Ирина Лагунина: Мы продолжаем рассказывать о том, как с помощью дупликации (то есть удвоения) генов появляется новая информация в геноме. Еще в 70-е годы прошлого века генетики предположили, что удвоение генов сыграло ключевую роль в развитии позвоночных на Земле. Но окончательное подтверждение было получено только в этом году, когда на примере ланцетника ученые убедились, что много миллионов лет назад у ранних позвоночных дважды произошло полное удвоение генома, которое послужило мощным толчком к их дальнейшему развитию. Об этом рассказывает доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Палеонтологического института РАН Александр Марков. С ним беседует Ольга Орлова.
Ольга Орлова: Александр, вы показывали на различных примерах, как с помощью увеличения количества генов в геноме появляется новая информация, и животные начинают обладать новыми свойствами. Получается, что мутации, изменение генов – это скорее вопрос положительный.
Александр Марков: Тут речь идет о том, что удвоение генов могло играть ключевую роль в самых важных эволюционных преобразованиях, как, например, появление позвоночных животных. Позвоночные вообще уникальная группа по сложности строения своего, по сложности мозга, нервной системы, всего на свете.
Ольга Орлова: А чем для позвоночных обернулось это удвоение или, как вы говорите, дупликация генов?
Александр Марков: Дупликация генов, похоже, сыграла роль спускового крючка в эволюции позвоночных, в появлении их и в их дальнейшей судьбе. Вот эта идея, это предположение, что у ранних позвоночных произошла полногеномных дупликаций, была высказана еще в 1970 году. Сусумо Оно, такой исследователь предложил эту гипотезу на основе анализа отдельных генов. Сначала эта идея подтверждалась немногими фактами, потом постепенно все больше и больше находилось подтверждений этой гипотезе, и в конце концов, она стала уже практически общепринятой, но все-таки не хватало последнего решающего доказательства. И вот в этом году в июне наконец было получено решающее доказательство того, что действительно на заре эволюции позвоночных произошло две полногеномные дупликации.
Ольга Орлова: Что же это за доказательства?
Александр Марков: Вот это доказательство было получено в результате прочтения генома ланцетника. Ланцетник – это хрестоматийный объект, он во всех учебниках есть, его называют живой упрощенной схемой хордового животного. Его строение очень похоже на ранние эмбриональные стадии развития позвоночных животных. У него нет позвоночника, но у него есть хорда, такой упругий тяж.
Ольга Орлова: И внутри жидкость у хордовых?
Александр Марков: Грубо говоря, это такой тяж, он упругий, он надутый. У ланцетника есть классические признаки хордовых - жаберные щели, которые у всех позвоночных в эмбриогенезе закладываются. Жаберные дуги, через которые он фильтрует воду, хвост, продолжающий после анального отверстия, сердце на брюшной стороне, спина и нервная трубка, что очень характерно для ланцетника. Из спинной трубки у нас потом спинной мозг развивается. Этот ланцетник издавна привлекал большое внимание исследователей, во всяком случае, в микробиологии он нарисован как хорошее приближение к тому, как выглядел предок позвоночных. Хотя сам ланцетник к позвоночным не относится, он относится к типу хордовых. Тип хордовых включает три подтипа - это ланцетники, позвоночные и еще такие оболочники, у них личинка имеет хорду. Так вот каким образом геном ланцетника помог доказать, что были эти две полногеномные дупликации. Оказалось, что порядок расположения генов в хромосомах ланцетника сохранил некоторое сходство с порядком расположения генов в хромосомах позвоночных. И если у ланцетника какие-то гены находятся на одном и том же фрагменте ДНК, то с большой вероятностью эти же гены и у человека будут находиться скорее всего на одной и той же хромосоме. Это говорит о том, что расположение генов, взаимное расположение генов в геноме и у ланцетника, и у позвоночных сохранило следы древнего исходного порядка генов, который был у общего предка всех хордовых и, соответственно, у общего предка позвоночных, который жил позже.
Ольга Орлова: И что же генетики обнаружили, когда прочли геном ланцетника?
Александр Марков: Когда прочли геном ланцетника, исследователям удалось реконструировать 17 гипотетических хромосом вот этого гипотетического предка, общего предка всех хордовых. Во-первых, оказалось, что у него было 17 хромосом, уже интересно. У последнего общего предка ланцетника и позвоночных, вот о чем речь идет. Были реконструированы эти 17 предковых хромосом, после этого исследователи нанесли на генные карты человека и других позвоночных, отметили там фрагменты, соответствующие каждой из этих 17 предковых хромосом. Вообще хромосомы в процессе эволюции рвутся, объединяются, меняются кусочками, происходят хромосомные перестройки, но они происходят достаточно редко, и длинные фрагменты хромосом могут сохраняться более-менее целыми в течение сотен миллионов лет. Отдельные гены могут, конечно, перепрыгивать, но все-таки по порядку генов можно найти гомологичные участки, соответствующие участки. Исследователям удалось найти фрагменты в человеческих хромосомах, соответствующие каждым из этих предковых хромосом. Как и следовало ожидать, каждая из 17 хромосом превратилась в геноме человека в некий набор обрывков, но эти наборы обрывков, когда их стали анализировать, обнаружилась очень красивая и показательная вещь, что каждый набор обрывков, в который превратилась одна из предковых хромосом, он подразделяется на четыре части, на четыре группы обрывков с похожими наборами генов. Гены, которые находятся в одном и том же геноме, но происходят от одного гена, когда-то произошла дупликация, ген разделился надвое и теперь два гена, произошедшие от одного предкового гена, такие гены называются паралогичными. Вот я говорил о том, что каждая хромосома предковая превратилась в четыре группы обрывков. Вот оказалось, что если мы возьмем одну из этих групп обрывков, то с большой вероятностью в трех других группах обрывков найдутся паралоги генов, которые есть тут. Паралоги, соответственно, это родственные гены, похожие друг на друга, но накопившие какие-то различия. Это гены, которые происходят от одного предкового гена в результате дупликации.
Ольга Орлова: О чем это говорит?
Александр Марков: Поскольку для каждой хромосомы обнаружилось четыре группы обрывков, в которые она превратилась, где есть родственные гены, то это и значит, что у предков хордовых в какой-то момент учетверились, весь геном учетверился. Вот эти участки гомологичные предковым хромосомам в геноме человека они соответствуют 95% всего генома человека, по крайней мере, то, где удалось найти соответствие. Это строгое и совершенно неопровержимое доказательство того, что геном учетверился у позвоночных. У ланцетника он не учетверился, а у всех позвоночных он оказался учетверенным.
Ольга Орлова: Почему это оказалось важным и зачем это произошло?
Александр Марков: Такие вещи происходят обычно случайно. Это может произойти удвоение генома в результате нерасхождения хромосом при мейозе. У растений сплошь и рядом бывает.
Ольга Орлова: Хорошо, а что тогда позвоночные в результате этого получили?
Александр Марков: Они получили то, что каждый ген у ни стал присутствовать в четырех экземплярах, и это открыло свободу для эволюционных преобразований. Дело в том, что если ген у вас в одном экземпляре, то он находится под действием так называемого очищающего отбора. Почти все мутации, которые будут возникать в этом гене, будут вредны, ген за миллионы лет предшествующей эволюции настроен для выполнения какой-то функции.
Ольга Орлова: Какой-то одной работы. И если он, соответственно, вдруг начинает делать какую-то другую работу, то это скорее всего будет болезненно восприниматься организмом и ему повредит.
Александр Марков: Да, конечно. Если исходная функция данного гена будет ослаблена, если он хуже начнет с ней справляться, то это вредно, и такая мутация будет отсеиваться отбором. А когда у вас появляется вместо одной копии гена две или тем более четыре, то появляется гораздо больше свободы для изменений. Если в одной из копий возникает мутация, которая ухудшает функцию гена, то она не отсеивается отбором, потому что остается вторая копия.
Ольга Орлова: Которая в это время выполняет нужную работу.
Александр Марков: И получается, что одна копия сохраняется в своем прежнем состоянии, делает свою старую функцию, а вторая копия на некоторое время получает полную свободу меняться, куда ей вздумается. Конечно, в большинстве случаев случайные мутации, накапливающиеся в этой второй копии, ничего хорошего не дадут, они испортят этот ген, и он в конце концов выйдет из строя и может быть полностью утрачен. Именно такая судьба во многих случаях ожидает лишние копии генов, которые получаются в результате дупликации. Но однако есть случайный шанс, что эти случайные мутации, которые свободно накапливаются в лишней копии гена, что эти случайные мутации случайно придадут этому гену какое-то полезное свойство новое, пусть даже очень слабо выраженное поначалу. Немножко изменится функция белка, немножко изменится локализация, то есть он будет работать в немножко другой части клетки или в другой ткани. Или если это фермент катализатор, он начнет катализировать превращение немножко других химических веществ. Если это окажется полезным, а вероятность этого вполне реальная, то естественный отбор сразу зацепится за это и начнет оптимизировать эту копию гена уже в новом направлении и таким образом возникает новая функция.
Ольга Орлова: А вы можете привести какой-то конкретный пример, какие новые функции таким образом удалось понять, как они появились.
Александр Марков: В принципе то, о чем мы говорили до этого, появление нового опсинового гена у обезьян - это как раз типичный пример появления новой функции. То есть был опсин, настроенный на зеленый цвет, появилась лишняя копия, изначально она тоже была настроена на зеленый цвет, в ней стали возникать какие-то мутации, которые отбор не отсеивал, потому что ему было все равно. Но какие-то мутации у каких-то особей привели к тому, что изменилась оптимальная длина волны воспринимаемого цвета, ближе к желтому стала. Опсины так устроены, что у них световая чувствительность меняется легко, так устроены аминокислоты. Эти мутации были поддержаны, в итоге закрепилось три мутации и у нас возник новый белок, новый опсин, настроенный уже не на зеленый, а на желтый цвет. Организм получил новую способность отличать зеленый цвет от красного. Вот это как раз типичный пример появления новой функции. Но тут важно подчеркнуть, что эти новые копии, появляющиеся в результате дупликации новые копии генов, они на первых порах беззащитны, потому что если возникает мутация, остается вторая копия, которая справляется с работой, и поэтому очень большой шанс у этих новых копий просто погибнуть. В этом отношении очень интересно посмотреть, что же стало с генами первых позвоночных, которые учетверились, сколько из возникших лишних копий было потеряно, а сколько пригодилось и нашло себе новое применение.
Ольга Орлова: А что, есть такая статистика, можно даже на это посмотреть?
Александр Марков: Да, это было сделано теми же учеными, которые прочли геном ланцетника.
