Люди мутируют из-за одомашненных геномных паразитов

Когда ученые расшифровали геномы человека и других видов приматов, то более всего поразило их сходство на генетическом уровне. Геном человека совпадает с геномом шимпанзе, например, на более чем 98%. В то же время между нами и нашими ближайшими родственниками есть принципиальные различия: человека характеризуют прежде всего способность к прямохождению, строение кисти руки, большой головной мозг и членораздельная речь.

Это значит, что эволюции не понадобилось создавать новые гены для появления человека. Достаточно было изменить работу уже имеющихся. «У человека как вида нет ни одного нового гена по сравнению с шимпанзе, — объясняет корреспонденту Infox.ru доктор биологических наук Юрий Лебедев, заведующий лабораторией сравнительной функциональной геномики Института биоорганической химии им. Шемякина и Овчинникова РАН. — Не обязательно нужны новые гены, чтобы перейти к прямохождению, изменить строение кисти, наконец, чтобы развился человеческий мозг и даже для того, чтобы возникла речь. Это все достигается на уровне регуляции».

Важнейший вопрос, который встает перед учеными дальше, – какими механизмами достигается регуляция работы генов. Сотрудники ИБХ РАН и их коллеги из других институтов выдвинули гипотезу, что важнейшим средством генной регуляции служат так называемые ретроэлементы. Это последовательности нуклеитидов, которые копируют сами себя и перемещаются по геному, встраивая свои копии в новые участки.

Почему они «ретро»

Ретроэлементы именуются так оттого, что при копировании используют механизм так называемой обратной транскрипции. Обычно экспрессия любого гена начинается с синтеза молекулы РНК на матрице ДНК (прямая транскрипция), но в данном случае происходит наоборот.

Картина в общих чертах выглядит так. Сначала, как положено, в ядре клетки с ДНК ретроэлемента синтезируется РНК – для этого он использует фермент-полимеразу хозяйского генома (так экономнее, можно не заводить своей). РНК выходит в цитоплазму, и там на рибосоме с РНК синтезируются белки — транспортер р40 и фермент-ревертаза. У них важная роль в дальнейших событиях. Белок-транспортер переносит РНК обратно в ядро и перемещает ее вдоль цепи ДНК хозяйского генома. А ревертаза разрывает в каком-то месте двойную цепь ДНК и синтезирует ДНК ретроэлемента на матрице РНК. Происходит обратная транскрипция. Копия ретроэлемента встраивается в ДНК хозяйского генома.

Прирученные паразиты

Ретроэлементы действуют как вирусы, которые умеют встраиваться в геном хозяина, но вирусы эндогенные, внутренние. Они не выходят из данной клетки и не заражают другие. Это вирусы, потерявшие свою инфекционность.

«Это внутригеномные паразиты, нахлебники, — говорит Юрий Лебедев. – Но паразиты прирученные, одомашненные. Приматы уникальны в животном царстве тем, что научились захватывать этих геномных паразитов и использовать их в своих целях». По гипотезе ученых, именно ретроэлементы сыграли решающую роль в эволюции приматов и появлении специфических человеческих признаков.

Встраивание копий ретроэлемента в геном не проходит бесследно – они изменяют работу генов, находящихся по соседству. «Ретроэлемент можно сравнить с реостатом, — объясняет Юрий Лебедев. – Он усиливает работу гена или снижает ее вплоть до полного выключения».

Как возникла речь

Ярким примером служит появление у человека способности к членораздельной речи. Не так давно ученые открыли группу генов, которые отвечают за эту способность. А она целиком зависит от строения верхних дыхательных путей, гортани и голосовых связок. Эксперименты продемонстрировали, что человекообразных обезьян можно научить языку – жестовому или символьному, но из-за анатомических причин членораздельной речью они обладать не могут. Оказалось, что один из таких генов fox в ходе эволюции приматов приобрел в своей регуляторной части ретроэлементы, так называемые Alu-повторы. Они изменили работу гена, а именно ген изменил место и время своей экспрессии в процессе закладки в эмбрионе разных органов. В результате у человека кардинально изменилась гортань, опустились голосовые связки, появилось дыхательное горло. Все это привело к тому, что человек на выдохе может напрягать голосовые связки и произносить фонемы.

Двигатели эволюции

«Мы считаем, что помимо внешних факторов — изменения климата, географическая изоляция и так далее — у эволюции есть внутренние движущие силы, — говорит Юрий Лебедев. – И ретроэлементы – одна из таких движущих сил. Эволюция специально держит этих внутригеномных паразитов в узде, чтобы они не очень-то хулиганили и не слишком размножались. Это уже не волки, это собаки, они одомашненные и помогают человеку «вести хозяйство». Иногда, попадая куда нужно в половых клетках, они приводят к изменениям. Если это полезное изменение, оно подхватывается естественным отбором и закрепляется».

Так что эволюция генома приматов, в том числе эволюция генома человека, – это коэволюция собственно генома наших предков и заражавших их ретровирусов, считают ученые.

Ретроатаки на нашем эволюционном древе

Теперь исследователи активно ищут в геноме человека и шимпанзе не разные гены, а те, что отличаются по экспрессии. Таких найдено около 4 тыс. Юрий Лебедев и его коллеги разработали метод, позволяющий сравнивать участки генома человека и шимпанзе на предмет выявления ретроэлементов. Они выявили уже около 2 тыс. человеческих ретроэлементов, изменяющих экспрессию генов в разных тканях. Например, нашли все специфичные для человека так называемые длинные концевые повторы (LTR), определили места их вставки и гены, оказавшиеся рядом. Изучили роль наиболее молодых, специфичных для человека ретроэлементов, так называемых Alu-повторов. «Мы нашли, что, если в одной аллели гена появился Alu-повтор, — объясняет Юрий Лебедев, — этот аллель экспрессируется хуже, а иногда и полностью выключается. Но только в определенном типе клеток, в определенной ткани. Мы пытаемся понять, почему так происходит».

Есть методы, позволяющие определить возраст того или иного фрагмента в геноме, в том числе и ретроэлемента. Так что ученые смогли приблизительно оценить время появления тех или иных ретроэлементов в геноме человека. И выяснили любопытную вещь: максимальное внедрение «генных паразитов» происходило на основных развилках эволюции приматов. Например, в тот момент, когда ветвь человекообразных обезьян отделилась от узконосых обезьян (приблизительно 18 млн лет назад), и в тот момент, когда линия человека разделилась с линией шимпанзе (около 5,5 млн лет назад). Эти этапы сопровождались взрывным появлением ретроэлементов.

Генный паспорт на ретроэлементах

Ученые изучают и внутривидовой полиморфизм – разнообразие ретроэлементов в геномах разных людей. «Места вставки ретроэлементов могут служить молекулярно-генетическим маркером, который можно использовать для создания генного паспорта человека, — объясняет Infox.ru научный сотрудник лаборатории кандидат биологических наук Ильгар Мамедов. – В качестве такого маркера ретроэлементы имеют преимущества перед другими, так как их легко анализировать». Ученые нашли более сотни ретроэлементов, которые полиморфны в человеческих популяциях.

Они создали в интернете общедоступную базу данных о 2,5 тыс. ретроэлементов. Эту базу любой может использовать в своих исследованиях, она позволяет находить все ретроэлементы, расположенные рядом с каким-либо геном.

Инструмент для предсказания болезней и развития

Изучение ретроэлементов важно и для пополнения наших знаний о наследственных заболеваниях, так как многие заболевания вызваны изменением работы гена именно по этой причине. Ученые анализируют тканевую специфичность ретроэлементов у больных и здоровых, исследуя таким способом их связь с проявлениями болезни.

Ретроэлементы могут указать нам и на то, куда пойдет эволюция человека в будущем. Для этого надо проанализировать, в каких генах появились самые молодые ретроэлементы и как они меняют активность этих генов. Возможно, благодаря им мы в будущем станем более устойчивыми к загрязнению окружающей среды, а возможно, к инфекционным заболеваниям.