Исследуя геномы человека и шимпанзе, ученые выявили участки, где под воздействием балансирующего отбора, направленного на защиту от паразитов, сохранилась изменчивость, представленная еще у наших общих предков.
Естественный отбор обычно представляется как процесс, приводящий, в конечном итоге, к уменьшению разнообразия — менее приспособленные варианты исчезают из популяции, а более удачные — наоборот, распространяются. Таким образом, со временем генофонд обедняется, если пренебречь новыми мутациями. Однако бывают и ситуации, когда естественный отбор сохраняет изменчивость. Такой его вид называется балансирующим отбором. Известно несколько возможных ситуаций, среди которых стоит выделить повышенную приспособленность гетерозигот и обратный частотно-зависимый отбор.
Пример первого — знаменитая серповидно-клеточная анемия. Эта болезнь, приводящая к смерти в раннем возрасте, возникает, если доставшиеся от родителей обе копии гена гемоглобина оказались дефектными — в них заменена всего одна аминокислота, в результате чего белок теряет способность переносить кислород. Если же человек гетерозиготен по этому гену (от родителей ему достались разные его копии — нормальная и дефектная), то анемией он не более, только чуть быстрее устает, но оказывается устойчивым к малярии — плазмодии не могут развиваться в его крови. В результате этого в популяциях человека, где малярия широко распространена, ни нормальный, ни дефектный аллель под действием отбора не может вытеснить другой – и вот уже несколько тысяч лет они стабильно сосуществуют. Понятно, однако, что эта система неоптимальна – людям приходится платить за устойчивость к малярии высокую цену в виде умирающих от серповидно-клеточной анемии детей.
Обратный частотно-зависимый отбор чаще всего связан с антагонистической коэволюцией паразитов и хозяев или хищников и жертв. Паразиты приспосабливаются к самым частым вариантам иммунных генов хозяев, а последние – к самым распространенным штаммам своих «врагов». В результате хозяева с редкими вариантами иммунных генов (и редкие штаммы паразитов) получают преимущество (их реже заражают/они лучше заражают) и эффективнее плодятся – но только до тех пор, пока не станут распространенными – и «гонка вооружений» пойдет по новому кругу. Сейчас считается, что частотно-зависимый (а также переменный отбор – когда разные варианты оказываются «лучше» других в разных условиях или в разные сезоны) являются более частыми случаями балансирующего отбора, чем повышенная приспособленность гетерозигот.
Как долго может сохраняться изменчивость, поддерживаемая балансирующим отбором? Достаточно долго. Например, группы крови у нас такие же, как у гиббонов – не самой близкой к нам обезьяне: наш общий предок, от которого мы унаследовали эти иммунные гены, жил восемнадцать миллионов лет назад. Но это – единичный пример. Еще один известный пример поддерживаемого полиморфизма среди приматов – гены главного комплекса гистосовместимости, также отвечающие за устойчивость к патогенам.
Международная группа исследователей задалась вопросом: много ли вообще генов, на которые балансирующий отбор продолжает действовать со времен разделения линий человека и шимпанзе (это произошло четыре-шесть миллионов лет назад) в обоих наших видах? Для этого ученые изучили полные геномы 59 представителей африканского народа йоруба (одного из крупнейших этносов Тропической Африки) и 10 особей западных шимпанзе (подвид обыкновенного шимпанзе). Объектом поиска были общие однонуклеотидные полиморфизмы, то есть изменчивые внутри каждого из видов сайты (участки ДНК, занятые одним нуклеотидом), но такие, что и у людей, и у шимпанзе в них встречаются одинаковые нуклеотиды. Например, если в данном сайте у людей бывает аденин и гуанин, а у шимпанзе – аденин и тимин, то это – не общий полиморфизм. А если что у нас, что у них в этом сайте бывает и аденин, и цитозин – то это именно то, что искали ученые!
Понятно, что далеко не каждый общий полиморфизм – свидетельство балансирующего отбора. Ведь нуклеотидов — всего четыре. И один и тот же полиморфный вариант вполне может независимо возникнуть и у человека, и у шимпанзе. К счастью, современная биоинформатика разработала методы, который позволяют различить участки генома, «общие по происхождению» от «общих по состоянию». Если на данный участок действует балансирующий отбор, то один из вариантов — производный, возникший в качестве мутации у какой-то обезьяны еще до разделения линий человека и шимпанзе — исходно был крайне мало распространен, но его концентрация была «поднята» отбором. Но при этом преимущество в распространении получали и расположенные рядом с ним участки ДНК, сами по себе не влияющие на приспособленность — просто «за компанию». Ученые и искали такие широкие участки со схожими полиморфизмами, чье случайное возникновение представляется маловероятным. При этом исследователи решили использовать весьма жесткие критерии: пусть лучше мы не детектируем много реальных случаев отбора, но зато то, что обнаружим — будет именно им!
И при таком жестком подходе ученые обнаружили весьма много генов, которые подвержены балансирующему отбору и у нас, и у наших ближайших родственников. Напомним, что, вопреки все еще распространенному мнению, не прямых предков – шимпанзе нам «братья», а не «отцы».
Кроме уже известных общих полиморфизмов – групп крови и главного комплекса гистосовместимости – ученые обнаружили еще 125 регионов в геноме со следами балансирующего отбора. Каковы же их общие свойства? Во-первых, значительная часть «следов отбора» оказалась не в кодирующих, а в регуляторных последовательностях. Объяснить механизм балансирующего отбора, действующего на них, ученые удовлетворительно не смогли, но предположили, что он связан с разными уровнями экспрессии регулируемых генов в разных условиях, в частности, в разных тканях нашего организма. А что касается функций генов, то подавляющее большинство оказалось так или иначе связано со взаимодействием с паразитами. В основном это были гены, отвечающие за синтез мембранных гликопротеинов (комплексов белков и углеводов) – именно через них многие вирусы проникают в клетку, а бактерии имитируют их, чтобы «обмануть» наш иммунитет.
Гены, вовлеченные во взаимодействие с паразитами, конечно, «азбучный» пример балансирующего отбора. Но почему за миллионы лет, прошедшие со времен разделения человека и шимпанзе, мы не придумали «лучшего» оружия? Ведь, кроме колебания уровня частот одних и тех же вариантов, есть еще и возможность «эскалации» — когда старые иммунные варианты остаются, но появляются все новые и новые. По-видимому, этого не происходит, так как защита – дело дорогое. И уже «неработающие» варианты оказываются попросту вредными.
В конце статьи авторы напоминают, что они использовали очень жесткие критерии, так что еще много случаев балансирующего отбора ждут своих первооткрывателей.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science
Материал к публикации подготовил Сергей Лысенков