Рах участвуют в формировании глаз, ушей, спинного мозга и внутренних органов. Таких генов девять. Ген Рахб задействован в развитии глаз, Рах4 — в развитии поджелудочной железы. У эмбрионов, не имеющих этих генов, нет и соответствующих органов. Общим “дедушкой” этих генов был единственный ген Рах, который удвоился, и его новые копии приобрели новые функции в разных тканях и органах.
Теперь мы знаем, что гены в геноме образуют семейства, состоящие из множества копий с очень похожими последовательностями. Семейство может содержать несколько генов или тысячи генов, и каждый ген имеет свою специфическую функцию. Все это говорит о мощных процессах, происходящих в ходе эволюции.
Как заметил Оно, копии порой открывают путь инновационным изменениям. Мой коллега из Чикаго Маньюан Лонг на примере дрозофил пытался выяснить, как у разных видов появляются новые гены. Лонг проанализировал геномные последовательности разных видов дрозофил. Он нашел более 500 новых генов, различающихся у разных видов, что составляет около 4 % генома. Некоторые возникают в результате пока непонятных нам процессов, но большинство новых генов – результат удвоения ранее существовавших вариантов. Зачем изобретать с нуля, если можно копировать?
Удвоение генов может даже повлиять на формирование человека.
Крупный мозг
Отличительная особенность человека – более крупный мозг по сравнению с нашими родственниками приматами. Очевидно, что знание генетических основ происхождения мозга помогает понять, как возникли мышление, речь и многие другие уникальные способности людей. Если судить по окаменелостям, объем нашего головного мозга увеличился почти в три раза по сравнению с мозгом наших родственников австралопитеков, живших три миллиона лет назад. Причем расширялись специфические участки, главным образом так называемая кора переднего мозга, ответственная за мышление, планирование и обучение.
Палеонтологические данные показывают, что увеличение объема мозга было сопряжено с другими изменениями, в частности с очередным усложнением орудий, которые мастерили и использовали наши предки. Теперь на сцену выходят геномные технологии, позволяющие начать новые исследования, направленные на поиски тех генов, которые делают нас людьми.
Один подход заключается в сравнении геномов человека и шимпанзе. В результате такого сравнения вы получаете список генов, которые есть у человека, но отсутствуют у шимпанзе. Это существенная информация, однако она никак не поможет установить, какие именно гены сыграли важную роль в возникновении человеческого мозга. Различия могут быть связаны с любыми признаками, не совпадающими у человека и других приматов, а могут и не иметь к ним никакого отношения.
Один из вариантов такого поиска, возможно, напоминает научную фантастику: мозг можно вырастить на чашке. Есть даже соответствующее слово – “органоид”. Идея заключается в следующем: нужно взять клетки головного мозга развивающегося животного, поместить их на чашку и смотреть, при каких условиях формируются структуры мозга. Гораздо проще изучать ткани на чашке, чем внутри зародыша, особенно у млекопитающих, у которых основная часть событий происходит внутри матки.
Группа исследователей из Калифорнии сравнила органоиды мозга людей и макак-резусов и составила список различий. На чашке специфические отделы человеческой коры формировались только в человеческом органоиде, но не в органоиде обезьяны. Исследователи посмотрели, какие гены были активированы при формировании этой ткани. Один ген был активен во всех человеческих клетках, но отсутствовал в ткани обезьян. Ген носит труднопроизносимое название NOTCH2NL, но имеет непосредственное отношение к нашему рассказу.
В то же самое время в шести тысячах миль от Калифорнии, в Голландии, исследователи из одной лаборатории получили редкую возможность поработать с тканями мозга человеческих зародышей, извлеченных при выкидышах и абортах, выполненных по медицинским показаниям. Уникальность этих тканей заключалась в том, что они принадлежали зародышам на стадии формирования головного мозга. Исследователи проанализировали активные гены головного мозга и обнаружили несколько генов, которые могли бы участвовать в его развитии: они включались в правильный момент и активно участвовали в синтезе белка. Одним из них был идентифицированный на чашках ген NOTCH2NL. Эта история еще сильнее стала походить на научную фантастику, когда голландские ученые взяли человеческий ген NOTCH2NL и встроили его в геном мыши. Они создали гибрид человека и мыши. В результате получилась мышь со значительно увеличившимся количеством клеток коры – скорее как у человека, чем как у мыши.
Далее калифорнийская группа сравнила геномы людей, неандертальцев и приматов. И обнаружила, что ген NOTCH2NL является одним из трех работающих в человеческом мозге генов, похожих на ген NOTCH, который есть у всех животных от мух до приматов и который участвует в развитии многих органов. Как возникли эти три гена человеческого мозга? В результате дупликации исходного гена NOTCH у нашего предшественника примата. А образовавшиеся при дупликации копии приобрели новые функции.
Удвоение генов помогает объяснить не только прошлое, но и настоящее. В геноме человека три копии гена NOTCH располагаются непосредственно одна за другой. Из-за такой структуры этот участок нестабилен и может распадаться при копировании генов в процессе клеточного деления. В таких неустойчивых участках могут возникать повреждения хромосом. И эти изменения влияют на функционирование генов и мозга. При делении клеток участок может удваиваться или удаляться. Люди с удвоенным участком имеют более крупный мозг, люди с делециями участка – мозг меньшего размера. У некоторых людей с подобными генетическими изменениями мозг функционирует нормально, но у большинства проявляются симптомы шизофрении и аутизма.
Понятно, что NOTCH2NL — не единственный ген, ответственный за формирование крупного мозга. Как показывают исследования, наш геном переполнен повторами, семействами генов и копиями разных других типов, и эти копии могут быть основой для изобретений и изменений.
Обезумевшие копии
У Роя Бриттена любовь к науке была вписана в ДНК. Он родился в 1912 году, под влиянием родителей прикоснулся к разным научным дисциплинам, выбрал физику и во время Второй мировой войны получил работу в рамках Манхэттенского проекта. Но его пацифизм рос с каждым годом, и он стал искать другое занятие. Наконец он нашел место в геофизической лаборатории в Вашингтоне. После открытия структуры ДНК в 1953 году Бриттен, постоянно находившийся в поиске новых интеллектуальных задач, прослушал краткий курс о вирусах в лаборатории в Колд-Спринг-Харборе в Нью-Йорке. Вооружившись этими знаниями и выбрав ДНК как новое поле деятельности, он принялся анализировать ее структуру.
Бриттена интересовало, сколько в геноме генов и как они организованы. Это было еще до того, как стало возможным секвенировать геномы, и структура генома в целом оставалась загадкой. Не имея секвенатора, Бриттен, как до него Оно, вынужден был придумывать изощренные эксперименты.
Идя по стопам Оно, Бриттен предположил, что геном состоит из повторяющихся частей, и разработал хитроумный метод для приблизительной оценки количества копий в геноме. Он выделял ДНК из клеток, нагревал ее и разделял нить ДНК на тысячи фрагментов. Изменяя условия, он позволял фрагментам вновь собираться в единую последовательность. Бриттен хотел посмотреть, насколько быстро разные части образуют новую последовательность. Он предположил, что скорость сборки ДНК позволит понять количество повторяющихся элементов в геноме. На каком основании? На основании химического строения молекулы ДНК: сборка по принципу “подобное тянется к подобному” происходит быстрее. Геном, состоящий из повторяющихся и похожих друг на друга частей, должен складываться быстрее, чем геном, состоящий из меньшего числа повторов.
Первые расчеты Бриттен произвел на ДНК теленка и лосося, а затем перешел к сравнению с ДНК других видов. Хотя он ожидал обнаружить в геноме множество копий, результат его ошеломил. По его оценкам, до 40 % генома теленка было образовано повторяющимися последовательностями. В ДНК лосося этот показатель был ближе к 50%. Невероятное число повторов в каждом геноме было столь же удивительно, как и распространенность этого явления у разных видов. ДНК практически всех животных, которую Бриттен подвергал расщеплению и сборке, содержала гигантское количество повторяющихся элементов. Используя грубую технологию того времени, он оценил, что некоторые элементы представлены в геноме более чем в миллионе копий.
Продвижение геномных проектов привело к тому, что мы можем видеть специфические участки генома, возникшие в результате удвоения, и в более тонком разрешении представить ранние результаты Бриджеса, Оно и Бриттена. Фрагмент ALU длиной около 300 оснований есть в геноме всех приматов. В геноме человека на долю повторов ALU приходится целых 13% ДНК. Еще один короткий фрагмент, LINE1, повторяется в человеческом геноме сотни тысяч раз и составляет до 17% генома. В сумме более двух третей нашего генома составлено из повторяющихся копий последовательностей с неизвестной функцией. Процесс дупликации в геноме вышел из-под контроля.
Рой Бриттен публиковал научные статьи вплоть до 90-летного возраста, до самой смерти от рака поджелудочной железы в 2012 году. За год до смерти в журнале Proceedings of the National Academy of Science он опубликовал свои новые данные в статье, озаглавленной “Почти все человеческие гены возникли в результате дупликации”, – у Оно это вызвало бы улыбку.
Кукурузные гены
Барбара Макклинток (1902-1992) начала свою научную карьеру, следуя по стопам Т. X. Моргана и пытаясь понять основы генетики. К сожалению, когда Макклинток пришла в Корнеллский университет, женщинам не разрешали специализироваться в области генетики, так что ей пришлось избрать “женскую” специализацию в сфере садоводства. Но все же Макклинток победила. Изучая генетику кукурузы, она в конечном итоге присоединилась к числу ученых, открывших новые научные горизонты.