Луис Кинтана-Мурси – Люди. По следам наших миграций, приспособлений и поисков компромиссов (страница 28)

Применив этот новый метод к более чем 3000 полных геномов британцев, исследователи идентифицировали целый ряд вариантов, которые очевидно продолжали оставаться полезными на протяжении последних двух тысячелетий. В числе ярких примеров мы находим аллель, связанный с устойчивостью лактазы – значит, благотворное воздействие этого варианта гена сохранялось и в совсем недавнее время. Метод SDS выявил также сильные сигналы положительного отбора в области генома, где находятся человеческие лейкоцитарные антигены (или HLA, то есть Human Leukocyte Antigens, которые представляют собой, как мы видели, главный комплекс гистосовместимости у людей, задействованный в иммунном ответе). Еще один пример – сохранение генов, участвующих в пигментации, благоприятствующих светлым волосам и голубым глазам, – вероятно, вследствие полового отбора.

Также в ходе этого исследования были идентифицированы отдельные случаи полигенного отбора, «активного» до сравнительно недавнего времени. Например, некоторые гены благоприятствуют увеличению роста, окружности головы младенца и его веса при рождении или же ускорению полового созревания у женщин, тогда как другие способствуют снижению уровня гликированного гемоглобина или индекса массы тела исключительно у мужчин. Тем не менее, зная о потенциальной погрешности с учетом стратификации популяции – как мы уже видели в случае с ростом, пусть и в пределах Великобритании, – мы должны относиться к этим результатам с осторожностью. За исключением этой методологической погрешности, данное исследование представляет интерес тем, что предлагает возможность распознать явления генетической адаптации, формировавшей фенотипическое разнообразие человеческих популяций в обозримом прошлом.

Стабилизирующий отбор: благотворное влияние разнообразия

И наконец, рассмотрим еще один тип естественного отбора – стабилизирующий отбор, который поддерживает разнообразие в пределах одной популяции или одного вида благодаря самым разным механизмам. Одним из них является преимущество гетерозигот: из него следует преимущество гетерозиготных индивидов, то есть людей, обладающих двумя[91] разновидностями одного и того же гена, – по сравнению с гомозиготными индивидами, имеющими две идентичные копии одного и того же гена. Стабилизирующий отбор может также проявляться в форме частотно-зависимого отбора, когда селективная ценность (fitness) фенотипа зависит от его распространенности по сравнению с другими фенотипами в популяции. Например, индивид, обладающий редким фенотипом, будет иметь более значимую селективную ценность именно благодаря его редкости: в таких случаях говорят об отрицательном частотно-зависимом отборе.

В отличие от других форм отбора стабилизирующий отбор может поддерживать функциональное разнообразие долгое время, даже миллионы лет, если критерии отбора остаются неизменными и достаточно устойчивы, чтобы мутации не были утрачены из-за дрейфа генов. В отдельных случаях такие «сбалансированные» мутации могут даже сохраняться после видообразования (появления новых видов), приводя к полиморфизму, называемому трансвидовым.

Восприимчивость к горькому вкусу в течение долгого времени рассматривалась как пример древнего стабилизирующего отбора. Повышенная чувствительность к горечи обеспечивала животных – в том числе и человека – важным инструментом взаимодействия с окружающей средой, позволяя им обнаруживать в пище ядовитые компоненты. В 1931 году химик Артур Фокс заметил, что некоторые люди реагируют на фенилтиокарбамид (PTC) – органический компонент, который присутствует во многих растениях, в том числе в брокколи, брюссельской капусте или в перце: этим людям он казался очень горьким, но остальная часть популяции не чувствовала его вкуса. Генетические основы способности к выявлению в пище горького вкуса были идентифицированы 73 года спустя, когда исследователи обнаружили, что три несинонимические замены в гене TAS2R38 отличают фенотип «дегустатора», или пробующего, от фенотипа «недегустатора».

Способность ощущать вкус фенилтиокарбамида – это доминантный генетический признак, классический пример доминантного гена у человека. Распределения фенотипов «дегустатора» и «недегустатора» наблюдаются со средней частотой в большинстве популяций, что в целом соответствует сценарию стабилизирующего отбора, который отдает предпочтение гетерозиготам и большему разнообразию. Тем не менее, можно отметить определенный разброс между несколькими популяциями: фенотип «дегустатора» меняется по частоте от около 75 % на юго-востоке Азии и в Тихоокеанском регионе до около 50 % в Европе и достигает почти 100 % в популяциях индейцев.

В 1939 году Роналд Фишер установил, что у шимпанзе, так же как и у людей, присутствуют одновременно фенотипы «дегустатора» и «недегустатора», с приблизительно той же частотностью. Он объяснил это древним полиморфизмом, который появился еще до разделения ветвей человека и шимпанзе и поддерживался благодаря стабилизирующему отбору в течение последних пяти или шести миллионов лет. В 2005 году был опубликован геном шимпанзе, благодаря чему появилась возможность идентификации генетических вариантов. Год спустя Стивен Вудинг и Майкл Бамшед, в то время работавшие в университете Юты, пересмотрели этот классический случай общего сбалансированного отбора. Секвенировав ген TAS2R38 у 86 шимпанзе и сравнив его с человеческой версией, они сделали неожиданное открытие: объяснение Фишера было неверным. У шимпанзе, в отличие от человека, фенотип «недегустатора» отличается от фенотипа «дегустатора» единичным изменением, не соответствующим ни одному из тех, которые мы видим у человека. Это может означать, что, вопреки предположению Фишера, восприимчивость к горькому вкусу развилась независимо как минимум дважды в ходе эволюции гомининов. А значит, речь идет скорее о конвергентной эволюции, чем о древнем явлении стабилизирующего отбора, общего для двух видов.

В других случаях стабилизирующий отбор внутри вида происходит вследствие воздействия специфической окружающей среды. Прекрасным примером современного стабилизирующего отбора, известным с 1950-х годов, является мутация (HbS) в гене, кодирующем гемоглобин. Это один из самых поразительных случаев естественного отбора, поддерживающего высокую частотность вредоносной мутации в популяции людей по причине защитного действия, которое эта мутация оказывает (увеличивая защиту почти в 10 раз в гетерозиготном состоянии) против малярии, вызванной паразитом Plasmodium falciparum. Но у гомозиготных носителей двух экземпляров HbS развивается дрепаноцитоз – форма анемии, часто смертельная и обусловленная изменением формы красных кровяных телец.

Стабилизирующий отбор, который долгое время считался редким явлением у человека, по результатам недавних полногеномных исследований, оказался гораздо более распространен, чем думали раньше. По всей вероятности, этот механизм отбора влиял на значительное количество генов – в частности, связанных с иммунитетом и отношениями патогенов с клеткой-хозяином. А между тем не менее весомым, чем способ пропитания или жизнь в экстремальных условиях холода или гипоксии, фактором естественного отбора была чувствительность человека к патогенам – может быть, она даже стала самым значимым фактором в нашей эволюции. След воздействия отбора, оставленный возбудителями инфекций на наших геномах, настолько важен, что до сих пор я сознательно избегал о нем говорить, чтобы посвятить отдельную главу этому вопросу, играющему первостепенную роль в эволюционной биологии, иммунологии человека и медицинской геномике.

Часть IV

Люди и микробы

Генетическая адаптация состоит не только в том, чтобы соответствовать суровым условиям окружающей среды – таким, как климат или большая высота. Как и всех живых существ, нас преследовали хищники, и борьба с ними повлияла на то, какие мы есть сейчас. И точно так же, как и всех живых существ, нас поражали патогены, вызывающие инфекционные заболевания, и они продолжают преследовать нас: нам пришлось считаться с ними, и геном человека хранит следы этого взаимодействия. Мы сосредоточим наше внимание главным образом на микробах и наших с ними опасных взаимоотношениях. Нам уже известно, что иммунная защита, которой мы располагаем на сегодняшний день, неотделима от эволюционной истории: именно в процессе эволюции были изобретены механизмы, полученные нами по наследству – как, например, гены тех, кто в ходе этой истории выжил после больших эпидемий прошлого – чумы, туберкулеза или холеры. И снова геномика, благодаря точности своих методов, позволяет пролить свет на данный вопрос. Мы расскажем об этом здесь.

Алиса и Черная Королева: гонка вооружений

«Ну, а здесь, знаешь ли, приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте! Если же хочешь попасть в другое место, тогда нужно бежать по меньшей мере вдвое быстрее!»[92] – говорит Черная Королева Алисе в одном из эпизодов книги Льюиса Кэрролла «Алиса в Зазеркалье» – второй части «Алисы в Стране чудес», – перед тем как они обе пустились бежать во весь дух. Эта метафора была использована, чтобы символически описать «гонку вооружений» между видами – иначе говоря, необходимость непрерывно эволюционировать, сталкиваясь с соперниками и с изменениями окружающей среды. Такое соревнование приводит соперничающие виды к постоянной эскалации адаптаций и контрадаптаций. Именно эту вечную гонку между человеком и патогенами и описывает «принцип Черной Королевы», выдвинутый Ли Ван Валеном[93] в 1973 году.