дупликация фрагментов ДНК и ретродупликация. Последнее означает дупликацию в результате деятельности ферментов — обратных транскриптаз. Гены обратных транскриптаз входят в состав мобильных генетических элементов — ретротранспозонов, которых в геноме любого млекопитающего насчитываются тысячи. Ретротранспозоны размножаются так: сначала клетка осуществляет транскрипцию (прямую, а не обратную) ретротранспозона, то есть синтезирует на матрице ДНК молекулу РНК. Затем эта РНК используется для синтеза закодированного в ней белка — обратной транскриптазы. Последняя в свою очередь может синтезировать на матрице РНК комплементарный ей фрагмент ДНК и встроить его в хозяйскую хромосому (подробнее об этом рассказано в книге "Рождение сложности").

 Время от времени обратные транскриптазы переписывают в ДНК хозяина информацию не только со "своих" молекул РНК, создавая новые копии ретротранспозонов, но и с "хозяйских" РНК, создавая тем самым "лишние" копии хозяйских генов. Отличить такие ретродуплицированные гены от обычных можно по отсутствию в них некодирующих вставок — интронов. Дело в том, что после транскрипции интроны из молекулы РНК вырезаются (это называется сплайсингом). В результате получаются "зрелые матричные РНК", которые используются, с одной стороны, клеткой для синтеза белка, с другой — обратными транкриптазами для создания ретрокопий. В зависимости от того, в какой генетический контекст попадет ретрокопия, она может оказаться либо работающей (тогда ее называют ретрогеном), либо, чаще, она работать не будет, и тогда ее называют ретропсевдогеном.

 В эволюции приматов, в том числе человекообразных, ретрогены появлялись довольно часто. Ген CDC14Bretro появился 18—25 млн лет назад у общих предков человекообразных обезьян (гиббонов, орангутанов, горилл, шимпанзе и людей) в результате ретродупликации. Его "родителем" был очень древний ген CDC14B, первые варианты которого появились еще у одноклеточных. Функция этого гена (точнее, кодируемого им белка) состоит в регуляции некоторых стадий клеточного деления. Ген весьма консервативен, то есть мало меняется в ходе эволюции, что говорит о важности выполняемой им функции. Варианты CDC14B настолько похожи у разных организмов, что если у дрожжей удалить этот жизненно необходимый ген и вместо него вставить человеческий аналог, то дрожжевые клетки совершенно нормально живут и делятся.