Изменчивость — одно из фундаментальных свойств всего живого, заключающееся в том, что один и тот же признак в популяции может проявляться по-разному. Примерами здесь могут служить разнообразие цвета волос или кожи. Иногда это лишь фенотипические изменения наподобие загара, но биологов и генетиков куда сильней интересуют наследственная, то есть генетически обусловленная изменчивость.
В геноме закрепляются все изменения, произошедшие при жизни в клетках, из которых образуются гаметы — яйцеклетки и сперматозоиды, а также все мутации, произошедшие непосредственно при образовании этих половых клеток.
По мере накопления новых вариантов генов важную роль в эволюции начинают играть их сочетания. Исландским ученым удалось уточнить работу механизма, лежащего в основе образования этих сочетаний, и даже найти ключевой ген, регулирующий эту систему. А в процессе работы выяснилась удивительная вещь, во многом определяющая ход эволюции, — работа этого гена у мужских и женских организмов в корне различается.
Фенотип — (от греческого слова «являю», «обнаруживаю») cовокупность характеристик, присущих индивиду на определённой стадии развития. Фенотип формируется на основе генотипа, опосредованного рядом внешнесредовых факторов.
Фенотип можно определить как «вынос» генетической информации навстречу факторам среды. В первом приближении можно говорить о двух характеристиках фенотипа: а) число направлений выноса характеризует число факторов среды, к которым чувствителен фенотип, — мерность фенотипа; б) «дальность» выноса характеризует степень чувствительности фенотипа к данному фактору среды. В совокупности эти характеристики определяют богатство и развитость фенотипа. Чем многомернее фенотип и чем он чувствительнее, чем дальше фенотип от генотипа, тем он богаче. Если сравнить вирус, бактерию, аскариду, лягушку и человека, то богатство фенотипа в этом ряду растет.
Термин фенотип предложил датский ученый Вильгельм Иогансен в 1911 г., вместе с концепцией генотипа, чтобы различать наследственность организма от того, что получается в результате ее реализации. Идею о различии носителей наследственности от результата их действия можно проследить уже в работах Грегора Менделя (1865) и Августа Вейсмана. Последний различал (в многоклеточных организмах) репродуктивные клетки (гаметы) от соматических.
Некоторые характеристики фeнотипа напрямую определяются генотипом, например цвет глаз. Другие сильно зависят от взаимодействия организма с окружающей средой — например однояйцевые близнецы могут различаться по росту, весу и другим основным физическим характеристикам, несмотря на то, что несут одни и те же гены.
Конечно, если варианты одинаковы (тогда организм называется гомозиготным по этому аллелю), то никакой разницы нет. Другое дело — гетерозиготный родитель. Иногда очень важно, что и в сочетании с какими генами получит потомок, ведь от этого может зависеть не только его внешний вид, но и здоровье, а нередко — и жизнь.
Если гены располагаются в разных хромосомах, то сочетание определяется абсолютно случайным образом — такие признаки ещё Грегор Мендель назвал независимо наследуемыми.
Но природа придумала способ «перемешивать» гены.
Частный случай такого обмена генетическим материалом путем разрыва и соединения (рекомбинации) разных молекул ДНК регулярно происходит при образовании половых клеток и носит название кроссинговера.
(от англ. crossingover), перекрест, взаимный обмен участками парных хромосом, происходящий в результате разрыва и соединения в новом порядке их нитей — хроматид (рис.); приводит к перераспределению (рекомбинации) сцепленных генов. Важнейший механизм, обеспечивающий комбинаторную изменчивость, а следовательно, — один из главных факторов эволюции.
Как правило, имеет место в профазе первого деления половых клеток, когда их хромосомы представлены четырьмя нитями. В месте перекреста удаётся цитологически обнаружить характерную фигуру перекрещенных хромосом — хиазму. Результат можно выявить по новому сочетанию сцепленных генов (если аллели гомологичных хромосом, участвовавших в кроссинговере, были гетерозиготны).
Этот феномен, открытый американским генетиком Томасом Морганом, позволил доказать линейное размещение генов в хромосоме и разработать метод установления их взаиморасположения.
Частота кроссинговера в грубом приближении зависит от линейного расстояния между генами. В случае, если на участке между двумя генами происходит сразу двойной или множественный обмен, частота перекомбинации этих генов уменьшается.
Сначала гомологичные хромосомы сближаются (недавно была подтверждена одна из возможных причин такого поведения), потом скрепляются в определенных местах, а затем расходятся и разрываются, при этом во вновь образованных хромосомах гены уже «перемешаны». Чем больше таких «горячих точек» на одну хромосому — тем больше разнообразие образующихся гамет. Поскольку происходит смешивание хромосом, переданных от отца и матери, уже во взрослом, половозрелом организме, то ребёнку передаются хромосомы, в которых смешана наследственность его бабушки и дедушки по соответствующей линии, а не только одна из них, как можно было бы наивно подумать.
Если для классических генетических моделей — дрозофилы, круглого червя Caenorhabditis elegans и горошка Arabidopsis — кроссинговер давно изучен, то у человека этот процесс ещё предстоит детализировать.
Исландские ученые работали с геном RNF212, находящимся в коротком сегменте четвёртой хромосомы. Это человеческий аналог гена ZHP-3, ответственного за рекомбинацию у вышеупомянутого C.elegans и ряда других животных. Как выяснилось, два встречающихся у человека варианта (аллеля) RNF212 отличаются друг от друга всего парой нуклеотидов; в духе Менделя назовём их r и R.
Далее исландцы изучили изменчивость других генов у более чем 20 тысяч добровольцев. Обработав данные по множеству генов, общее количество вариантов которых превысило 300 тысяч, учёные пришли к удивительному выводу.
Один из вариантов гена имеет совершенно противоположный эффект на рекомбинацию у разных полов.
Гомозиготные rr-самцы, то есть те, у которых в двух гомологичных хромосомах присутствуют аллели r, имели минимальную частоту рекомбинации. В то же время у rr-самок частота рекомбинации была максимальной. Механизм работы этого гена пока остается неясным.
Генетики идентифицировали почти 600 генов, эволюция которых у разных популяций шла совершенно по-разному. Эти гены, по числу составляющие лишь около 2% человеческого генома, в последние 60 тысяч лет менялись гораздо быстрее остальных 98%, а некоторые из них способны защитить человека от диабета, ожирения и других болезней.
Учёные давно полагают, что стремительное расселение человечества по земному шару, а также переход от охоты и собирательства к сельскому хозяйству сопровождающееся адаптацией к новым и быстро меняющимся условиям, должно было привести к некоторому ускорению эволюции, частоты изменения некоторых наследуемых признаков – цвета кожи, осанки или желудочных ферментов.
Группа испанских и французских учёных под руководством Люиса Кинтаны-Мурси из Пастеровского института проанализировала ДНК 210 человек из Европы, Азии и Америки, собранных в рамках второй фазы международного проекта HapMap, выделив почти 3 миллиона однонуклеотидных полиморфизмов – замен одного нуклеотида на другой. Большая часть из них относилась к участкам ДНК, не кодирующим белков, или не изменяла результирующие белки, поскольку трёхнуклеотидный кодон, получившийся в результате замены одного нуклеотида, соответствовал той же аминокислоте, что и прежде. 15 259 мутаций оказались несинонимичными, то есть дающими в итоге изменившийся белок.
Среди мутаций выделились несколько, частота изменения которых в пределах одной популяции оказывалась гораздо выше среднего. По словам учёных, такие сильные изменения могут быть вызваны только мощнейшим давлением естественного отбора – по каким-то причинам люди с подобными мутациями гораздо лучше выживали на той или иной территории. Более того, соответствующие гены у разных популяций отличались очень сильно. Работа учёных принята к публикации в Nature Genetics.
В сумме по всем популяциям оказалось 582 таких быстро меняющихся гена. Функции белков, кодируемых большинством из них, пока неизвестны, однако около полусотни генов, судя по всему, влияют на переносимость заболеваний и адаптацию к изменениям во внешней среде и структуре питания – например, регулирование уровня инсулина, потребление сахара и крахмала, транспорт жиров, разложение алкоголя или восстановление повреждённой ДНК.
Как пояснил журналу Science антрополог Джон Хокс из университета американского штата Висконсин в Мэдисоне, «мутации защищали людей от диабета и ожирения, помогая им справиться с изменившейся диетой». В качестве примера он приводит ферменты, помогающие расщеплять крахмал. Когда люди в той или иной популяции становились очень зависимыми от собранного урожая, те особи, которым переваривание этого продукта давалось легко, меньше болели и умирали, и оставляли в итоге больше потомства.
Однако в целом женская генная натура куда как более ветрена, чем мужская. И именно женщины внесли наибольший вклад в эволюцию.
Это вывод из исследований другой группы, на этот раз американской, результаты которой были приняты к публикации в Science одновременно с результатами исландцев.
Американцам удалось определить места основных «горячих точек» на наших хромосомах, а точнее — координаты их «гипервариабельных» участков. Оказалось, что их местоположение у людей настолько же стабильно, как и мушек, что упрощает подобные исследования.
Причина половой асимметрии на этот раз — в количестве таких участков. В материнских хромосомах при образовании гамет происходит в среднем около 40 рекомбинаций, в то время как в мужских — почти вдвое меньше, средний показатель составил 26. Кроме того, мужчины и женщины преимущественно используют разные «горячие точки».
Как и предполагалось, число таких перемешиваний растёт с возрастом женщины — чем она старше, тем меньше вероятность, что её дети пойдут «в бабушку» или «в дедушку», поскольку их мать сильнее смешивает хромосомы своих родителей.
