Помимо изучения отдельных генов и белков генетики часто используют более глобальный подход, анализируя сразу большие группы генов, объединенных каким-то общим свойством. Например, сравнивают человеческие и шимпанзиные варианты генов, так или иначе связанных с онкологией (это важно, чтобы понять, почему шимпанзе, в отличие от людей, почти не болеют раком). Аналогичным образом сравнивались и гены, связанные с развитием мозга. При этом удалось показать, что у приматов в целом эволюция этих генов идет заметно быстрее, чем, к примеру, у грызунов.
Подобные исследования разом выявляют десятки и сотни генетических различий между человеком и его ближайшими родственниками. Особенно "перспективными" считаются те гены, в которых удается обнаружить следы действия положительного (движущего) отбора. Такие следы свидетельствуют о том, что изменения, произошедшие в данном гене, были действительно важны для наших предков, повышали их репродуктивный успех и поддерживались отбором. Одним из надежных признаков действия положительного отбора является повышенная доля значимых нуклеотидных замен по отношению к незначимым, или синонимичным (напомню, что значимые нуклеотидные замены — те, что приводят к замене аминокислоты в кодируемом белке).
Еще один признак — пониженный нейтральный полиморфизм в окрестностях того участка ДНК, на который действовал положительный отбор. Это требует объяснений. Представьте для начала, что данный участок ДНК не подвергается действию положительного отбора. Допустим, на него действует отрицательный (очищающий) отбор — отбраковка всех возникающих значимых замен. Тогда в этом участке и рядом с ним будут свободно накапливаться нейтральные, то есть не влияющие на фенотип замены (синонимичные замены — это подмножество нейтральных). В результате в генофонде популяции будет накапливаться нейтральный полиморфизм (разнообразие). Генотипы разных особей будут отличаться друг от друга по нейтральным заменам в окрестностях интересующего нас участка. Теперь предположим, что у одной из особей в этом участке возникла полезная значимая замена. Раз мутация полезная, значит, ее будет поддерживать отбор. Эта особь и те из ее потомков, которые унаследуют эту мутацию, будут размножаться быстрее остальных. В результате полезная мутация начнет распространяться (повышать свою частоту) в генофонде популяции. Фокус тут в том, что вместе с полезной мутацией автоматически будут распространяться и те нейтральные замены, которые находились в ее окрестностях у той особи, у которой полезная мутация впервые возникла. Чем ближе находится нейтральная замена к полезной, поддерживаемой отбором, тем теснее она с ней "сцеплена", пользуясь языком генетиков. В результате одни нейтральные замены — те, которым повезло оказаться рядом с полезной — начнут вытеснять из генофонда все остальные нейтральные замены, встречающиеся в этом участке ДНК. Как следствие, в масштабе популяции нейтральный полиморфизм в этом участке снизится. Заметив в каком-то участке хромосомы пониженный уровень нейтрального полиморфизма, генетик имеет полное право заподозрить, что где-то в этом участке не очень давно возникла полезная мутация, распространившаяся под действием положительного отбора. "Не очень давно" — потому что после того, как положительный отбор прекратит свое действие (например, потому, что полезная мутация уже достигла 100 %-й частоты), в этом участке ДНК снова начнется свободное накопление нейтрального полиморфизма. Через какое-то время признаки действия положительного отбора могут быть полностью стерты.
Раскрытие биологического смысла обнаруженных генетических различий между человеком и шимпанзе и следов действия положительного отбора — отдельная, очень сложная задача, как видно из рассмотренного примера с FOXP2. Обычно ее решение откладывается на потом. Когда наступит это "потом", сказать трудно. К сожалению, науке еще далеко до четкого понимания связей между генотипом и фенотипом. Как правило, мы не знаем, как те или иные генетические различия сказываются на развитии и строении взрослого организма, а выяснять это долго, трудно и дорого. Поэтому сейчас многие генетики предпочитают заниматься масштабными "скринингами", во время которых генетические отличия человека от шимпанзе вылавливаются сотнями, но не осмысливаются, а только приблизительно сортируются по степени "перспективности".
К числу "особо перспективных" генов, выловленных таким способом, относятся ASPM и microcephalin. В них обнаружены явные следы действия отбора, а их связь с развитием мозга подтверждается тем, что мутации в них приводят к микроцефалии. Показано, что белок ASPM замедляет превращение эмбриональных стволовых нейроэпителиальных клеток в нейроны. Иными словами, клетки — предшественники нейронов в присутствии ASPM успевают поделиться большее число раз, прежде чем превратятся в нейроны, которые уже не могут делиться.
Ген microcephalin указывает на древнюю гибридизацию сапиенсов с другими видами людей
Как мы помним, люди современного типа (Homo sapiens) появились в Африке не позднее 195 тыс. лет назад. Впоследствии часть их вышла из Африки (о датировке этого исхода мы поговорим в главе "Великое расселение сапиенсов"). Сапиенсы заселили сначала Южную Азию, затем Австралию, Европу и, наконец, Америку. Расселялись они не по безлюдным местам — в Евразии жили представители других человеческих популяций, потомков более древних волн расселения из африканской прародины.
Мы уже упоминали об острой дискуссии по поводу того, имела ли место гибридизация между сапиенсами, вышедшими из Африки, и древним евразийским населением. В течение почти 20 лет преобладала точка зрения об отсутствии гибридизации, однако начиная с середины 2000-х годов чаша весов начала склоняться в противоположную сторону. Один из весомых аргументов в пользу того, что наши предки все-таки скрещивались с представителями коренного населения Евразии, получил американский генетик Брюс Лан с коллегами из Чикагского университета. Исследователи в течение ряда лет изучали человеческий ген microcephalin, мутации которого приводят к микроцефалии. Этот ген привлек к себе пристальное внимание, поскольку выяснилось, что он быстро эволюционировал у человеческих предков после того, как они обособились от предков шимпанзе. Сочетание двух этих особенностей (связь с ростом мозга и быстрая эволюция в человеческой линии) сделало ген microcephalin одним из самых популярных объектов у генетиков, занимающихся поиском генетических основ человеческой уникальности.
В сентябре 2005 года Лан и его коллеги опубликовали в журнале Science первые результаты своих исследований (Evans et al., 2005). Они показали, что самая распространенная группа близкородственных вариантов (аллелей) гена microcephalin появилась в человеческой популяции всего 37 тыс. лет назад и очень быстро распространилась — очевидно, под действием положительного отбора. Ученые сделали вывод, что эта группа вариантов (которую они назвали группой D от слова derived, "производный") давала какое-то важное преимущество своим носителям, что и обусловило ее быстрое распространение.
Сначала ученые предполагали, что группа D появилась в результате мутаций одного из более древних вариантов гена, встречавшихся у сапиенсов. Это видно, в частности, по названию derived. Однако дальнейшие исследования показали, что происхождение D-аллелей было, вероятно, куда более драматическим (Evans et al., 2006).
Ученые определили последовательность нуклеотидов большого фрагмента гена microcephalin у 89 человек из разных регионов мира, получив таким образом 178 последовательностей (мы ведь помним, что большинство генов у каждого человека присутствует в виде двух копий, одна из которых получена от матери, другая — от отца). Оказалось, что в этой выборке имеется 86 различающихся аллелей. 124 из 178 последовательностей (70%) относятся к группе D.
"Время схождения" всех вариантов, входящих в группу D, составляет около 37000 лет. Иными словами, все эти варианты происходят от одного предкового аллеля, который был частью генома какого-то нашего пращура, жившего 37 тыс. лет назад.
Попарное сравнение D-аллелей с другими (не-D-аллелями), а также не-D-аллелей между собой дало удивительные результаты. Между D- и не-D-аллелями обнаружились глубокие различия. Оказалось, что общий предок всех носителей не-D-аллелей жил около миллиона лет назад, а общий предок носителей D- и не-D-аллелей — примерно 1,7 млн лет назад (см. рисунок).
Получилась парадоксальная картина: с одной стороны, D-аллели появились и стали быстро распространяться в человеческой популяции лишь 37 тыс. лет назад, с другой, разделение эволюционных линий D- и не-D-аллелей произошло 1,7 млн лет назад. Если бы D-аллели появились в результате мутаций внутри популяции Н. sapiens, следовало бы ожидать, что время разделения D- и не-D-аллелей окажется сопоставимым с временем начала дивергенции (расхождения) D-аллелей (около 37 тыс. лет).
