Текст книги "Генетическая одиссея человека"

Под давлением

Питер Андерхилл начал свою научную карьеру с изучения морской биологии в Калифорнии в конце 1960-х, получив в итоге докторскую степень в 1981 году в Делавэрском университете. Затем он вернулся в Калифорнию и окунулся с головой в только что возникшую область биотехнологии, занимавшуюся такими вещами, как проектирование новых ферментов для молекулярно-биологических исследований. Но самое главное, он увлекся новыми технологиями, которые тогда разрабатывались генетиками в ошеломляющем количестве. Это было бурное время для молодой биотехнологической отрасли, и эпицентр революции, которую предвещала технология получения рекомбинантной ДНК, находился неподалеку от Сан-Франциско. Вырезание и сшивание генов стало биологическим аналогом развивающейся в Кремниевой долине и окрестных городках компьютерной индустрии.

В 1991 году, устав от мира коммерции, Питер Андерхилл подал заявление на должность научного сотрудника лаборатории Луки Кавалли-Сфорцы в Стэнфордском университете. После того как он убедил Луку в том, что сможет вписаться в его сплоченный и дружный коллектив, он был принят. Свою деятельность в лаборатории Питер начал с секвенирования мтДНК, но вскоре его заинтересовала Y-хромосома. О работе в лаборатории Кавалли-Сфорцы в то время можно было только мечтать, это был поистине передовой край науки. Я считаю себя счастливчиком, что работал там после защиты докторской диссертации. Новые методы статистического и генетического анализа разрабатывались почти каждую неделю, и интеллектуальный климат был безупречен. Почти все крупные фигуры популяционной генетики человека в 1990-х годах работали какое-то время в Стэнфорде – среди них были и студенты, и доктора наук, такие как Дэвид Гольдштейн, Марк Сейелстад и Ли Цзинь, которых мы еще встретим в этой книге. Но на нашу историю повлиял, как ни странно, один химик-аналитик. И чтобы объяснить, почему, мы должны узнать немного больше о молекуле, которая образует наш геном.

Один из основных методов исследования в техническом арсенале генетиков – разделение фрагментов ДНК по размеру. Подобно белкам, молекула ДНК является линейной цепочкой, состоящей из блоков, называемых нуклеотидными основаниями. Генетическая информация кодируется в последовательности оснований, составляющих ДНК подобно тому, как аминокислоты образуют белки. Однако в отличие от белков ДНК имеет только четыре строительных блока, которые называются нуклеотидными основаниями: аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г) и тимин (Т). Информация, которую они кодируют – инструкция по созданию вас – содержится в определенной последовательности этих четырех видов нуклеотидов. Подобно тому, как азбукой Морзе можно передать огромный объем информации с помощью точек и тире, так и ДНК кодирует биологические характеристики организма с помощью этих четырех нуклеотидов. А если работать с последовательностью из 3 млрд нуклеотидов, получается огромное количество информации.

Методы разделения смеси молекул на основе их размера могут быть использованы для установления последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Это возможно благодаря биохимическим технологиям, с помощью которых можно получать фрагменты ДНК определенной длины. После того как эти фрагменты получены, они могут быть разделены при их прохождении через желеобразное вещество (гель) под действием электрического поля. Так как ДНК заряжена отрицательно, фрагменты мигрируют к положительно заряженному концу геля – на молекулярном уровне противоположности действительно притягиваются. Интересно, что, проходя через гель, фрагменты замедляют свое движение, потому что они должны пройти через лабиринт крошечных каналов, находящихся в геле. То, насколько замедляется их движение, зависит от их длины – длинные молекулы отстают в большей степени, чем короткие, так как им необходимо протиснуть через эти каналы в геле большее количество вещества. Все это кажется очень сложным в теории, но прекрасно работает на практике. Этот метод, известный как секвенирование, лежит в основе почти всех важных генетических открытий, сделанных за последние тридцать лет. Секвенирование генома человека, например, включало в себя применение этого метода десятки миллионов раз – не слишком-то увлекательное, но зато эффективное занятие.

Одна из проблем секвенирования состоит в том, что это довольно медленный процесс, и биохимические реакции, которые позволяют определить последовательность нуклеотидов изучаемой вами ДНК, могут быть очень дорогими. По этой причине генетики пытаются использовать более быстрые и дешевые методы для изучения последовательностей ДНК, часто путем поиска различий между ДНК изучаемого индивидуума и той ДНК, последовательность которой уже была определена трудоемкими биохимическими и электрофоретическими методами. Различия между последовательностями ДНК – это наши полиморфизмы, и они предопределяют индивидуальную восприимчивость к болезням, цвет волос (если вы не меняли его) и все другие наследственные различия между людьми. Но большинство из них не оказывают никакого влияния на их носителя – это переданный по наследству багаж, маркер вашей родословной. Эти маркеры представляют наибольший интерес для антропологов и историков.

Питер Эфнер, химик-аналитик, австриец по происхождению, в 1990-х годах проводил в Стэнфордском университете исследования по разделению молекул ДНК с помощью метода, называемого высокоэффективной жидкостной хроматографией (сокращенно – ВЭЖХ). В частности, он пытался разработать метод определения последовательности ДНК с использованием ВЭЖХ, что позволило бы разделять молекулы намного быстрее, чем в геле. Презентацию его метода на семинаре в отделе генетики увидел Питер Андерхилл. Андерхилл сразу же понял применимость этого метода к задаче нахождения полиморфизмов Y-хромосомы и подошел к Эфнеру с предложением о сотрудничестве. Вскоре они уже исступленно работали вместе, на полтора года забыв о выходных.

Партнерство двух Питеров привело в конечном итоге к созданию метода, известного как денатурирующая ВЭЖХ, или сокращенно дВЭЖХ. Он основан на замечательном свойстве молекул ДНК: они являются двухцепочечными, их парные цепи удерживаются вместе силой взаимного притяжения между составляющими их нуклеотидными основаниями. В мире ДНК аденин всегда образует пару с тимином, цитозин с гуанином благодаря природе их молекулярной структуры. Это означает, что если вы знаете последовательность нуклеотидов в одной из цепей, то автоматически знаете ее и в другой. Такая структура молекулы ДНК имеет два преимущества. Во-первых, она стабилизирует молекулу ДНК, делая ее менее восприимчивой к разрушению под действием ферментов и факторов окружающей среды. ДНК была выделена из костей возрастом 50 000 лет, тогда как ее одноцепочечный эквивалент, также содержащийся в наших клетках и известный как РНК, слишком неустойчив, чтобы сохраняться так долго. А во-вторых, такая структура предоставляет возможность восстановить информацию, содержащуюся в нуклеотидной последовательности ДНК. Если изменение (то есть мутация) произойдет в одной цепи молекулы ДНК, то соответствующий нуклеотид во второй цепи больше не будет образовывать с ним идеальную пару. В этой точке образуется небольшая петля из-за несоответствующих друг другу пар оснований. Эти петли легко обнаруживаются корректирующим аппаратом клетки, и поломка устраняется.

Метод дВЭЖХ использует невероятно чувствительную технологию разделения ВЭЖХ как заменитель корректирующего аппарата клетки. При этом несоответствующие друг другу цепи ДНК перемещаются через специальную матрицу, что замедляет их движение, но не из-за различий в их длине, а вследствие особенностей их структуры. Если в цепочке ДНК есть петля, то ее движение меняется, и несовпадающие фрагменты могут быть обнаружены по различной картине миграции. Это позволяет быстро и дешево сканировать весь фрагмент ДНК длиной в сотни нуклеотидов для поиска различий между ним и фрагментом ДНК с известной последовательностью. Это – фантастическая экономия времени и существенный скачок вперед в нашей способности секвенировать гены.

Применение этого метода в медицинских целях представляется очевидным, и он был использован для установления генетических мутаций, лежащих в основе некоторых заболеваний человека. Но чем он может помочь в изучении древних миграций? А тем, что, применяя эту технику к одному и тому же участку ДНК у многих людей, мы можем обнаружить генетические различия между ними. Это позволяет нам быстро и эффективно исследовать уровень генетического разнообразия нашего вида, предоставляя для изучения множество полиморфизмов. До разработки этого метода в Y-хромосоме было обнаружено не более дюжины полиморфизмов. По последним подсчетам их уже около 400, и это число продолжает расти еженедельно. Если бы Роб Дорит и его коллеги имели возможность проводить свои исследования разнообразия Y-хромосомы с помощью дВЭЖХ, они могли бы обнаружить ее вариабельность. Как это часто происходит в науке, технология открывает новые способы разгадки старых загадок, давая зачастую поразительные ответы.

Адам запаздывает

Очевидно, что сразу же возникает вопрос: «Действительно ли большое количество полиморфизмов Y-хромосомы указывает на африканское происхождение современного человека?» Ответ на него – «Да, несомненно», и результаты научного исследования, опубликованные Питерами и еще девятнадцатью соавторами (включая и меня) в научном журнале Nature Genetics в ноябре 2000 года, свидетельствует об этом коротко и ясно. Выборка мужчин из множества популяций с каждого континента изучалась с помощью недавно найденного клада из полиморфизмов Y-хромосомы. На основе изменчивости последовательностей ДНК с помощью методов, использованных ранее при исследовании мтДНК, было построено дерево. Оно показало, что самое древнее расщепление в родословной Y-хромосомы произошло в Африке. Иными словами, корень мужского родового дерева находится в Африке. И это точно такой же ответ, какой дала нам мтДНК для женщин. Но настоящим потрясением был возраст нашего древнейшего общего предка по мужской линии. Этот человек, от которого в конечном итоге получили Y-хромосому все живущие сегодня мужчины, жил 59 000 лет назад. Более чем на 80 000 лет позже, чем, по подобным оценкам, жила Ева! Получается, Адам и Ева так и не встретились?

Нет, не встретились, но вопрос этот труден для понимания, и в ходе рассуждений на эту тему обнаруживается одна из самых важных вещей, которую нужно помнить при изучении истории человечества с помощью генетических методов. Когда мы изучаем образцы ДНК живущих сегодня людей для того, чтобы найти ключи к своему прошлому, мы в буквальном смысле изучаем их генезис – историю их генов. Люди наследуют гены от своих родителей, поэтому анализ генетической истории – это познание истории людей, несущих эти гены. В конечном счете, однако, пытаясь отследить прошлое, от которого нас отделяют несколько тысяч поколений, мы достигаем рубежа, когда просто нет различий в ДНК, способных поведать нам о тех далеких событиях. Как только мы достигаем этой точки, вариабельность человеческого генома не может больше ничего нам рассказать о наших предках. Мы все сливаемся в один генетический субъект – «Адама» в случае Y-хромосомы или «Еву» в случае мтДНК – существовавший в непостижимом прошлом. Хотя этот субъект и был реальным человеком, который жил в то время – общим предком всех живущих сегодня людей – мы не можем использовать генетические методы, чтобы рассказать о его предках. Мы можем задаться вопросом о том, как Адам и Ева соотносятся с другими видами (какой вид ближе человеку – с шимпанзе или горилла?), но мы ничего не можем сказать о том, что случилось с самой человеческой линией до этой точки слияния (точки коалесценции). Не осталось ничего, что «бритва Оккама» могла бы отрезать.

С точки зрения оценки дат коалесценции, это означает следующее: помимо того, что все люди современного типа произошли в Африке 200 000 лет назад (и, следовательно, гипотеза мультирегионального происхождения человека, столь излюбленная Куном и другими антропологами, несостоятельна), даты не слишком важны. Они не дают нам представления о времени возникновения нашего вида, в противном случае Еве пришлось бы долгое время ждать появления Адама. Они просто показывают время, когда мы перестаем видеть генетическое разнообразие в наших мтДНК и Y-хромосоме. Поскольку мтДНК и Y-хромосома – полностью независимые части нашей запутанной генетической ситуации, то, пожалуй, не так уж и удивительно, что они произошли в разное время. Ваши родители, например, родились в один и тот же день? Кроме того, для оценки генетических дат – так же как и археологических – используются некоторые предположения, которые не могут быть абсолютно точными. Поэтому-то в результате наших расчетов возраста Адама мы и получили временной диапазон от 40 000 до 140 000 лет, но наиболее вероятный возраст 59 000 лет. Как мы увидим в главе 8, разница в возрасте между Адамом и Евой больше, чем мы ожидали, и, вероятно, это результат тысячелетий сексуальной политики. Однако это не является свидетельством какой-то серьезной неопределенности в отношении эволюции человека. Возвращаясь к нашему примеру с Провансом, мужчины просто быстрее теряют свои рецепты супа, чем женщины.

Таким образом, главный вывод из нашей оценки возраста слившихся точек – Адама и Евы – заключается в том, что до той даты, которую мы смогли установить, за пределами Африки не было людей современного типа. С учетом того, что Y-хромосома возникла позднее, это означает, что все люди современного типа жили в Африке по крайней мере 60 000 лет назад. Это впечатляет: 60 000 лет – это же так давно! Но напомню, что здесь мы имеем дело с эволюционным масштабом времени. Обезьяны впервые появились в летописи окаменелостей около 23 млн лет назад – трудно вообразить столь колоссальную протяженность времени. Но если мы уплотним календарь событий до одного года, это позволит нам соразмерить даты. Представьте себе, что обезьяны появились под Новый год. В этом случае наши первые вертикально ходящие гоминидные предки – в сущности, первые обезьянолюди – появились примерно в конце октября. Homo erectus, который покинул Африку около 2 млн лет назад, появился в начале декабря. Люди современного типа возникли не раньше 28 декабря, и ушли из Африки не раньше Нового года! По эволюционным меркам с момента, когда люди покинули Африку и колонизировали всю планету, прошел всего лишь миг.

Учитывая, как недавно это произошло, можем ли мы видеть какие-либо свидетельства существования этих первобытных людей в африканцах, живущих там сегодня?

Значение щелкающих согласных

Самое интересное, что дал нам анализ Y-хромосом – это характер генетического разнообразия в Африке, который проявляется в распределении существующих на этом континенте древних генетических линий. Хотя все африканские популяции содержат более глубокие эволюционные линии, чем популяции за пределами континента, некоторые их них сохраняют следы действительно очень древних линий. Эти группы были найдены в Эфиопии, Судане и некоторых частях Восточной и Южной Африки. Генетический сигнал, которые они содержат, является очень хорошим доказательством того, что эти группы – то, что осталось от одной из самых древних человеческих популяций. В других группах эти сигналы утеряны, но сегодня эти восточно– и южноафриканские популяции все еще демонстрируют прямую связь с точкой коалесценции – с Y-хромосомным Адамом.

Эти популяции охватывают африканскую Рифтовую долину, распространяясь на юго-запад Африки, где люди племени сан (прежде называемые бушменами) имеют очень сильный сигнал разнообразия, что характерно для древних человеческих популяций. Также они говорят на одном из самых странных языков на планете, воспроизводя части слов с помощью щелкающих звуков (кликсов) – подобный звук мы могли бы издавать, управляя лошадью или имитируя капающий кран. Ни один другой язык в мире не использует щелкающих согласных в обычных словесных конструкциях, и эта удивительная особенность вдохновила лингвистов на изучение языковой семьи сан 200 лет назад, когда европейцы впервые колонизировали южную часть Африки. Языки этой семьи невероятно сложны. В английском языке, например, в повседневной речи используется тридцать один звук (две трети языков мира имеют от двадцати до сорока звуков), а! Ксу – язык племени сан («!» в слове «!Ксу» немного похож на звук откупоривающейся бутылки) имеет 141 звук. Хотя не вполне ясно, какие именно силы управляют возникновением языкового разнообразия, это число определенно указывает на древнее происхождение этого языка – точно таким же образом с течением времени накапливается и генетическое разнообразие.

То, что люди племени сан относятся к древней генетической линии, видно и по митохондриальной ДНК, и эти три вида независимых данных – особенности Y-хромосомы, мтДНК и языка – наводят на мысль о том, что племя сан представляет собой звено, напрямую связанное с нашими древними предками. Означает ли это, что наш вид возник в Южной Африке, а не в Рифтовой долине? Не обязательно, хотя значимость наших южных гоминидных предков в последние годы возросла, и некоторые современные палеоантропологи приводят доводы в пользу происхождения человека именно в Южной Африке. Совершенно ясно, что нынешняя территория проживания людей племени сан – лишь небольшая часть их исторического пространства, и останки скелетов, характерных для племени сан, были обнаружены в Сомали и Эфиопии в геологических слоях, относящихся к палеолиту. Некоторые из самых очевидных современных доказательств и на этот раз дает лингвистика. За пределами Южной Африки на щелкающем языке говорят только в одном месте – на востоке Африки. В Танзании народы хадза и сандаве говорят на очень непохожих друг на друга щелкающих языках, что подтверждает существование на территории от Рифтовой долины до Намибии широко распространенной некогда языковой семьи. Вполне вероятно, что область ее распространения была расширена сравнительно недавно вследствие миграции из Центральной Африки говорящих на языке банту популяций, которые за последние 2000 лет распространились на большей части Восточной и Южной Африки. Однако, похоже, что до прихода банту в Южной и Восточной Африке жили преимущественно племена сан.

Лицом к лицу

Одной из отличительных особенностей людей племени сан является их «неафриканская» внешность. Конечно, африканские народы очень сильно отличаются друг от друга по внешнему виду, и любая попытка классификации людей в соответствии с африканскими и неафриканскими чертами не имеет смысла. Когда большинство из нас думает об африканцах, то мысленно рисует, как правило, представителей народности банту, проживающих в Центральной Африке, а также (из-за европейской работорговли) афроамериканцев и афрокарибов. Люди племени сан более низкорослы, их кожа светлее, волосы вьются сильнее, а верхнее веко образует так называемую эпикантную складку (эпикантус), характерную для жителей Восточной Азии. Именно эта особенность навела некоторых исследователей на мысль, что эпикантус был характерен для наших предков и просто утрачен западно-евразийскими популяциями и народностями банту. Эта гипотеза остается умозрительной до тех пор, пока генетическая основа эпикантной складки не будет расшифрована, но она безусловно согласуется с данными относительно племени сан. Так действительно ли люди племени сан дают нам представление о наших предках, живших во времена генетического Адама?

Трудно вообразить, как именно выглядели наши общие мужские и женские предки. Мы можем лишь строить догадки на основе того разнообразия, которое видим в человеческих популяциях сегодня, и нашего представления о морфологической эволюции человечества. Это как в исторической науке, когда мы строим наше понимание неизвестного события в прошлом на основе сохранившихся сведений – отсекая лишнее по принципу экономии. К сожалению, у нас нет реального способа оценить точность полученной картины, поэтому кое-что мы вынуждены принимать на веру.

Маловероятно, что наши африканские предки были волосатыми, грубыми троглодитами, какими их изображают в музеях, – вероятно, это связано с нашим восприятием неандертальцев, которые, возможно, и были довольно волосатыми и грубыми. Скорее, они были довольно стройными и изящными, по крайней мере, по сравнению с неандертальцами. Причина массивности и волосатости неандертальцев заключалась, наверное, в адаптации к холодному евразийскому климату. Так как наши древнейшие предки жили в относительно теплом климате Южной и Восточной Африки, они не нуждались в сохраняющем тепло волосатом экстерьере.

Вероятно, они имели эпикантную складку. Хотя эта особенность могла возникнуть дважды в различных частях мира, скорее она была характерна для наших общих предков и просто была утрачена в поколениях, ведущих к центральным и западным евразийцам. Конечно, эпикантная складка возникает de novo[17]17
  Вновь, с самого начала, заново (лат.). – Прим. пер.


[Закрыть] в каждом случае синдрома Дауна, возможно потому, что она сравнительно легко воссоздается. Однако в качестве хорошей рабочей гипотезы можно взять предположение, что она – черта наших предков.

Древние люди, вероятно, имели довольно темный цвет кожи. Причиной тому был характер окружающей среды, в которой они жили – солнечная африканская саванна, – где защита от солнечного излучения, предоставляемая темной кожей, была явным преимуществом. По крайней мере, некоторые из мутаций, которые приводят к светлому цвету кожи у европейцев и северо-восточных азиатов, возникают в предковом гене, обусловливающем темный цвет кожи (известный как MCiR, или ген меланокортинового рецептора). Таким образом, представляется вероятным, что африканцы сохранили более темный цвет кожи, а не эволюционировали из более светлых форм.

Вероятно, 60 000 лет назад наши предки были примерно такого же роста, как и мы с вами, хотя на самом деле это ничего не значит. Средний рост современного человека значительно варьирует во всем мире: самые высокие среди европейцев – голландцы, с ростом мужчин в среднем больше шести футов (1,83 м), и женщин на несколько дюймов меньше. Несколько ниже японцы, их мужчины имеют рост около 5 футов 6 дюймов (1,7 метра). Однако пигмеи племени тва из Центральной Африки значительно ниже – рост мужчины в среднем составляет всего лишь 5 футов (1,5 метра). Эта разница в росте отражает, вероятно, адаптацию к местным условиям, которую можно увидеть и у наших предков Homo erectus и Homo ergaster.

Таким образом, вырисовывается портрет: темнокожий (хотя, возможно, не настолько, как некоторые сегодняшние африканцы), достаточно высокий, худой, возможно с эпикантной складкой. На такого человека, одетого в костюм и сидящего напротив вас в поезде, вы вряд ли обратите внимание. И я думаю, что это и не удивительно, учитывая, что он жил всего лишь 2500 поколений назад.