Прыгающие гены лишили обезьян хвоста

…и одновременно наградили нас врождёнными пороками развития нервной системы.

Человек и человекообразные обезьяны — единственные из зверей, у кого нет хвоста. Почему так вышло? Вероятно, отсутствие хвоста давало какие-то преимущества, соответственно, бесхвостые особи лучше себя чувствовали и лучше размножались — так бесхвостость закрепилась в популяции. Если спуститься на уровень ДНК и белков, то у предков человекообразных обезьян должна была появиться какая-то мутация, которая не давала развиваться хвосту.

В последние годы удалось прочитать множество обезьяньих геномов, так что при желании мутацию бесхвостости можно найти. И эта мутация оказалась довольно интересной. В статье на портале bioRxiv сотрудники Нью-Йоркского университета пишут, что в одном из «хвостовых» генов у человекообразных приматов появилась короткая вставка под названием Alu-последовательность, или Alu-элемент.

Alu-последовательностей в геноме приматов чрезвычайно много. Они относятся к так называемым транспозонам, или прыгающим генам. Транспозоны умеют более или менее самостоятельно копировать себя в другие участки ДНК с помощью довольно хитроумных молекулярных механизмов, причём многие из них кодируют белки, которые необходимы для самокопирования. Alu-элементы в этом смысле не очень самостоятельны: они никаких белков не кодируют, и потому зависят от транспозонов другого класса, которые содержат последовательности, кодирующие белки. Но пусть и с помощью других транспозонов, Alu-элементы в ходе эволюции человека сумели довольно широко распространиться по человеческому геному: считается, что на Alu-элементы приходится 10,7% всей нашей ДНК.

Когда транспозон куда-то прыгает, он может попасть в некодирующую ДНК, и тогда его прыжок ни к каким серьёзным последствиям не приведёт. Но если транспозон окажется внутри последовательности, кодирующей какой-то белок, или же в регуляторном участке ДНК, который управляет активностью гена, то не заметить это будет уже нельзя: ген либо вообще выключится, либо как-то изменит активность. У приматов два Alu-элемента попали в ген TBXT. Мутации в гене TBXT укорачивают хвост, но всё дело было в том, что Alu-элементы, которые здесь иначе как мутациями не назовёшь, были в геномах и хвостатых обезьян, и бесхвостых человекообразных.

Однако в геномах бесхвостых человекообразных оба Alu-элемента располагались несколько иначе, и вот их особое взаимное расположение приводило к тому, что белок TBXT получался короче, чем должен был. При этом человеческие эмбриональные клетки синтезировали два варианта белка, длинный и короткий, а вот клетки мыши синтезировали только длинный. Когда мышам методами генетической инженерии оставляли только короткую версию TBXT, они просто не выживали. Но если у них, как у человека, был и длинный TBXT, и короткий, то хвост получался разный: у каких-то мышей он был, как обычно, у других был короче нормального, а у третьих хвоста вообще не было.

Почему в таком случае среди людей не рождаются особи с разными хвостами? Очевидно, потому, что хвост зависит не от одного только гена TBXT. Он влияет на работу других «хвостовых» генов, а те влияют на TBXT, а поскольку активность генов зависит от условий среды, то и хвосты у мышей получались разные. У обезьян же, скорее всего, другие гены тоже изменились так, что хвост исчез вообще — несмотря на то, что клетки синтезировали и длинный TBXT, и короткий.

При этом мыши, которые синтезировали две версии TBXT, хоть в целом и выживали, время от времени получали пороки развития, связанные с неправильным формированием нервной трубки — зачатка центральной нервной системы. У некоторых мышей была анэнцефалия, когда у черепа и головного мозга не хватает какой-то части (этот порок летален на 100%), у некоторых было то, что называется расщеплением позвоночника.

С расщеплением позвоночника можно родиться и жить, особенно если порок получился не в слишком тяжёлой форме. У людей расщепление позвоночника встречается довольно часто, в 1–2 случаях на 1000 новорождённых. Авторы работы полагают, что это расплата за отсутствие хвоста. Впрочем, расплата в эволюционном смысле оказалась не так уж велика — видимо, хвост нашим предкам мешал довольно сильно, и какое-то количество неполноценных детёнышей оказалось вполне приемлемой платой за то, чтобы его убрать.