Расшифровка генома шимпанзе и его сравнение с человеческим геномом. Безрассудно и рискованно? Китайские учёные создали ГМ-макак с человеческим геном развития мозга Генетический код человека и человекообразных обезьян

В 1975 году Мэри-Клэр Кинг и Аллан Уилсон опубликовали в журнале «Science» статью о генетическом подобии шимпанзе и человека. Увы, эта статья чаще цитировалась для подтверждения «почти полной идентичности» шимпанзе и человека, а не для того чтобы передать ее главную мысль о том, что никто по-настоящему не понимает, как происходила макроэволюция .

Если говорить вкратце, Кинг и Уилсон сравнили аминокислотные последовательности нескольких белков шимпанзе и человека (таких как гемоглобин и миоглобин), и нашли, что последовательности либо идентичны, либо почти идентичны. Каков был их вывод? «...Последовательности полипептидов шимпанзе и человека, изученные на данный момент, в среднем идентичны более чем на 99% .»

Так по вине ленивых читателей (не дочитавших ту статью до конца) родился "Миф об 1%" генетического различия Homo sapiens и Pan troglodytes , как его позднее назвал Йон Коген в своей статье в «Science» в 2007-м.

Были и другие эксперименты, которые, казалось бы, подтверждали сходство на 98,5 %. Но это была относительная цифра, поскольку сравнение проводилось только в кодирующих частях ДНК и только среди похожих генов с «заменой единичных оснований». Не брались в рассчет «вставки-удаления» и «повторы» в ДНК, поскольку тогда не представлялось возможным их сравнить. Последующие сравнительные анализы с применением новых технологий позволили уточнить данные.

В 2002 году Рой Бриттен, сравнив «вставки-удаления», обнаружил , что они увеличивают генетическое различие еще на 4%. С тех пор мнимая «идентичность» составляла менее 95% !

Иллюстрация различия геномов, обнаруженного группой Мэттью Ханна.

В 2006 году Мэтью Ханн с коллегами установил , что, «вставки-удаления» добавляют еще больше разницы, чем определил Бриттен — а именно 6,4% (то есть 1418 генов). Итого предполагаемое совпадение уменьшилось до 92-93% .

Ну и наконец, в 2008-м, была предпринята попытка провести сравнительный анализ огромных участков «повторов»(функция которых пока не до конца ясна), в результате которой выяснилось , что абсолютное сходство между ДНК человека и шимпанзе может составлять менее 90% .

Может показаться, что разница между 98% и 95% совсем незначительна, но если учесть, что ДНК человека состоит из 3 миллиардов пар оснований, тогда разница в 3% составит 90 миллионов пар оснований ! И к тому же, как подтверждают многолетние исследования, на кардинальные различия между человеком и шимпанзе влияет разница не столько в самих генах, сколько в их экспрессии — то есть их участии в производстве белков. Тем не менее, нет ни единой причины преуменьшать разницу в последовательностях ДНК.

Справка из Википедии:

Кодирующие белок последовательности составляют менее чем 1,5 % генома. Не учитывая известные регуляторные последовательности, в человеческом геноме содержится масса объектов, которые выглядят как нечто важное, но функция которых, если она вообще существует, на текущий момент не выяснена. Фактически эти объекты занимают до 97 % всего объёма человеческого генома.

Люди любят рассматривать фотографии животных. Кошки, собаки, лошади, ламы - все они, особенно детеныши, кажутся нам очень симпатичным. Однако мало кто называет симпатичными или милыми обезьян, особенно высших приматов. Эти звери выглядят как пародия на человека. Явные черты сходства, перемешанные с отчетливо животными признаками, вызывают смешанные чувства.

Человек и обезьяна действительно похожи. На уровне ДНК сходство между Homo sapiens и Pan troglodytes - шимпанзе - превышает 98 процентов. В цифрах эта разница кажется не такой маленькой: из трех миллиардов "букв" человеческого генома целых 60 миллионов являются уникальными для H. sapiens . В данном случае цифры создают ложное представление о пропасти, отделяющей человека от обезьяны. Практически все гены этих двух групп организмов отличаются лишь незначительными вариациями последовательности ДНК.

Ученые до сих пор не могут объяснить, как эти небольшие генетические отличия смогли обеспечить колоссальный эволюционный прыжок от обезьяны к человеку. Первый ответ, который приходит в голову, - последовательности, характерные для H. sapiens , составили в его геноме в особые "гены человечности". Однако на практике эта теория не подтверждается: исследователи не обнаружили у человека уникальных генов. Все гены H. sapiens эволюционировали из генов общего с шимпанзе предка. Авторы нового исследования впервые обнаружили целых три исключения из этого правила.

Эволюция на генном уровне

Прежде чем описывать новое открытие, стоит чуть подробнее рассказать, как именно происходит эволюция генетических последовательностей. Геномы самых первых живых организмов, появившихся на нашей планете, содержали всего несколько сотен генов. Чтобы размножаться, первые жители Земли делили свое тело, состоящее из единственной клетки, надвое. Каждый из потомков получал по одной копии родительского генома. Копирование ДНК "папы" (или "мамы") происходило с ошибками - некоторые гены терялись, а другие, напротив, появлялись в удвоенном варианте. В некоторых случаях "лишние" гены не приводили к смерти хозяина. Они сохранялись в цепочке поколений и постепенно мутировали. Через несколько десятков сотен копирований последовательность таких генов изменялась до неузнаваемости. Соответственно, менялась и последовательность кодируемых генами белков. Постепенно строение живых существ усложнялось, но механизмы образования новых генов оставались неизменными.

В некоторых случая новые гены появлялись без удвоения старых - мутации появлялись и в генах, представленных в единственной копии. Если изменения не ухудшали жизнеспособность организма, они могли сохраняться в череде поколений. В конце концов в гене накапливалось критическое число таких нейтральных или положительных мутаций, и у кодируемого белка появлялись новые функции.

Еще один способ образования новых генов - это потеря части последовательности. Укороченный ген иногда продолжал работать не хуже полноценной копии, кроме того, место утраченных "букв" могли занимать соседние последовательности ДНК. Еще один вариант рождения новых генов - "сращивание" старых друг с другом или их расщепление.

Во всех описанных случаях гены не создаются de novo : основой для них всегда служат уже существующие у организма варианты. Биологи были уверены в этом факте вплоть до 2006 года, когда в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences появилась группы исследователей, работавших с плодовой мушкой Drosophila melanogaster .

Авторы обнаружили в геноме дрозофилы целых пять генов, которых нет у ее ближайших родственников. Все они образовались из так называемой "мусорной" ДНК (junk DNA). Этим нелицеприятным эпитетом ученые обозначают не кодирующие белки последовательности ДНК, функция которых неизвестна. Термин был предложен в 1972 году американским генетиком японского происхождения Сусуму Оно (Susumu Ohno) и с тех пор прижился. У развитых организмов "мусорная" ДНК составляет более 95 процентов генома.

После выхода "мушиной" работы биологи бросились искать уникальные гены у других организмов. Однако к настоящему моменту их удалось обнаружить только у дрожжей. Тем не менее, авторы нового исследования под руководством Ифы Маклайсэт (Aoife McLysaght) из Тринити колледжа в Дублине задались целью найти новые гены у человека.

Ключи к человечности

Маклайсэт и ее коллеги сравнили геномы H. sapiens и P. troglodytes . Используя специальные программы, они сопоставляли последовательности известных на сегодняшний день генов человека и шимпанзе. Авторы обнаружили в геноме человека 644 гена, не имеющих аналогов у шимпанзе.

Порядок расположения генов у шимпанзе и человека практически не отличается. Исследователи пристально изучили области обезьяньего генома, где могли бы располагаться подозрительные последовательности. В существующих базах данных ДНК P. troglodytes в некоторых из этих мест отсутствовали большие куски кода, поэтому исследователям пришлось исключить из рассмотрения 425 из найденных 644 генов.

На следующей стадии работы ученые провели повторный поиск оставшихся 219 последовательностей в геноме шимпанзе, используя немного иной алгоритм. У 150 предположительно уникальных человеческих генов в геноме P. troglodytes обнаружились аналоги. Таким образом, "круг подозреваемых" сузился до 69 генов. Ученые вычеркнули из этого списка последовательности, которые были обнаружены в геномах других видов, кроме шимпанзе. Наконец, Маклайсэт и ее соавторы отказались от генов, которые были представлены только в одной базе данных человеческой ДНК и могли попасть туда по ошибке.

Все стадии отбора прошли только три гена - CLLU1 , C22orf45 и DNAH10OS . Чтобы еще раз убедиться в их уникальности для человека, исследователи проверили геномы макаки, гиббона и гориллы. Последовательности, напоминающие CLLU1 , C22orf45 и DNAH10OS , были обнаружены у всех изученных приматов, однако являться полноценными генами они не могли и присутствовали в "мусорной" ДНК.

Для того чтобы считаться геном, последовательность должна содержать определенные сочетания "букв", в частности, отмечающих конец и начало гена. Такие характерные "буквосочетания" узнаются ферментами, отвечающими за синтез белка с этого гена. У макаки, шимпанзе, гиббона и гориллы характерных для генов отличительных признаков не было. Более того, у них имелись участки, мешающие полноценной работе ферментов. Причем у всех приматов (кроме человека) эти участки были одинаковыми.

Исследователи предположили, что в ходе эволюции человека в некоторых регионах "мусорной" ДНК, присутствующих у приматов, накопились необходимые изменения, которые позволили им стать настоящими генами. Именно работа этих генов привела к появлению рода Homo .

Из-за пробелов в генетических базах данных и очень строгих критериев отбора ученые смогли полноценно изучить только 20 процентов из исходно отобранных генов. Соответственно, в будущем, когда дыры будут заполнены, авторы рассчитывают обнаружить еще как минимум 15 уникальных генов. Пока же авторы сосредоточились на поиске белков, кодируемых "человеческими" генами. В работах других исследовательских групп было показано, что белки с этих последовательностей синтезируются, однако какова может быть их функция, на данный момент не совсем ясно. Если Маклайсэт и коллегам удастся это узнать, то человечество, возможно, чуть-чуть приблизится к ответу на вопрос, чем же отличается человек от обезьяны.

О мусоре и РНК

На самом деле, частичный ответ на этот вопрос ученые знают. Результаты множества исследований, посвященных поискам разницы между человеком и обезьяной, указывают, что секрет кроется не в последовательности белков, а в регуляции их работы. Причем контролировать работу человеческого генома и белков могут не только регуляторные белки, но также особые молекулы РНК. Кодирующие эти молекулы гены также расположены в "мусорной" ДНК. Так что и мусор иногда бывает полезен.

Чтобы два самых авторитетных в мире научных журнала – британский «Nature» и американский «Science» – одновременно посвятили значительную часть своих очередных выпусков одной и той же теме, – такое случается крайне редко. А уж если случается, то свидетельствует о чрезвычайной важности этой темы. Так что публикация сразу 12-ти статей, посвящённых расшифровке генома шимпанзе и его сравнению с геномом человека, – событие, конечно, незаурядное.

Для реализации проекта по картированию и сравнительному анализу генома шимпанзе был создан международный консорциум. В него вошли 67 учёных из 23-х научных учреждений 5-ти стран – США, Израиля, Испании, Италии и Германии. Координировали работу генетики Гарвардского университета и Массачусетского технологического института в Бостоне. А кровь для анализа ДНК дал молодой самец шимпанзе по имени Клинт (Clint), обитатель одной из вольер Национального центра по изучению приматов имени Йеркиса в Атланте, штат Джорджия. К сожалению, в январе нынешнего года донор умер от острой сердечной недостаточности в самом расцвете сил, в возрасте 24-х лет. Его скелет находится теперь в экспозиции музея Филда в Чикаго. Однако самая главная ценность, доставшаяся человечеству в наследство от Клинта, – это порция его крови, послужившая исходным материалом для расшифровки и анализа генома шимпанзе. Теперь приматы пополнили перечень организмов, наследственный материал которых полностью картирован. Этот перечень насчитывает сегодня уже сотни позиций: тут и плесневые грибы, и бактерии, в том числе возбудители опасных инфекционных заболеваний (сибирской язвы, туляремии, чумы, тифа), и растения (рис, кофейное дерево), и насекомые (малярийный комар), и птицы (например, курица), и млекопитающие (мышь, крыса, собака, свинья, корова). Однако человекоподобные обезьяны занимают в этом перечне, конечно же, совершенно особое место. По словам Роберта Уотерстона (Robert Waterston), возглавляющего отдел геномных исследований Высшей медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле, «изучение шимпанзе как самого близкого из ныне живущих на Земле родственника человека может дать нам максимум информации о нас самих». Однако прежде чем перейти к обсуждению полученных учёными результатов, я позволю себе небольшое отступление – или, если хотите, напоминание, – чтобы было понятнее, о чём, собственно, речь.

Как известно, любой живой организм состоит из клеток, и в ядре каждой клетки имеется один и тот же свойственный данному биологическому виду набор генетической информации. Этот набор и именуется геномом. Носителем генетической информации являются хромосомы. Хромосома представляет собой молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты (сокращённо – ДНК) и состоит из двух длинных полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой и соединённых друг с другом так называемыми водородными связями. Эта молекула именуется двойной спиралью, её можно несколько упрощённо представить себе в виде скрученной верёвочной лестницы. Разным видам животных присуще разное количество хромосом. Так, человеческий геном состоит из 23 пар хромосом – в каждой паре одна хромосома происходит от отца, другая – от матери. У плодовой мушки – дрозофилы – в ядрах клеток содержится по 4 пары хромосом, а, например, бактерии имеют всего одну непарную хромосому. На хромосомах в строго определённых участках расположены гены – своего рода единицы наследственности. В химическом отношении гены состоят из молекул 4-х азотистых соединений – аденина, цитозина, гуанина и тимина. Эти так называемые нуклеотидные основания повторяются в строго определённом порядке, образуя пары «аденин – тимин» и «гуанин – цитозин». Один ген может содержать от нескольких тысяч до более чем двух миллионов нуклеотидных оснований. Именно их последовательностью и определяются специфические функции каждого конкретного гена.

Образно геном можно представить себе так: ядро клетки – это библиотека, в которой хранятся инструкции по обеспечению жизни; хромосомы играют роль книжных полок; на полках стоят книги – молекулы ДНК; гены – это главы внутри книг, а нуклеотидные основания – аденин, тимин, гуанин и цитозин, которые принято обозначать начальными буквами их названий А, Т, G и С, – это тот самый алфавит, которым записан текст генома. Геном человека, например, – это цепочка из 3-х миллиардов 200-т миллионов букв.

Но того, что гены есть и что они работают, ещё недостаточно: они должны работать по-разному, обеспечивая те или иные специфические функции. Ведь клетки разных органов и тканей – скажем, кожи, печени, сердца и головного мозга, – разительно отличаются друг от друга. Между тем, ядро каждой из них содержит один и тот же набор генов. Всё дело – в активности генов: в одних клетках работают одни гены, в других – другие. Так что хромосомы являются носителями не только генов, но и тех белковых факторов, которые контролируют их функции. Этот набор генов вместе с регулирующими элементами и составляет ту структуру внутри клетки, которая обеспечивает все необходимые функции.

А теперь, вооружившись этими знаниями, давайте вернёмся к тем результатам, что были получены в ходе расшифровки генома шимпанзе. По вполне понятным причинам, наибольший интерес и у специалистов, и у широкой общественности вызывает каталог тех отличий в генетических кодах шимпанзе и человека, которые накопились за минувшие 6 с лишним миллионов лет, с тех пор, как эволюционные пути двух видов, имевших общего предка, разошлись. Сванте Пябо (Svante Pääbo), сотрудник Института эволюционной антропологии имени Макса Планка в Лейпциге и один из участников проекта, оценивает полученную базу данных так:

Она представляет собой чрезвычайно полезный инструмент, который поможет нам в поиске ответа на вопрос, какими генетическими мутациями объясняется разительное отличие человека как биологического вида от всех прочих видов животных. Одно из направлений этого поиска сводится к тому, чтобы попытаться выявить взаимосвязь между генетическими различиями и активностью тех или иных генов.

Прежде всего, следует отметить, что полученные данные удивили специалистов. Главная неожиданность заключается в том, что геном шимпанзе, как оказалось, совпадает с геномом человека на 98,8 процента. Грубо говоря, генетическое сходство между человеком и шимпанзе в 10 раз больше, чем между мышью и крысой. Дилетантов, скорее всего, поразит столь большое сходство, эта почти полная идентичность геномов, однако учёных удивило как раз обратное: то, что отличие оказалось всё же довольно значительным. Тем более, что эта цифра – совпадение на 98,8 процента – не в полной мере отражает положение дел. Она получается при сравнении отдельных букв генетического кода в кодирующей ДНК. Здесь учёные насчитали 35 миллионов расхождений, что и составило 1,2 процента от всего генома шимпанзе, который насчитывает около 3-х миллиардов 100 миллионов нуклеотидных пар. Но это далеко не всё: существенные различия были обнаружены и в распределении тех последовательностей нуклеотидных оснований, которые образуют некодирующую, «эгоистическую» ДНК. Эти несовпадения составили ещё 2,7 процента от всего генома, что дало в сумме уже почти 4 процента.

В общей сложности у шимпанзе не оказалось 53-х генов из тех, что имеются у человека. В частности, в геноме шимпанзе отсутствуют три гена, играющие ключевую роль в развитии воспалений, которые, как известно, являются причиной многих заболеваний человека. С другой стороны, человек, похоже, утратил в процессе эволюции ген, который предохраняет животных от болезни Альцгеймера.

Наиболее значительные отличия касаются генов, регулирующих иммунную систему. По мнению профессора Эвана Эйклера (Evan Eichler), сотрудника Высшей медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле, это свидетельствует о том, что в процессе эволюционного развития шимпанзе и человеку пришлось противостоять разным патогенам и бороться с разными болезнями. Сванте Пябо (Svante Pääbo) поясняет:

Прежде всего, мы задались вопросом, какие сегменты ДНК могут внести ясность в историю происхождения ряда болезней. Мы знаем, что некоторые генетические структуры, вызывающие то или иное заболевание, встречаются и у шимпанзе, и у человека. Видимо, эти структуры унаследованы обоими видами от их общего предка. Однако есть болезни, генетическая предрасположенность к которым возникла в процессе эволюции только у человека. В этих случаях сравнительный анализ ДНК даст нам ценную информацию о генетической природе таких заболеваний и о восприимчивости к ним человека как биологического вида.

Анализируя собранные данные, учёные произвели своего рода компьютерное наложение карты генома шимпанзе на карту генома человека, что позволило им выделить три категории так называемых ДНК-дупликаций – тех, что имеются в геноме человека, но отсутствуют в геноме шимпанзе, тех, что имеются в геноме шимпанзе, но отсутствуют в геноме человека, и тех, что имеются в геноме обоих видов. ДНК-дупликация – это одна из форм мутации, при которой участок хромосомы удваивается. В данном случае учитывались сегменты ДНК длиной не менее 20-ти тысяч нуклеотидных пар. Оказалось, что примерно треть ДНК-дупликаций, обнаруженных у человека, отсутствуют у шимпанзе. По словам Эйклера, эта цифра изрядно удивила генетиков, поскольку она свидетельствует об очень высокой частоте мутаций за короткий – по эволюционным меркам – промежуток времени. В то же время анализ ДНК-дупликаций, присущих только геному шимпанзе, показал, что хотя количество мест, где они встречаются, относительно невелико, зато количество копий дуплицированных сегментов намного превышает этот показатель у человека. Да и в тех случаях, когда ДНК-дупликация имеет место и у шимпанзе, и у человека, у шимпанзе она обычно представлена большим количеством копий. В частности, учёные обнаружили сегмент, который в геноме человека встречается 4 раза, а в геноме шимпанзе – 400 раз. Интересно то, что этот участок расположен вблизи того региона, который у шимпанзе и других больших обезьян разделён на 2 хромосомы, а у человека слит в одну – хромосому №2.

Впрочем, разительные отличия между обезьяной и человеком объясняются не столько разночтениями генетического кода, сколько различной активностью генов, – подчёркивает Сванте Пябо. Руководимая им группа исследователей изучила и сравнила активность 21 тысячи генов в клетках сердца, печени, почек, яичек и головного мозга обоих приматов. Оказалось, что полного совпадения активности генов нет ни в одном из этих органов, но различия распределены крайне неравномерно. Как это ни удивительно, наименьшие отличия учёные зарегистрировали в клетках головного мозга – они составили всего несколько процентов. А наибольшие отличия были обнаружены в яичках: здесь каждый третий ген обладает другой активностью. Впрочем, это вполне объяснимо, если иметь в виду, что шимпанзе не образуют моногамных семей, а живут группами, своего рода коммунами, насчитывающими 25-30 особей обоего пола. То есть «беспорядочные половые связи» у шимпанзе распространены значительно шире, чем у людей. Чтобы повысить свои шансы на продолжение рода в условиях промискуитета, самцы шимпанзе должны производить огромное количество спермы. Не случайно яички у них в десять раз крупнее, чем у мужчин «гомо сапиенс». Но дело, конечно, не только в размерах, – говорит Сванте Пябо:

Полученные нами данные свидетельствуют об очень высокой активности тех генов на Y-хромосоме, которые непосредственно отвечают за производство спермы.

И тому факту, что человек физически гораздо слабее шимпанзе, учёные нашли генетическое объяснение: у обезьян мускулатура работает в 5-7 раз эффективнее потому, что у всех представителей рода человеческого ген MYH16, кодирующий «миозин» – белок мышечных волокон – представлен мутированной копией.

Однако если сконцентрироваться на вопросе, в чём всё-таки состоит главное генетическое отличие человека как биологического вида от обезьяны и чем объясняется столь успешная экспансия человека в ходе эволюции, то ответ, видимо, следует искать в выделенных учёными 6-ти участках генома. В геноме человека эти участки, содержащие в общей сложности несколько сотен генов, столь стабильны, что практически идентичны у всех людей; в геноме шимпанзе они, напротив, часто содержат мутации. Видимо, считают учёные, эти участки играли чрезвычайно важную роль в процессе нашей эволюции. Примечательно, что на одном из этих участков расположен ген FOXP2 – один из 4-х генов, ответственных за развитие речи. Как показали эксперименты, в лабораторных условиях обезьяны способны усвоить довольно значительный набор знаков и символов; шимпанзе, живущие на воле, используют для коммуникации весьма богатый ассортимент звуков; однако они физически не в состоянии совершать губами и языком те движения, которые необходимы для артикулированной речи. Возможно, именно мутация гена FOXP2 и стала одним из ключевых факторов, определивших столь разную эволюционную судьбу разных видов приматов.

То и дело, в различных источниках, всплывает миф о том, что "свинья генетически ближе к человеку, чем шимпанзе", и это заблуждение весьма устойчиво.

Отчасти, по причине того, что внутренние органы свиньи весьма неплохо подходят для пересадки человеку. А еще Бернард Вербер подлил масла в огонь со своей гнигой "Отец наших отцов" (но там, надо понимать, фантастика чистой воды).

А вот что думают по этому поводу специалисты-генетики, насколько всё-таки свинья и человек близки генетически?

Владимир Александрович Трифонов: Цифры гомологий генома имеют довольно невысокую ценность, все сильно зависит от того, что мы с чем сравниваем: учитываем ли структурные изменения генома, учитываем ли повторенные последовательности или же речь идет только о заменах в кодирующих областях.

Как сравнительный цитогенетик, я могу сказать, что эволюция кариотипов свиных сопровождалась большим количеством перестроек - даже от общего предка со жвачными и китообразными свиных отделяет 11 разрывов и 9 инверсий, плюс еще в линии свиней после отделения пекариевых произошло 7 слияний и три инверсии. Когда мы строим молекулярные филогении на основе данных секвенирования, то свинья никогда не попадает в родственники человеку, таких данных можно привести множество и они гораздо точнее и надежней, чем общие оценки молекулярных различий. Отличий между геномами свиньи и человека сотни тысяч, поэтому для их оценки используются специальные программы, которые, основываясь на сходстве и различии множества признаков строят филогенетические деревья. Положение на филогенетическом древе как раз и отражает степень сходства или различия между видами.

У филогенетиков есть свои трудности и свои противоречия, но сегодня мало кто сомневается в некоторых базовых идеях. Вот, например, три современные статьи, где филогении строились разными группами (являющимися общепризнанными экспертами в данной области), основываясь на множестве признаков, взятых из последовательностей ДНК:

Conrad A. Matthee et al. Indel evolution of mammalian introns and the utility of non-coding nuclear markers in eutherian phylogenetics. Molecular Phylogenetics and Evolution 42 (2007) 827–837.

Olaf R. P. Bininda-Emonds et al. The delayed rise of present-day mammals. Nature, Vol 446|29 March 2007.

William J. Murphy et al. Using genomic data to unravel the root of the placental mammal phylogeny. Genome Res. 2007 17: 413-421.

Во всех опубликованных филогениях (см., рисунок ниже) свинья прочно занимает свое место среди парнокопытных, а человек "никуда не выскакивает" из отряда приматов, т.е. данные, полученные по анализу разных последовательностей ДНК, одинаково отвечают на этот вопрос, подтверждая в этом вопросе филогении, построенные по морфологическим признакам еще в 19 веке.

Из рисунка видно, что свинья отстоит от человека дальше, чем мышь, кролик и дикобраз. Источник: William J. Murphy et al. Using genomic data to unravel the root of the placental mammal phylogeny. Genome Res. 2007 17: 418.

Михаил Сергеевич Гельфанд: про точный % совпадений ДНК, честно говоря, сходу не скажу, да и не очень понятно, что бы это значило: в генах? в межгенных промежутках? большая часть генома свиньи с человеком просто не выравнивается (в отличие от шимпанзе), там про % совпадений говорить не имеет смысла. В любом случае, свинья от человека дальше, чем мышь. А вот кто близок к свиньям - так это киты (правда, они еще ближе к гиппопотамам).

Вопрос. Константин Задорожный, главный редактор журнала для учителей "Биология" (Украина): В электронной книге уважаемого С. В. Дробышевского "Достающее звено" указано, что вторая хромосома человека образовалась в результате слияния двух хромосом предкового вида, которые у шимпанзе остались неслитыми (эту информацию лично я встречал и ранее, но в популярных изданиях она практически не освещалась). Соответственно, вопрос к кому-нибудь из экспертов. На каком этапе эволюции человека (ранние гоминиды, австралопитеки, ранние хомо и т.д.) произошла эта хромосомная аберрация? Возможно ли это определить?

Ответ. Владимир Александрович Трифонов: с удовольствием отвечу на Ваш вопрос, поскольку слияние хромосом предка шимпанзе и человека (соответствующих хромосомам PTR12 и PTR13 шимпанзе) действительно является последним значительным событием, изменившим кариотип человека.

Начнем с предка человекообразных обезьян - данные сравнительной геномики свидетельствует, что эти два элемента кариотипа были акроцентрическими, и именно в таком неизменном виде они сохранились у орангутана.

Далее у общего предка человека, гориллы и шимпанзе происходит перицентрическая инверсия, превратившая один из этих элементов в субметацентрик (этот элемент соответствует хромосоме PTR13 шимпанзе и хромосоме GGO11 гориллы). Затем у общего предка человека и шимпанзе происходит другая перицентрическая инверсия (в гомологе хромосомы PTR12 шимпанзе), превратившая ее в субметацентрик.

И, наконец, последнее событие уже в линии Homo - слияние двух субметацентриков с образованием хромосомы человека HSA2. Это не робертсоновское слияние (центрическое), а тандемное, при этом центромера PTR12 сохраняет свою функцию, центромера PTR13 инактивируется, а в точке тандемного слияния обнаруживаются предковые теломерные сайты (Ijdo et al., 1991).

По времени образования хромосомы HSA2 человека можно только сказать, что фиксация этой перестройки произошла после расхождения линий человек - шимпанзе, т.е. не раньше, чем 6.3 миллиона лет назад.

Я не думаю, что у человекообразных обезьян повышена частота робертсоновских транслокаций. У них очень консервативные кариотипы, мало меняющиеся на протяжении миллионов лет, за это время в кариотипах видов других таксонов происходили десятки значительных преобразований. Есть данные из клинической цитогенетики, указывающие на частоту 0.1% в мейозе человека (Hamerton et al., 1975). Однако анализ геномов показывает, что такие перестройки не зафиксировались в линии человека.

Вопрос . Алексей (письмо в Редакцию): Возникают вопросы по ходу прочтения лекций по геномике для Физтеха. Не дано определение гену...

Ответ. Светлана Александровна Боринская: Определение гену легко было дать, когда о нем еще не очень много было известно. Например "ген - это единица рекомбинации", или "ген - это участок ДНК, кодирующий белок", "Один ген - один фермент (или белок)", "Один ген - один признак".

Теперь ясно, что дело обстоит сложнее и с рекомбинацией, и с кодированием. Гены имеют разную структуру, порой довольно сложную.Один ген может кодировать много разных белков. Один белок может кодироваться разными фрагментами ДНК, находящимися в геноме на большом расстоянии, продукты которых (РНК или полипептидные цепи) соединяются по мере созревания в один полипептид.

Кроме того, в состав гена входят регуляторные участки. И еще есть гены, не кодирующие белки, а кодирующие только молекулы РНК (кроме всем известных рибосомных РНК это молекулы РНК, входяющие в состав других молекулярных машин, открытые не так давно микроРНК и другие
типы РНК). Поэтому сейчас есть много определений того, что такое ген. Ген - это концепция, которую трудно уложить в одно краткое всеобъемлющее определение.

Ответ С.Б.: Геном - это и есть ДНК. Или полный комплект молекул ДНК организма (в отдельной клетке) = геном.

При этом мы не подразумеваем клетки, в которых в процессе развития происходят перестройки ДНК (такие как клетки иммунной системы у млекопитающих или клетки животных, у которых происходит "диминуция хроматина" - утрата значительной части ДНК в процессе развития).

Ответ С.Б.: Е.coli - самая изученная бактерия, но и для нее до сих пор не для всех генов известны функции. Хотя по нуклеотидной последовательности гена можно "вывести" аминокислотную последовательность белка. Для хорошо изученных бактерий примерно для половины генов известны функции кодируемых ими белков. Для части генов получены экспериментальные подтверждения функций, для части - предсказания делаются на основе сходства структуры белка с другими белками с известными функциями.

Вопрос. Алексей: Правильно ли я понимаю, что количество входящих в ген нуклеотидов для каждого гена различно? Какой-либо закономерности здесь нет.

Ответ С.Б.: Совершенно верно.

Вопрос. Алексей: Могут ли различные гены иметь абсолютно аналогичную последовательность нуклеотидов, но отличаться только местоположением?

Ответ С.Б.: Абсолютно идентичных генов, наверное, все же нет. Но расположенные в разных участках генома гены с очень близкой последовательностью нуклеотидов имеются. Только их называют не "аналогичными", а "гомологичными". Эти гены произошли в результате дупликации предкового гена. Со временем в них накапливаются замены нуклеотидов. И чем ближе к нам время дупликации, тем больше похожи гены. Дупликации генов встречаются у всех организмов - от бактерий до человека.

При этом разные гены у разных людей могут содержаться в разном количестве копий. Количество копий может влиять на активность соответствующих продуктов генов. Например, разное количество генов определенных цитохромов влияет на скорость метаболизма и выведения из организма лекарственных препаратов и, соответственно, рекомендуется применять разные дозы.

Вопрос. Алексей: Также хотелось бы услышать мнение специалистов касательно материалов, предоставляемых Гаряевым (имеется в виду т.н. теория "волнового генома"). Он утверждает что его опыты подтверждаются экспериментально в лабораториях. Так ли это. Что можете сказать на это?

Ответ С.Б.: Вы тоже можете утверждать все, что Вам вздумается. Но научный мир обратит внимание на Ваши утверждения только в том случае, если они будут опубликованы в рецензируемых научных журналах, да еще представлены с описанием деталей эксперимента, позволяющим его повторять.

Г-н Гаряев в научных журналах не публикует свои "открытия", только журналистам рассказывает. Никаких данных о проведенных им "опытах" нет, только его слова. Пусть хотя бы лабораторный журнал покажет с подробной записью условий и результатов экспериментов.

Ученым удалось полностью расшифровать геном ближайших биологических родственников человека - шимпанзе.

Геном шимпанзе насчитывает 2,8 миллиардов оснований ДНК ("букв" генетического кода), и чрезвычайно похож на геном человека. Ученые насчитали в среднем лишь по две мутации, связанных с изменениями белков, на каждый ген, а 29% генов у человека и шимпанзе абсолютно идентичны.

Лишь несколько генов, имеющихся у человека, полностью или частично подавлены у шимпанзе.

Однако сходство или различие в геном е видов - далеко не главное. Например, геном ы двух видов мышей - Mus musculus и Mus spretus - различаются между собой примерно в той же степени, что у человека и шимпанзе, однако указанные два вида мышей еще более сходны между собой.

А внешние различия между домашними собаками, как известно, могут быть колоссальны, однако их геном в среднем сходен на 99,85%. Так что в эволюционном смысл е большинство различий между шимпанзе и людьми не приносят видам ни преимуществ, ни недостатков, поясняют ученые.

Поэтому главный вызов для ученых - отыскать именно те генетические изменения, которые привели к ныне наблюдаемым различиям у двух видов после их разделения 5-8 миллионов лет назад. Пока никаких явных улик найти не удалось, хотя и опознаны некоторые кандидаты.

Ученые, в частности, сравнили 13454 гена в поисках признаков быстрой эволюции. Между собой сравнивалось количество мутаций, изменяющих одну "букву", и количество "молчащих" мутаций, не оказывающих никакого эффекта вовсе. Таковые возможны, поскольку большинство аминокислот кодируются более чем тремя буквами ДНК.

Сравнение двух типов ДНК позволило специалистам выявить гены, изменения которых связаны с естественным отбором, с учетом среднего количества мутаций. 585 генов, изученных в ходе этого исследования, - многие из которых связаны с иммунными и репродуктивными системами, - имели больше белковых мутаций, чем "молчащие" гены. Их и будут исследовать в надежде найти ключ к различиям шимпанзе и человека.

Шимпанзе "расскажут" о людях

Последовательность геном а шимпанзе, которая состоит из 2,8 миллиардов пар оснований, не только расскажет многое о шимпанзе, но и о нас - людях, считают исследователи. Собственно, сопоставление геном ов и есть главная цель этого исследования, которое "расшифровкой шимпанзе" далеко не заканчивается.

Саймон Фишер из Оксфордского уточнил, что "самой трудной задачей на будущее является выявление тех крошечных различий, благодаря которым сформировались уникальные человеческие черты, такие, как язык человека".

Предварительные результаты исследований показали, что мозг человека отличается своим большим объемом и сложным устройством главным образом благодаря тому, что существующие в человеческом организме гены вырабатывают протеин именно тогда, когда мозг человека увеличивается в объеме, в период внутриутробного развития человеческого зародыша и в младенчестве.

Гены считывания генетической информации – молекулы, которые регулируют активность других генов и играют важнейшую роль в развитии эмбриона – также более развиты в организме человека, по сравнению с шимпанзе.

У шимпанзе нет трех важных генов, которые связаны с развитием воспалительного процесса при реакции человеческого организма на болезнь, и этим можно объяснить разницу, существующую между иммунными системами человека и шимпанзе, поясняют ученые. С другой стороны, люди утратили ген энзима, который может защитить от болезни Альцгеймера.

Пока ученые уверены, что самая большая разница между генами человека и шимпанзе находится в хромосоме, определяющей сексуальное поведение самцов. В этой хромосоме некоторые гены у шимпанзе за 6 млн лет подверглись мутации и утратили свою активность, в то время как у человека в этой хромосоме сохранились 27 активных видов генов. Вероятно, в организме человека существует механизм "восстановления" утрачивающих активность таких генов, чего нет у шимпанзе.

ДНК шимпанзе и человека идентичны на 96% Клив Куксон
Первое детальное сравнение генов человека и шимпанзе показало, что цепочка ДНК у них идентична на 96%. Но есть и существенные различия, особенно в генах, отвечающих за сексуальное поведение, развитие мозга, иммунитет и обоняние.
В четверг в журнале Nature международный научный консорциум опубликовал результаты исследования геном а шимпанзе – животного, которое имеет наибольшее сходство с homo sapiens. Шимпанзе стал четвертым млекопитающим, геном которого полностью расшифровали ученые, после геном а мыши, крысы и человека.

Часть научного анализа трех миллионов химических символов генетического кода шимпанзе посвящена его удивительному сходству с геном ом человека. Спустя 6 млн лет независимой эволюции разница между шимпанзе и человеком в 10 раз больше, чем разница между двумя людьми, не находящимися в родстве, и в 10 раз меньше, чем различия, существующие между крысами и мышами.

Но большинство ученых сосредоточивают внимание на различиях между генами шимпанзе и человека. Саймон Фишер из Оксфордского университета говорит о том, что "самой трудной задачей на будущее является выявление тех крошечных различий, благодаря которым сформировались уникальные человеческие черты, такие, как язык человека".

Предварительные результаты исследований показали, что мозг человека отличается своим большим объемом и сложным устройством главным образом благодаря тому, что существующие в человеческом организме гены вырабатывают протеин именно тогда, когда мозг человека увеличивается в объеме, в период внутриутробного развития человеческого зародыша и в младенчестве. Гены считывания генетической информации – молекулы, которые регулируют активность других генов и играют важнейшую роль в развитии эмбриона – также более развиты в организме человека, по сравнению с шимпанзе.

У шимпанзе нет трех важных генов, которые связаны с развитием воспалительного процесса при реакции человеческого организма на болезнь, и этим можно объяснить разницу, существующую между иммунными системами человека и шимпанзе. С другой стороны, люди утратили ген энзима, который может защитить от болезни Альцгеймера.

Самая большая разница между генами человека и шимпанзе находится в хромосоме, определяющей сексуальное поведение самцов. В этой хромосоме некоторые гены у шимпанзе за 6 млн лет подверглись мутации и утратили свою активность, в то время как у человека в этой хромосоме сохранились 27 активных видов генов. Вероятно, в организме человека существует механизм "восстановления" утрачивающих активность таких генов, чего нет у шимпанзе.

Дэвид Пейдж из Института биомедицинских исследований в Уайтхеде предполагает, что такую разницу можно объяснить особенностями сексуального поведения людей и шимпанзе. У приматов есть множество сексуальных партнеров, поэтому в развитии генов большее значение имеют гены, связанные с производством спермы, в то время как у людей, в большинстве своем придерживающихся моногамии, идет развитие и ряда других генов.