На сколько совпадает днк человека и свиньи. Все познается в сравнении (сравнительная геномика)

Однако кое-что похожее на революцию в медицинской науке действительно произошло. В конце января научный журнал Cell напечатал статью молекулярного биолога Хуана Карлоса Исписуа Бельмонте, который руководит лабораторией в калифорнийском Институте Солка (США), и 38 его соавторов. Статья рассказывает, как ученым удалось создать жизнеспособные эмбрионы, состоящие из смеси свиных и человеческих клеток.

Кто они

Если бы этим существам дали родиться (а биологи не стали так делать не в последнюю очередь по этическим причинам), их нельзя было бы формально приписать ни к одному биологическому виду. Такие организмы называют химерами. У химер, которых мы знаем по средневековым миниатюрам, к телу льва прилагаются орлиные крылья, а к козлиным копытам змеиное жало. Кто помнит мышь с человеческой ушной раковиной на спине — результат громкого эксперимента 20-летней давности, легко допустит, что от биологов можно ждать и не такого. Но в этом смысле новые существа из лаборатории Бельмонте вряд ли имели шанс хоть кого-нибудь удивить: после рождения они выглядели бы самыми обычными поросятами. Просто некоторые клетки их тела — примерно одна тысячная доля процента — содержала бы чистую человеческую ДНК. И этим поросята выгодно отличались бы от ушастой мыши 1997 года, которая была скорее экспериментом по пластической хирургии и ни одной человеческой клетки не имела.

По свежим оценкам, всего у человека 30-40 трлн клеток, и примерно столько же у свиньи. Тысячная доля процента от такой астрономической цифры — это много или мало? Чтобы зачать ребенка, достаточно всего одной клетки. Поэтому в теории свинья-химера могла бы стать родителем человеческому младенцу.

Донор без мотоцикла

Врачи видят в свиньях не потенциальных родственников, а потенциальных доноров — для трансплантации их органов людям. Только в США за год пересаживают 27 тыс. почек, легких, сердец и кишечников. И во всех 27 тыс. случаев хирурги имеют дело с органами живых или мертвых людей. Но кто в здравом уме решится попросить, чтобы ему на место собственного отказывающего сердца пересадили взятое у свиньи, когда процедура с обычным, человеческим, отлажена и отлично работает? Те, до кого не дойдет очередь на пересадку: 118 тыс. человек записаны в США в так называемый лист ожидания. По статистике, примерно 22 из них умрут сегодня (и столько же — завтра, и столько же — в ближайшее воскресенье), не дождавшись своей трансплантации.

Доноров-людей слишком мало — и дело даже не в том, что добровольцы большая редкость. (В отличие от США в России по закону потенциальным донором считается всякий, кто не запретил изымать свои органы явно. Спрашивать согласия у родственников закон не требует.) Всего три человека из тысячи, приводит британские данные журнал New Scientist, умирают в обстоятельствах, которые делают их органы годными для пересадки. Цифры, очевидно, меняются от страны к стране — они зависят и от того, как быстро приезжает скорая на место ДТП или перестрелки, в результате которых появляются самые многообещающие доноры, и от того, как много поблизости центров трансплантологии, где органами сумеют распорядиться правильно. Наконец, нужно еще за несколько часов найти и подготовить к операции пациента из «листа ожидания» — тут действуют намного более жесткие правила совместимости, чем для переливания крови с ее четырьмя разными группами.

Клетки, которые меньше всего подвержены отторжению, — наши собственные. Что если использовать животных как инкубаторы для почек и поджелудочных желез, выращенных из человеческих клеток (а в идеале — из клеток ровно того пациента, которому орган пересадят)? Решить задачу в лоб мешает все та же проблема с отторжением: для готовой иммунной системы взрослой свиньи клетки человека не менее чужие, чем для нас — свиные.

Значит, действовать надо как-то иначе.

Рассечь и склеить

Представьте, что у вас на глазах двух человек одновременно рассекли напополам — скажем, боевым лазером из плохого фантастического кино. Потом соединили половинку одного с половинкой другого, и склеенные половинки прожили бы потом целую жизнь как ни в чем не бывало. Вариант еще парадоксальней: взяли двух худых, прижали друг к другу — и получили одного толстяка. Если обоим людям еще не исполнилось четыре дня с момента зачатия, ничего невозможного тут нет. На этой стадии будущий организм представляет собой шар из одинаковых клеток. «Удаляете внешний защитный слой из неживой материи и физически соединяете эмбрионы», — объясняла в одном из интервью профессор Колумбийского университета (США) Вирджиния Папаиоанну, как ученые с 1960-х производят на свет мышей-химер с полным набором генов двух особей одновременно. Соприкоснувшись, два эмбриона просто образуют новый шар побольше — почти как встретившиеся в воздухе мыльные пузыри. Иммунной системы, которая могла бы этому помешать, у шара из клеток еще нет — как, впрочем, и всех других систем: они разовьются намного позже.

Более тонкое вмешательство — добавить в зародыш чужой биоматериал, когда его клетки уже разделятся на разные сорта. На стадии бластоцисты зародыш — что у мыши, что у человека — представляет собой полый шар с небольшой порцией клеток, запертой внутри. Только этой внутренней порции предстоит стать будущими легкими, печенью, почками, мозгом, кожей и другими деталями взрослого организма, а вся внешняя превратится в плаценту, которая не переживет роды. Биологи предпочитают внедрять чужие клетки именно на этой стадии.

Нельзя сказать, чтобы этот сценарий в чистом виде открывал захватывающие возможности для трансплантологов. Необходимость в донорских органах возникает обычно позже — когда человек из возраста зародыша уже вышел. Как скрестить его с другим зародышем? Взять такие клетки взрослого организма, которые не обзавелись четкой миссией (как клетки мозга или печени) и не потеряли свойственную клеткам зародыша способность превращаться во что угодно. Их называют стволовыми клетками, но в организме они большая редкость. В 2012 году Нобелевскую премию по медицине присудили японскому ученому Синъе Яманаке за то, что он придумал способ превращать обычные клетки организма в стволовые — забывать свою предысторию и «впадать в детство». Полное название — индуцированные (потому что это их заставили поменяться) плюрипотентные (то есть «способные на все» — на любое превращение) стволовые клетки. Ими исследователи химер и пользуются.

Можно ли так скомбинировать зародыши разных видов — например, крысы и мыши? Именно это впервые сделала при помощи стволовых клеток в 2010 году команда Тосихиро Кобаяси из университета Токио — а американская группа, опубликовавшая свои результаты через семь лет, довела метод до совершенства. Как убедиться, что вы на самом деле вывели химеру? Взять за основу обреченные на смерть эмбрионы со специально испорченной ДНК. С помощью недавно изобретенного «генного скальпеля» CRISPR-Cas9, метода точечной редактуры ДНК, ученые выводили из строя гены, ответственные за рост поджелудочной железы или сердца. С таким дефектом шансов выжить (и даже родиться живым) нет. Но потом в эмбрион внедряли стволовые клетки крысы. И если мышонок-химера все-таки появлялся на свет — ученые могли быть уверены, что внутри у него бьется крысиное сердце.

Но самый удивительный результат касался желчного пузыря. У крыс его нет, а у мышей есть. Но химеры, у которых ответственные за этот орган мышиные гены были выведены из строя, все равно рождались с исправным желчным пузырем — из крысиных клеток. Мышиные клетки каким-то образом подсказывали крысиным правильный контекст, и те, поддавшись влиянию, образовывали орган, невозможный у крысы.

Ближе к свиньям, чем к крысам

Скрестить таким образом свинью и крысу не получилось — потому что эти организмы слишком сильно непохожи друг на друга. Разная длительность беременности и разные размеры органов предполагают, что клетки запрограммированы делиться в разном темпе. Наконец, сможет ли крошечное крысиное сердце у химеры гонять кровь через огромную свиную печень?

А вот с людьми такой трудности нет: мы к свиньям намного ближе — прежде всего по размеру органов. Поэтому свиньи (и мини-пиги как отдельный вариант) всегда были кандидатами № 1 для ксенотрансплантации. Параллельно с выращиванием человеческих клеток в свином теле биологи рассматривают и другие возможности — например, просто взять и скрыть от человеческого иммунитета те белки на поверхности свиных клеток, которые вызывают самую острую реакцию. Такие исследования ведутся давно, поэтому свинья как кандидат на пересадку органов — не новость.

Новый эксперимент показал, что возможность есть, и она никакая не умозрительная — и даже не невероятная случайность. 2075 эмбрионов подсадили свиньям, и 186 из них достигли достаточной, по мнению ученых, зрелости. Человеческие клетки метили специальной меткой в ДНК, которая заставляет их вырабатывать флуоресцентный белок — и 17 зрелых, здоровых эмбрионов уверенно светились в ультрафиолете, доказывая ученым, что они совершенно точно химеры.

От этого момента до органов в живом инкубаторе — годы, говорят исследователи. И дело не только в том, что доля человеческих клеток в организме химеры слишком маленькая. Увидеть, как они растут и что происходит с клетками во взрослом организме, ученым было бы сложно в любом случае.

Мы к свиньям намного ближе — прежде всего по размеру органов. Поэтому свиньи всегда были кандидатами № 1 для ксенотрансплантации

Химеры мыши и крысы, выведенные раньше, прожили полноценную мышиную жизнь в два года. Нет поводов думать, что у химер человека и свиньи были бы серьезные проблемы со здоровьем, мешающие достигнуть зрелости. Родиться на свет им помешали не биологические проблемы, а этические. Причем настолько серьезные, что команда из Института Солка вынуждена была проводить исследование на частные деньги, потому что правила Национального института здоровья США — аналога Минздрава, который финансирует бóльшую часть биомедицинских исследований в стране, — запрещают тратить деньги на любые опыты с внедрением стволовых клеток человека в эмбрионы животных.

Что неэтичного в появлении на свет свиньи с человеческой селезенкой? Наша неуверенность в результатах такого эксперимента. Пропорции клеток во взрослом эмбрионе — не те, какие были у зародыша. И если свиные клетки будут преобладать в соотношении миллион к одному — это не так страшно, как если человеческие возьмут верх. И на свет появится существо, больше похожее на человека, чем на поросенка, с человеческим мозгом, но с уродствами, вызванными обстоятельствами эксперимента. Чтобы медики могли спасать людей, нужно, похоже, в том числе более точное определение человека — и более точный ответ на вопрос, откуда люди берутся.

Любимец женщин Джордж Клуни прожил 18 счастливых лет со… свиньей. Даже не с собакой или кошкой. Как это понимать? Часто можно услышать, что свиньи вопреки всем стереотипам очень чистоплотные и умные животные. Но верится в это с трудом. Давайте попробуем разобраться действительно ли хряки такие сообразительные и классные или же все это выдумки.

Свиньи и вправду неглупые создания и это не один раз подтверждено экспериментально. Так, например, ученые из Пенсильвании предлагали свиньям поиграть в видеоигру, где требовалось загнать шарик в синюю область при помощи джойстика. До этого с такой задачей справлялись только обезьяны и собаки, интеллект которых принято считать развитым. Так что выходит, что ваш шашлык на самом деле не глупее вашей собаки.

Тут все дело в поощрении. Свиньи устанавливают связь между выполняемым действием и угощением, которое они получают при успешном выполнении задания. Благодаря умению устанавливать причинно-следственные связи, хрюшки, как и собаки отлично поддаются дрессировке.

Свиная чистоплотность

Нажрался как свинья

Опыты по спаиванию свиней действительно проводились в СССР. С помощью свиней изучали влияние этанола на . По большей части благодаря этим опытам стало ясно, что злоупотребление алкоголем ни к чему хорошему не приводит. Но если вам вдруг не с кем будет пойти в бар, можете прихватить с собой какую-нибудь свинью.

Свиной грипп

Мы болеем со свиньями одними и теми же болезнями. Небезызвестный свиной грипп получил свое название именно из-за того что мутировавший вирус стал опасен не только для людей, но и для животных. Но вопреки распространенному мнению, случаев заражения именно от свиней, практически не было зафиксировано. На этом сходства свиньи и человека заканчиваются. Несмотря на то, что в интернете порой можно прочитать удивительные вещи. Например о сходстве наших ДНК.

О «сходстве» ДНК человека и свиньи

Логика здесь такая. Если мы собираемся пересаживать человеку органы свиньи, значит они нам чуть ли не ближе обезьян. Но это, конечно же, не так. Это все равно, что всерьез воспринимать, что ДНК человека и банана на 50% похожи.

ДНК – это молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, в которой хранятся генетические данные любых организмов. ДНК всех людей очень похожи. Но примерно каждый тысячный нуклеотид совершенно неповторим. Исключение здесь только однояйцевые близнецы ДНК которых полностью идентичны. Так вот, именно потому, что нуклеотид очень и очень много, генетически мы «похожи» на все живые организмы. С обезьянами мы совпадаем, к примеру, на 98%. Но это только кажется, что это почти одно и то же. Различия в ДНК шимпанзе и бонобо вообще 0,2%, но это совершенно разные приматы с кардинально разным образом жизни. Шимпанзе очень агрессивны, а вот бонобо большинство проблем решают при помощи секса.

На самом деле ближайшие родственники свиней гиппопотамы и, как ни странно, киты, а к людям по ДНК ближе даже мышь и другие грызуны, чем свиньи, но почему же тогда не пересаживать человеку органы шимпанзе или горилл?

• Во-первых, размер. Взрослый мини пиг весит около 60 килограмм, а значит его органы по размерам вполне соответствуют человеческим.
• Во-вторых, практичность. Приматов разводить гораздо сложнее чем свиней. Они намного более прихотливые.
• В-третьих. «Гуманность». Над свинками-донорами долго и основательно «колдуют», чтобы их органы не отторгались иммунной системой человека. Учитывая, что свиней мы итак едим, то им «не привыкать», а вот проворачивать такое с обезьянами как-то уже не слишком красиво.

Как видите свиньи действительно годятся на нечто большее, чем просто отбивная, но некоторые их достоинства, как например, та же чистоплотность, действительно преувеличены.

6 мифов о генах
Близкое родство свиньи и человека, заложенная в генах этничность и другие распространенные заблуждения о генах

ПостНаука развенчивает научные мифы и борется с общепринятыми заблуждениями. Мы попросили наших экспертов прокомментировать устоявшиеся представления о роли генов в организме человека и механизмах наследственности.

Генетически к человеку ближе всего свинья

Михаил Гельфанд — доктор биологических наук, профессор, заместитель директора Института проблем передачи информации РАН, член Европейской Академии, лауреат премии им. А.А. Баева, член Общественного совета Минобрнауки, один из основателей Диссернета

Это неправда.

Этот вопрос очень легко проверяется: вы просто берете последовательности геномов человека и других млекопитающих и смотрите, на кого они больше похожи. Никакого чуда там не происходит. Человек больше всего похож на шимпанзе , дальше — горилла, другие приматы, потом грызуны. Свиньи́ там и рядом нет.

Если рассматривать этот случай, то результат будет забавный, потому что ближайшими родственниками свиньи́ окажутся бегемоты и киты. Это успех молекулярной эволюционной биологии, потому что киты настолько изменились, что по морфологическим признакам понять, на кого они похожи, было довольно трудно.

Возможным источником мифа может быть то, что у свиньи нет некоторых белков, которые делают ткани узнаваемыми иммунной системой человека. Свиные органы действительно наилучшим среди млекопитающих образом приспособлены для того, чтобы пересаживать их человеку, особенно если это генно-модифицированная свинья, у которой дополнительно подавлены некоторые гены. Шимпанзе больше подходят, но никто не даст замучить шимпанзе, чтобы спасти человека.

В любом случае «генетически» — не очень правильный термин. Можно говорить, например, что генетически двоюродные братья ближе друг к другу, чем четвероюродные. Когда вы сопоставляете животных, которые между собой не скрещиваются, то генетики тут нет. Генетика — это наука, которая говорит, что происходит в потомстве при скрещивании двух особей. Правильный термин будет «филогенетически», то есть то, что отражает происхождение. А с точки зрения общности происхождения свинья ближе к собакам, чем к людям.

Гены определяют все индивидуальные черты человека

Мария Шутова — кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории генетических основ клеточных технологий Института общей генетики РАН

Это правда, но отчасти.

Важно то, каким образом эти гены работают, а на эту работу может влиять множество факторов. Например, индивидуальные различия в последовательности ДНК, так называемые однонуклеотидные полиморфизмы, или SNP. Около 120 таких SNP отличают каждого из нас от родителей, от братьев и сестер. Также есть большое количество модификаций генома, которые называют эпигенетическими, то есть надгенетическими, которые не затрагивают последовательность ДНК, но влияют на работу генов. Кроме того, нельзя отрицать довольно большого влияния среды на выражение тех или иных генов. Самый наглядный пример — однояйцевые близнецы, геном которых максимально близок друг к другу, однако мы можем видеть явные различия, как физиологические, так и поведенческие. Это довольно хорошо иллюстрирует влияние генома, эпигенетики и внешних факторов среды.

Можно попробовать оценить вклад генетики и внешних факторов в проявление того или иного признака. Если мы говорим о каких-то болезнетворных мутациях, которые приводят к очень тяжелым генетическим синдромам вроде синдрома Дауна, то тут вклад генов стопроцентный. Для более «мелких» поломок, ассоциированных с Паркинсоном, Альцгеймером , разными видами рака, есть оценки того, насколько часто у людей с определенной мутацией проявляется соответствующий синдром, и они могут варьироваться от нескольких процентов до нескольких десятков процентов. Если мы говорим о сложных признаках, которые включают в себя работу сразу многих генов, вроде особенностей поведения, то на это, например, влияет уровень гормонов, который может быть заложен генетически, однако также большую роль играет социальная среда. Поэтому процент не очень понятен и сильно зависит от конкретного признака.

Этот миф частично верен: все знают, что мы отличаемся друг от друга последовательностью ДНК, есть много научно-популярных статей о связи определенного полиморфизма (мутации) с цветом глаз, кудрями и способностью быстро бегать. Но не все задумываются о вкладе надгенетических факторов и внешней среды в выражение какого-либо признака, к тому же этот вклад довольно сложно оценить. Видимо, это — причина возникновения такого мифа.

Анализ генома может выявить этническую принадлежность

Светлана Боринская

Это неправда.

Принадлежность к той или иной этнической группе определяется культурой, а не генами. Семья влияет на то, к какой этнической группе (или группам, если родители имеют разную этническую принадлежность) отнесет себя человек. Но это влияние определяется не генами, а воспитанием, традициями общества, в котором человек вырос, языком, на котором он говорит, и многими другими особенностями культуры.

Разумеется, от родителей каждый получает не только язык и воспитание, но и гены. То, какие родительские гены достанутся ребенку, определяется при слиянии сперматозоида и яйцеклетки. Именно в этот момент формируется геном индивида — совокупность всей наследственной информации, которая во взаимодействии со средой определяет дальнейшее развитие организма.

Процессы изоляции отдельных групп, перемежающиеся миграциями и смешением народов, оставляют генетические «следы». Если число браков внутри группы превышает приток генов извне, то в такой группе накапливаются варианты генов, по спектру и частоте встречаемости отличающие ее от соседей.

Такие отличия выявлены при изучении групп населения, проживающих в разных регионах мира и имеющих разную этническую принадлежность. Поэтому анализ генома может показать, к какой группе относятся родственники и предки человека — в том случае, если эти более или менее отдаленные родственники уже были изучены популяционными генетиками и если при исследовании они указали свою этническую принадлежность. Но этот анализ не указывает национальность или этническую принадлежность самого владельца анализируемого генома — эта национальность может быть той же самой, что и у его родственников (особенно если это близкие родственники), но может быть и совершенно иной.

Национальность (или этническая принадлежность ) не пришита к генам, это явление не биологическое, а культурное. Времена, когда считали, что этнос имеет биологическую природу, ушли в прошлое. Этничность, так же как и язык, не является врожденным признаком — ее обретают (или не обретают) в общении с другими людьми. Миф о том, что «кровь» или гены определяют национальность (или любые другие формируемые под влиянием культуры признаки), очень опасен. Его не раз использовали для манипуляций общественным сознанием, последствия которых варьировались от разной глубины дискриминации до геноцида.

Все мутации наносят вред

Антон Буздин — доктор биологических наук, руководитель группы геномного анализа сигнальных систем клетки Института биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН

Это неправда.

Многие мутации действительно вредны, но не все. В частности, у нашего общего с шимпанзе предка произошли некие мутации, которые привели к тому, что появились мы, люди. Считать ли эту мутацию полезной — вопрос.

Мутации для самого организма могут быть полезными, нейтральными или вредными. Бо́льшая часть мутаций — нейтральная. Потом идут вредные, и очень-очень малая часть может считаться полезной. В частности, различие людей в человеческой популяции на нашей планете, безусловно, определяется сочетанием каких-то нормальных вариантов генов, которые сейчас называются нормальными, но возникли они в свое время как мутации. Потом эти мутации закрепились, и некоторые из них являются полезными.

Порча каких-то генов может иметь неожиданные положительные последствия. К примеру, человек становится устойчив к некоторым патогенам, например к вирусу иммунодефицита человека. Классический пример — это серповидно-клеточная анемия, когда формируется неправильная форма гемоглобина. Однако наличие данной мутации предотвращает заражение малярией, и поэтому она закрепилась в Африке. Люди, у которых этой мутации нет, погибают, а те, у которых она есть, получают шанс выжить. С одной стороны, это вредная мутация, но с другой — полезная.

Есть мутации, которые изменили активность некоторых метаболических ферментов, то есть белков, которые отвечают за то, как у нас в организме происходит метаболизм молока, или жиров, или алкоголя и так далее. В разных популяциях происходил отбор по некоторым таким мутациям, которые сейчас считаются нормальными вариантами (но когда-то это были, безусловно, мутации), которые привели к тому, что, например, у жителей севера метаболизм жиров происходит более активно, чем у жителей юга. Это связано в том числе с выживанием в условиях севера. А у европейцев и азиатов, как известно, различается метаболизм этанола.

У разных людей разные гены

Инга Полетаева — доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории физиологии и генетики поведения кафедры высшей нервной деятельности биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

Это правда, но отчасти.

Все гены, из которых состоит геном какого-либо вида, имеют сходную функцию, сходное строение, и отклонения в строении этих генов могут касаться только несущественных изменений в строении белков и регуляторных элементов, которые эти гены определяют. Другое дело, что отличаться могут некоторые регуляторные моменты включения и выключения генов. Это может быть причиной различий между организмами.

Один из примеров — быстрота созревания ЦНС: одни дети умеют говорить почти в два года, а другие в это время знают только несколько слов. Нервные клетки, которые должны развиваться и соединяться между собой в сети, делают это у разных людей с разной скоростью. Также есть редкие события — так называемые мутации, которые действительно могут сделать своего носителя иным по сравнению с большинством организмов этого вида. Мутантный ген является основой для синтеза аномального белка.

Иногда такие мутации затрагивают регуляторные участки генов, и либо какой-то ген включается не вовремя, либо происходят еще какие-то нарушения его работы. Таким образом, есть гены, которые из-за своих «поломок» могут вызывать изменения в строении кодируемых ими белков. И вот эти изменения могут оказаться очень важными для судьбы данного организма, при этом обнаруживаются и физические, и биохимические отклонения.

Но геном у каждого вида животных (и растений) одинаков в своих основополагающих чертах. Близкие виды имеют малое число отличий, неродственные виды различаются сильнее. Однако мышь потому считается удобным объектом современной генетики, что у нее очень большая часть генов похожа на гены человека, дрожжи и круглые черви отличаются значительно сильнее.

Геномы особей одного вида действительно могут немного различаться по нуклеотидному составу. Как правило, это не сказывается на функции гена или сказывается немного. Однако отличия, которые не сказываются на функциях генов, интересны для генетиков, поскольку позволяют прослеживать генетические изменения в популяциях.

В биологии существовала парадигма «один ген — один фермент». Это одна из первых концепций в биологии развития. Но сейчас ясно, что это упрощенный взгляд, потому что есть гены, которые имеют только регуляторную функцию и кодируют простые белковые молекулы. Такие гены не во всех случаях хорошо изучены, и они не менее, а может быть, и более важны для отслеживания работы всей этой сложной системы генетического контроля развития организма.

Люди легко верят в миф о том, что гены у разных людей различаются, потому что они слышали, что существуют гены, от которых многое зависит, и что индивидуальные различия (и неожиданные сходства) — это факты реальной жизни. Однако между геном (и даже белком, который «считывается» с этого гена) и признаками организма, с которыми мы сталкиваемся, имеется много сложнейших процессов. Эта сложная система во многом и ответственна за индивидуальные различия.

С другой стороны, человеку всегда хочется иметь авторитетное, близкое к безапелляционному и «научному» мнение. В связи с этим и приходится слышать фразы вроде «это вошло нам в гены». Так просто в наши гены «не войдешь», да и в гены других организмов тоже.

Благоприобретенные признаки наследуются

Светлана Боринская — доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории анализа генома Института общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН

Это неправда.

Так долгое время считали биологи. Наследование благоприобретенных признаков в истории мировой науки прежде всего связано с именем Жана Батиста Ламарка (1744-1829). Взгляды Ламарка на наследование разделял и Чарльз Дарвин (1809-1882), который пытался сочетать их со своей теорией происхождения видов путем естественного отбора. В российской истории эта идея связана с именем Т.Д. Лысенко (1898-1976). Дискуссия о механизмах наследования оставалась бы чисто научной, если бы не репрессии и уничтожение генетиков, взглядов Лысенко не принимавших. Поэтому обсуждение этой темы, особенно в России, до сих пор часто политизировано.

Исследование молекулярных механизмов работы наследственного аппарата показало, что для формирования признаков важен уровень активности генов, которые на этот признак влияют. А уровень активности гена определяется, во-первых, последовательностями нуклеотидов, унаследованными от родителей, а во-вторых, прижизненными воздействиями, которые меняют активность генов.

В основе прижизненных изменений активности генов среди прочих механизмов есть такие, которые делают возможным передачу изменений в активности потомству без появления мутаций в гене. Эти механизмы называют эпигенетическими, то есть «надстроенными» над генетическими. Один из таких механизмов — метилирование, химическая модификация цитозина путем «навешивания» на него специальными ферментами метильной группы. Метилирование сохраняется при делении клеток в организме, поддерживая их тканевую специфичность.

По крайней мере для некоторых признаков показано поддержание метилирования, прижизненно обретенного родителем, у потомства. Например, при выработке страха в ответ на определенный запах, сочетавшийся с ударом электротоком, у самцов мышей было обнаружено изменение метилирования регуляторного участка в гене обонятельного рецептора, отвечающего за восприятие этого запаха, вследствие чего активность гена (и чувствительность к запаху) повышается.

У детей и внуков этих самцов уровень метилирования был также изменен для этого же гена, но не для генов других обонятельных рецепторов. В прессе писали, что эти потомки унаследовали страх перед запахом, но это неверно. Они унаследовали способность хорошо ощущать запах очень низких концентраций вещества, которое оказалось опасным для их мышиного дедушки.

При этом эпигенетическое наследование обратимо: метилирование может быть изменено прижизненно «в обратную сторону» в любом поколении. Это отличает его от изменений признаков под воздействием «классических» мутаций, меняющих последовательности нуклеотидов, а не «наднуклеотидные» метки. Какие именно признаки могут передаваться эпигенетически потомству и каковы механизмы такого эпигенетического наследования, еще предстоит изучить. И тогда, освободившись от политизированных составляющих, можно будет сказать «это правда, но отчасти».

ВСЕ ПОЗНАЕТСЯ В СРАВНЕНИИ (сравнительная геномика)

Между двумя представителями рода человеческого сходства меньше, чем между двумя различными животными.

То, что ново в себе, будет понято только по аналогии со старым.

Как уже говорилось, сравнительный метод служит традиционным подходом в старых классических областях биологии (анатомия, эмбриология, цитология). Так, еще Дарвин свою точку зрения о происхождении человека обосновывал с помощью сравнительно-эволюционного метода, указывающего на многочисленное сходство в анатомии и физиологии человека и обезьян.

В последнее время сравнительный подход стал широко и весьма эффективно использоваться в молекулярной биологии и генетике. Мощный толчок этому был дан крупномасштабным секвенированием геномов. Появилось даже новое направление в геномике - сравнительная геномика - сопоставление отдельных генов, групп генов и целых локусов далеко эволюционно отстоящих организмов. Это принципиально важное направление исследований позволяет по-новому решать ряд ключевых вопросов. Рассмотрим некоторые из них.

В настоящее время человечество кроме своей собственной Энциклопедии располагает подобными Энциклопедиями некоторых простейших организмов: кишечной палочки, мухи дрозофилы, дрожжей и червя Caenoharbditis elegans , а также мыши - и отдельными главами из Энциклопедий некоторых других высокоорганизованных организмов (обезьяны, крысы). Сегодня параллельно с секвенированием генома человека идет расшифровка еще около 1000 геномов других животных и растений. ДНКовый текст во всех этих Энциклопедиях написан одними и теми же четырьмя буквами, число которых у бактерий составляет миллионы, у птиц - сотни миллионов и миллиарды у млекопитающих и человека. Поскольку все тексты написаны одинаково, их удается сравнивать между собой. При этом выяснилось, что, несмотря на огромные различия в размерах геномов, число генов (наиболее значимых предложений в текстах) у разных видов организмов не сильно отличается. В этой связи стали говорить даже о неком парадоксе, который получил специальное название G-парадокса (первая буква англ. слова gene - ген). Сейчас этот парадокс объясняют тем, что главное для организма все-таки не общее число генов, а то, как они устроены и как регулируются, какова сложность взаимодействия между продуктами разных генов. «У нас одинаковые гены с кошками и собаками, но они по-разному регулируются», - заявил по этому поводу Крег Вентер, один из главных героев секвенирования человеческого генома. Скорее всего, именно устройство и регуляция работы генов уникальны для человека, делая его «венцом природы». Короче говоря, если ген - это короткое предложение, то из сочетания одних и тех же слов и предложений можно написать как умнейший трактат, так и примитивные детские стишки. Кроме того, важно, как они будут читаться и звучать.

Какими бы уникальными мы не казались сами себе, в нашей ДНК есть довольно много сходства не только с обезьянами и мышами, но даже с маленьким червем C. elegans и мухой дрозофилой. Можно удивляться, но у нас около 50% генов сходны с таковыми у червя. У человека и мыши еще больше одинаковых генов, хотя в эволюции человек и мышь разошлись уже около 100 миллионов лет назад. В геноме человека на сегодняшний день обнаружено лишь около 300 генов, которых нет у мыши, а общее их число примерно одинаковое. Таким образом, около 99% генов человека соответствуют генам мыши, причем примерно 80% из них почти полностью идентичны. Кроме того, до 90% генов, ответственных за возникновение различных заболеваний, у человека и мыши сходны. Есть, разумеется, и небольшие различия. Так, у мыши гораздо больше генов, отвечающих за обоняние.

Что же касается наших ближайших родственников, то здесь различия еще меньше. Согласно последним данным, в целом геном человека отличается от генома шимпанзе всего лишь максимум на 5%! Удивительно, но некоторые группы генов (например, гены, ответственные за формирование тела организма) у человека сродни аналогичным группам у биологических видов, возникших еще пятьсот - шестьсот миллионов лет тому назад, во времена так называемого Кембрийского биологического взрыва. Сейчас с нетерпением ожидается тот момент, когда будет полностью секвенирован геном шимпанзе. После этого в сравнительно геномике должен начаться новый очень важный этап. В результате такого сравнения могут быть обнаружены функционально важные мутации, специфические для человека как вида, что в свою очередь откроет новые пути для медицины. Безусловно, эти данные будут также способствовать более полному пониманию процесса эволюции человека.

Сравнения последовательностей ДНК человека с ДНК других организмов уже оказалось очень плодотворным методом поиска новых функционально важных последовательностей в геноме человека. Такой подход был использован и продолжает использоваться для выявления у человека новых белок-кодирующих и не кодирующих белок генов, а также для идентификации потенциальных регуляторных элементов и выяснения механизмов функционировании разных генных наборов. Для этой цели сейчас уже созданы специальные компьютерные программы, позволяющие «вылавливать» в разных геномах эволюционно консервативные области. Все это принципиально важно, поскольку, как уже подчеркивалось выше, мы не можем ставить генетические эксперименты на человеке, но, благодаря сравнительному методу, имеем возможность интерполировать на человека результаты, которые получаются при молекулярно-генетических исследованиях, проводимых на животных.

Так, в силу подобия геномов даже муха дрозофила может быть использована для более полного понимания функций тех или иных человеческих генов, в частности, ответственных за некоторые заболеваний человека. Примером тому может служить изучение гена dFMR–1 мухи, который имеет гомологию с соответствующим геном человека, определяющим синдром ломкости X-хромосомы - тяжелое наследственное нейродегенеративное заболевание. Это исследование позволило заключить, что причина синдрома скорее всего связана с нарушением механизма РНК-интерференции, о котором мы уже говорили выше. И это серьезная «подсказка» для ученых, решающих проблему синдрома ломкости X-хромосомы у людей.

Важно отметить, что когда мы изучаем геном человека, то фактически мы познаем весь живой мир. Геном человека устроен необычайно сложно. Геномы животных и растений чаще всего значительно проще. Поэтому, когда мы узнаем устройство сложного генома, нам будет очень легко от него перейти к изучению простого. А это сулит революцию в таких областях, как ветеринария, селекция растений и животных.

Сравнительная геномика дала ученым новый подход к пониманию вроде бы навсегда скрытого во мраке веков процесса эволюции и его механизмов. Так, например, проведенные сравнения геномов разных видов животных и человека показали наличие определенных тенденций в эволюции. Одна из них заключается в увеличении количества интронов в процессе эволюционного развития у человека, то есть эволюция как бы сопряжена с «разбиением» генома на отдельные функционально значимые фрагменты: на единицу длины ДНК приходится все меньше информации о структуре белков и РНК (экзоны) и возникает все больше участков, не имеющих пока ясного функционального значения (интроны). Проведенные исследования позволяют считают, что природа совершенствовала млекопитающих не столько посредством умножения разнообразия их генов, сколько путем постепенного копирования, модификации и комбинации уже существующих генов, а также путем изменения регуляции экспрессии генов. Специфика и разнообразие строения и функционирования генетического аппарата велики даже среди эукариот. В то же время существует множество общих принципов и механизмов, и результаты их изучения на одних объектах часто с успехом могут переноситься на другие, включая и человека.

Весьма интересные результаты были получены, в частности, при сравнении распределения по хромосомам сходных последовательностей ДНК человека и других животных. Приведем лишь один пример. Как уже указывалось, между геномами человека и мыши имеется большое сходство. На рис. 37 на цветной вклейке изображено расположение в разных хромосомах мыши сходных сегментов отдельных хромосом человека. Глядя на этот рисунок, мы можем увидеть, что участки одних и тех же хромосом человека распределены во множестве хромосом мыши. Это справедливо и наоборот. А что это значит? Это говорит нам о тех путях, по которым шла эволюция млекопитающих (ведь мышь и человек млекопитающие). Тщательно проанализировав картину, изображенную на рис. 37, ученые установили, что на границах разных участков ДНК мыши, которые обнаруживаются в составе ДНК человека, содержатся различные подвижные генетические элементы, тандемные повторы и другие «горячие точки», по которым, вероятно, и шла перестройка (рекомбинация) в ходе многовекового процесса эволюции животных организмов.

Рис. 37 . Генетическое сходство (гомология) хромосом человека и мыши. Разными цветами и номерами на хромосомах мыши отмечены нуклеотидные последовательности человеческих хромосом, содержащие сходные сегмент.

Сравнительная геномика показала, что гены, одинаковые по эволюционному происхождению и выполняемой функции (гомологичные), часто оказываются сцепленными с одними и теми же гомологичными генами у разных видов. На основании этого предсказывают вероятный район локализации генов у одних видов, если известно, с какими генами они сцеплены у других, т. е. проводят «сравнительное картирование». Все это важно в связи с тем, что правила чисел и относительное положение генов на хромосоме не всегда предопределяют законы их функционирования. Так, белковый состав многих специализированных клеток мыши, крысы и человека выглядит похожим, хотя сами гены разбросаны на хромосомах по-разному.

Итак, сравнительная геномика позволяет нам судить о механизмах и путях эволюции геномов и даже на новом уровне воссоздавать классификацию всего животного мира. Все это и есть предмет еще одного нового направления - эволюционной геномики. Ее венцом должно стать создание определенной четкой системы живых организмов, в некотором смысле подобной таблице Менделеева.

Благодаря использованию методов и подходов сравнительной и эволюционной геномики уже получены сенсационные результаты, касающиеся такого сложного и интересного вопроса, как происхождение человека и эволюция его генома. Подробнее об этом и пойдет речь в следующей части книги.