Клеточная антропология: почему мы не похожи на шимпанзе
Различия во внешности между человеком и обезьяной обусловлены не появлением новых генов, а изменениями в работе старых.
При всём сходстве человекообразных обезьян с самим человеком вряд ли кто-то спутает их с людьми. Сильней всего внешние отличия между нами и ими проявляются в лице: длина носа, длина челюстей, пигментация кожи и прочие лицевые параметры у шимпанзе, наших ближайших родственников, совсем другие, чем у нас. Между тем наши с шимпанзе геномы схожи на 98,7%. Ещё недавно это выглядело парадоксом: как при таком генетическом сходстве у двух видов может быть такой разный внешний облик. Разгадка же здесь в том, что одни и те же гены могут работать по-разному, то есть какой-то ген у обезьяны может быть более активен, а у человека – менее, да и включаться он может в разных участках одного и того же органа.
Работа генов управляется многочисленными регуляторными элементами, часть которых относятся к группе энхансеров. Так называют последовательности в ДНК, с которыми связываются факторы транскрипции, запускающие на гене синтез РНК (которая, в свою очередь, потом отправиться к рибосомам, собирающим полипептидную цепь в соответствии с информацией, скопированной с ДНК в РНК). Сам по себе энхансер ничего не кодирует, РНК на нём не синтезируется, но от того, как энхансер взаимодействует с транскрипционными белками, зависит активность того или иного гена. Исследователи из Стэнфордского университета предположили, что различия во внешности между людьми и обезьянами коренятся именно в том, что энхансерные последовательности у двух видов работают по-разному.
Чтобы проверить это, Сара Прескотт (Sara Prescott) и её коллеги использовали клетки так называемого нервного гребня – структуры, которая появляется на ранних этапах развития эмбриона. Как следует из названия, гребень даёт начало элементам нервной системы, но, кроме того, его стволовые клетки участвуют в формировании надпочечников, от них происходят пигментные клетки кожи и они же формируют хрящи лицевого черепа. В экспериментах, однако, использовали не настоящий эмбриональный материал, а индуцированные стволовые клетки: у человека и шимпанзе брали нормальные, специализированные кожи или крови, которые потом молекулярно-клеточными методами обращали неспециализированное, стволовое состояние. Затем такие омолодившиеся клетки снабжали инструкцией, направлявшей их по пути развития нервного гребня, параллельно наблюдая за активностью в них регуляторных генетических элементов.
В статье в Cell авторы пишут, что большинство генетических регуляторов в клетках человека и в клетках обезьян были одни и те же, однако работали они действительно по-разному: примерно у 1 000 энхансеров активность зависела от вида организма. Соответственно, менялась и активность генов, находящихся под управлениям энхансеров. Например, гены PAX3 и PAX7, непосредственно влияющие на длину лицевого отдела черепа и пигментацию кожи на лице, есть и у человека, и у шимпанзе, но у шимпанзе они работали сильнее. С другой стороны, ген BMP4, определяющий форму челюстей, активней работал у человека. BMP4 есть и у птиц, и у рыб, и у других зверей, и если искусственно подстегнуть его активность, например, у мышей, то череп грызуна станет более круглым, а глаза заметно сместятся с боков головы на переднюю часть морды (можно сказать, облик мыши слегка «очеловечится»). Стволовые клетки, в которых гены и их регуляторы начинают работать иначе, по-иному «лепят портрет» будущих мыши, человека или шимпанзе.
Полученные результаты ещё раз подтверждают известную теорию, что эволюция не столько изобретает новые гены, сколько меняет способ управления старыми. Причём изменения в управлении опять же связаны не с тем, что появились новые управляющие элементы (новые энхансеры, промоторы, инсуляторы и т. д.), сколько с мутациями в уже существующих регуляторах. На примере человека и обезьяны это не так давно показали генетики из Корнельского университета: в статье 2013 года в Nature Genetics они рассказали о том, что если обычные человеческие гены в ходе эволюционного развития получили довольно мало мутаций, то регуляторные элементы мутировали по сравнению с шимпанзе очень сильно; причём бОльшая часть мутационных отличий пришлась на те области, которые регулируют транскрипцию генов, отвечающих за иммунитет, кровь, работу нервной системы и некоторые другие процессы.
