АДЕКВАТНЫ ЛИ ИНСТРУМЕНТЫ ГЕНЕТИКОВ ДЛЯ РЕКОНСТРУКЦИИ ПРОШЛОГО ЧЕЛОВЕЧЕСТВА?
21.08.2017
АДЕКВАТНЫ ЛИ ИНСТРУМЕНТЫ ГЕНЕТИКОВ ДЛЯ РЕКОНСТРУКЦИИ ПРОШЛОГО ЧЕЛОВЕЧЕСТВА?
А. С. Коньков

Если механизмы популяционной динамики выступают в роли резца истории, отсекающего или подчеркивающего те или иные черты материала, то молекулярно-биологическая структура нашего генома напоминает свойства мрамора или глины, которые способны поддаваться или сопротивляться давлению и «воле» популяционных сил. Уже само по себе это делает важным изучение любых связей между популяционными воздействиями и молекулярно-биологическими механизмами. Но эта проблема обретает особую актуальность и по другой, не менее значимой причине. Начиная с исследований Мотоо Кимуры выявлена значительная роль нейтральных сил в молекулярнобиологических и популяционных процессах [Kimura, 1983], и отношения между нейтральными и селективными силами вообще представляют один из сложнейших ребусов в биологии [Charlesworth, Charlesworth, 2010]. Поэтому понимание этих аспектов очень важно для правильной интрепретации популяционных процессов в человеческих популяциях. А это в свою очередь необходимо для адекватных, лишенных искажений реконструкций антропогенеза и истории населения Земли.

Крупнейшим антропологом XX века академиком Валерием Павловичем Алексеевым было более чем убедительно доказано, что основную роль в формировании различий между человеческими расами сыграли не столько адаптации, сколько изоляция и географические барьеры [Алексеев 1974]. Уже в ранних пионерских работах по генетике Луи Луиджи Кавалли-Сфорца было установлено, что большая часть различий между основными группами человечества (фактически расами) сформирована нейтральными силами [Cavalli-Sforza, Menozzi, Piazza, 1994]. И сами тренды изменчивости различий между популяциями в глобальном масштабе подчиняются прежде всего историческим факторам, которые связаны опять же с географией и изоляцией и дрейфом, а с не приспособлением к среде. Эти же выводы полностью подтверждаются во многих последних работах, где различия между популяциями изучаются полногеномными методами с высоким покрытием и большим числом полиморфных локусов [Pagani и др., 2016; Mallick и др., 2016; The 1000 Genomes Project Consortium, 2015]. Это вовсе не отрицает роли и существования селективных сил в локальных популяциях. Примеры адаптации к гипоксии (недостатку кислорода) у жителей высокогорья и к разной системе питания у охотников-собирателей и земледельцев среди индейцев Южной Америки были подробно рассмотрены на нашем ресурсе.

Что касается самого материала человеческого генома, то в отношении него известно, что он также состоит из преимущественно «селективно нейтральных» блоков. Доля экзонов, — участков с рабочими инструкциями генов — не превышает 1%. Еще около 7% ДНК составляют регуляторные участки. Но оставшуюся часть человеческой ДНК составляют участки без какой-либо функциональной нагрузки. В отношении нее даже существует соответствующий термин — «junk DNA», буквально — «мусорная ДНК». И человек в этом не уникален. Это некая биологическая универсалия, которая отличает геномы большинства живых организмов, особенно эукариот — те организмы, которые обладают ядром (к ним относятся все животные, растения и грибы). Большая часть однонуклеотидных мутаций (другие типы мутации и хромосомные перестройки происходят заметно реже) также затрагивает некодирующие межгенные участки и некодирующие участки внутри генов (так называемые интроны). Несомненно, основную роль в библиотеке наследственности играет значащее меньшинство кодирующих и регуляторных регионов, но в силу вышеназванной причины большая часть мутаций никак не отражается на физиологии и адаптации человека.

И все же взаимоотношения между молекулярно-биологическими механизмами и популяционными силами намного сложнее, чем это кажется на первый взгляд.


htmlimage 1.png

Распределение однонуклеотидных мутаций в разных участках генома человека [Tassi и др., 2015]


Двойной набор хромосом содержит примерно 6,114 млрд. нуклеотидов. Согласно подробному исследованию 78 исландских семей [Kong и др., 2012], общий средний темп мутации в человеческом геноме составляет 1,2×10—8 замен на поколение. Это приводит к тому, что в каждом поколении появляется около 70 новых мутаций, несмотря на исправление большей части мутаций системами репарации, редактирующими ошибки копирования наследственной информации. В CpG-островках, которые регулируют работу генов, частота мутаций еще выше. Здесь доля трансверсий превышает среднюю скорость в геноме в 2,5 раза, а доля транзиций в 18 раз [Kong и др., 2012]! При таком высоком темпе однонуклеотидных замен — даже с учетом того, что большая часть генома не несет физиологической нагрузки, — через несколько поколений должна появиться очень высокая доля мутаций, которая затронет функционально значимые участки. Это приведет к быстрому повышению доли вредных аллелей в локальных популяциях. Сегрегационный груз в популяции будет настолько велик, что в ней не останется хороших и здоровых генотипов, которые могли бы быть подхвачены действием отбора. Поэтому в этом случае будет бессмысленно надеяться на какое-то ее «очищение» из-за жесткого давления среды. Сама популяция потеряет ресурс адаптации к внешней среде.

В пользу того, что отбор может не всегда справляться с отбраковкой вредных генотипов, свидетельствует и тот факт, что по мере удаления человеческих популяций от прародины человека в Африке к Центральной Америке возрастает груз наследственных мутаций [Henn и др., 2015]. Не вызывает никаких сомнений, что в условиях Сибири, Беренгии или Американской Арктики, отбор несомненно должен был более чем жестко бы устранять индивидов с вредными мутациями. И, тем не менее, это не позволило уменьшить сегрегационный груз у предков якутов и индейцев, обитающих в этих суровых местах, в сравнении с африканцами и жителями Передней Азии.


htmlimage 2.png

htmlimage 3.png

Средняя доля вредных мутаций в экзонах генов в разных популяциях при удалении от Африки (сверху), локализация популяций (снизу) [Henn и др., 2015]


В этой связи крайне интересны результаты исследования о влиянии отбора на вредные мутации в исследвоании популяционного генетика Шамиля Сюняева и его коллеги Машаала Сохаила из Гарвардской школы медиков. Они установили, что в человеческом геноме локусы, затронутые вредными мутациями, активно вовлекаются в эпистатические взаимодействия [Sohail и др., 2016]. Эпистазом называют влияния между двумя генами в разных участках геном, где один ген подавляет другой. За счет этого поврежденные аллели могут нарушать функцию не только своего гена, но и генов в других областях генома. Без эпистаза отрицательные проявления нескольких вредных мутаций, которые независимо затрагивают разные участки генома, просто бы суммировались. Но благодаря эпистатическим межгенным взаимодействиям, их общий вредный эффект возрастает на порядок. Важно, что в эпистатические взаимодействия оказалась вовлечена значительная часть человеческого генома, затронутого вредными мутациями. Половое размножение за счет рекомбинации позволяет собрать вредные комбинации в одном генотипе и быстро устранить вредные мутации. Поэтому широкое распространение эпистатических эффектов, когда вредные мутации заявляют о себе вместе, вовсе не является проклятием. Наоборот, оно является тем благом, который эффективно уменьшает ее сегрегационный груз. Ибо в ином случае эффект вредных мутаций, будучи слабее, представлял бы собой «вездесущую и неустранимую пыль», которая больше бы вредила всей популяции и в конечном счете — входящим в нее индивидам. Поэтому помимо чисто популяционных эффектов имеются молекулярно-биологические механизмы, корректирующие их влияние.

При таких сложных и комплексных связях между молекулярно-биологическими механизмами и популяционно генетическими эффектами любопытно рассмотреть результаты работ специальных геномных проектов, которые детально изучают функциональные и структурные элементы генома человека. Наряду с проектом «1000 genomes», одним из наиболее масштабных проектов, изучающих человеческий геном с этой позиции является проект ENCODE (аббревиатура от «Encyclopedia Of DNA Elements», буквально — «энциклопедия ДНК элементов»). Он осуществляется под эгидой известной организации «Национальные институты здоровья США», куда входит небезызвестная для почти всех биологов организация NCBI, хранящая банк структур и функций всех изученных генов и белков живых организмов. В этом проекте были получены данные о том, что примерно 80% генома могут быть вовлечены в регуляцию биологических процессов организма [Sloan и др., 2016; ENCODE Project Consortium, 2012; Ecker и др., 2012]. Этот вывод основан на том, что эти участки транскрибируются (с них считывается РНК). Также значительная часть ДНК может участвовать в упаковке хроматина, будучи вовлечена этим напрямую или косвенно в эпигенетическую регуляцию.


htmlimage 4.png

Иллюстрация влияния хроматина на регуляции работы генов
Синяя нить обозначает ДНК, красные шары — белки гистонов
Уплотнение структуры хроматина при конденсации, делает недоступными участки ДНК для активации находящихся в них генов [Ecker и др., 2012]


Проект ENCODE принес большую пользу благодаря выявлению и картированию новых регуляторных элементов, а также участков, вовлеченных в структурную организацию хроматина в ядре [ENCODE Project Consortium, 2012], но оценка функциональной части генома, равная 80%, представляется многими учеными завышенной. Недавно Дэн Грор — молекулярный генетик из Университета Хьюстона в США — опубликовал обширный обзор, где подробно разобрал ошибки в оценке функциональности разных частей генома проектом ENCODE. Прежде всего он справедливо обратил внимание на то, что сама по себе транскрипция фрагментов РНК не означает ее функциональности. Значительная часть ее возникает спонтанно и случайно, представляя артефакты побочных процессов. Также он рассчитал гибель потомков, несущих вредные мутации, если признать, что 80% человеческого генома функционально значимо при существующем темпе мутаций по следующим формулам:

htmlimage 5.png

Оказалось, что в этом случае для поддержания популяции на постоянном уровне, чтобы каждая пара родителей имела в результате хотя бы 2 здоровых детей, она должна была бы рождать не менее 24 детей, при этом 22 из них были бы больными или погибали. В противном случае в популяции преобладали бы индивиды, несущие поврежденные гены в функциональных участках. Исходя из этих оценок, максимально возможный функциональный размер области генома может составлять максимум 25% от его общей длинны. Но даже эта цифра должна считаться завышенной.

Согласно данным эпигеномного проекта человека «Roadmap Epigenomics Consortium» [Roadmap Epigenomics Consortium и др., 2015], который посвящен изучению эпигенетической регуляцию в геноме человека (т. е. того, как и какими элементами происходит управление работой генов), не более 5% генома приходится на регуляторные элементы энхансеров и промоторов. Это практически полностью возвращает исследователей к старым оценкам функциональной доли генома.

Вероятно, большинство участков, признанных в проекте ENDNOTE функциональными, выполняют какую-то нужную, но вторичную роль в структурной организации. Такое объяснение соответствует и тем эмпирическим данным, которые были получены в проекте ENCODE [ENCODE Project Consortium, 2012]. Локальные точеные мутации не должны сказываться на их функциональности существенным образом, как это происходило бы в экзонах генов (участках генов, где записаны их рабочие инструкции) или регуляторных областях. Их можно сравнить с царапиной на цементе, которая мало повлияет на устойчивость здания, и царапиной в чертежах, которая может сделать его неустойчивой.

В целом, новые работы по изучению структуры человеческого генома подтверждают, что генетики используют адекватные инструменты для решения своих задач. Данным на основе используемых маркеров можно доверять в вопросах реконструкции прошлого человечества. Полученная информация в разных геномных проектах очень ценна. Она позволит лучше отбирать для изучения истории популяций максимально нейтральные локусы, независимые от влияния среды и не влияющие на регуляцию физиологических процессов в организме и клетке. В других случаях необходимо выявлять локусы, которые, напротив, вовлечены в адаптивный ответ — например, в регуляторных областях, где они не всегда могут быть сразу обнаружены. И, безусловно, это позволит ученым адекватно понимать взаимосвязи между «резцом» популяционных процессов и мрамором молекулярной структуры генома".


Статья опубликована по публикации
Graur D. An Upper Limit on the Functional Fraction of the Human Genome. // Genome Biology Evolution. — 2017. — T. 9. № 7. — P. 1880-1885.


Использованная литература

  • Cavalli-Sforza L. L., Menozzi P., Piazza A. The history and geography of human genes. — Princeton, 1994.

  • Charlesworth B., Charlesworth D. Elements of evolutionary genetics // Roberts Co. Publ. — 2010. — P. 432.

  • Ecker J. R. et al. Genomics: ENCODE explained // Nature. — 2012. — Т. 489. № 7414. — P. 52–55.

  • ENCODE Project Consortium. An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome // Nature. — 2012. — Т. 489. № 7414. — P. 57–74.

  • Henn B. M. et al. Distance from sub-Saharan Africa predicts mutational load in diverse human genomes // Proc. Natl. Acad. Sci. 2015. — P. 201510-805.

  • Kimura M. The Neutral Theory of Molecular Evolution. — Cambridge, 1983.

  • Kong A. et al. Rate of de novo mutations and the importance of father’s age to disease risk. // Nature. — 2012. — Т. 488. № 7412. — P. 471–475.

  • Mallick S. et al. The Simons Genome Diversity Project: 300 genomes from 142 diverse populations // Nature. — 2016. — Т. 538. № 7624. — P. 201–206.

  • Pagani L. et al. Geographical barriers, environmental challenges, and complex migration events during the peopling of Eurasia // Nature. — 2016. — [Epub ahead of print]

  • Roadmap Epigenomics Consortium et al. Integrative analysis of 111 reference human epigenomes // Nature. — 2015. — Т. 518. № 7539. — P. 317–329.

  • Sloan C. A. et al. ENCODE data at the ENCODE portal // Nucleic Acids Res. — 2016. — Т. 44. № D1. — P. D726—D732.

  • Sohail M. et al. Negative selection in humans and fruit flies involves synergistic epistasis // bioRxiv. — 2016. — P. 66407.

  • Tassi F. et al. Early modern human dispersal from Africa: genomic evidence for multiple waves of migration. // Investig. Genet. — 2015. — Т. 6. № 1. — P. 13.

  • The 1000 Genomes Project Consortium. A global reference for human genetic variation // Nature. — 2015. — Т. 526. № 7571. — P. 68–74.

  • Алексеев В. П. География человеческих рас. — М.: Мысль, 1974

.