«Это все меняет». Ученые обнаружили коренное отличие человека от животных

• Проект Zoonomia
• Сколько в нас животного
• Катализатор эволюции мозга

Участники международного консорциума Zoonomia сообщили о завершении 20-летнего проекта. Биологи расшифровали геномы 240 животных из различных семейств и сравнили с последовательностью ДНК человека. Результаты позволили лучше понять, на каком этапе эволюции произошли изменения, сделавшие нас людьми.

Проект Zoonomia

Термин «зоономия» ввел в научный обиход Эразм Дарвин — выдающийся английский врач и биолог, дед Чарльза Дарвина. В книге «Зоономия, или законы органической жизни», вышедшей в 1794-м, он высказал смелую для своего времени мысль: предположил, что все теплокровные животные связаны друг с другом и в далеком прошлом имели общего предка.

Через два столетия идеи ученого получили блестящее подтверждение. В начале 2000-х были опубликованы полные геномы мыши, человека, крысы и шимпанзе, которые оказались очень близкими. Чтобы понять, в какой момент разошлись эволюционные линии, требовалось больше данных.

В рамках проекта Zoonomia биологи расшифровали и сравнили геномы 241 вида млекопитающих, включая человека. Образцы ДНК предоставили свыше 50 научных организаций из разных стран. Результаты исследования выпустили в виде 11 статей тематического номера журнала Science.

По подсчетам биологов, известно более 6500 современных видов млекопитающих и около 20 тысяч вымерших. Несмотря на анатомическое сходство, внешне они очень разные — от крошечной карликовой многозубки, весящей менее двух граммов, до огромных китов. Одни покрыты густой шестью, другие практически лысые, кто-то научился летать, кто-то приспособился к жизни в воде, у кого-то чрезвычайно чуткий нос, а у кого-то, как у человека, большой и сложный мозг.

Задачей проекта Zoonomia было выявить особенности ДНК, определяющие видовые различия, и определить, на каком этапе эволюционной истории они закреплялись на генетическом уровне. Исследования касались только представителей группы планцентарных, которые появились на планете за последние 100 миллионов лет, и не затрагивали более древних сумчатых и яйцекладущих.

Дерево эволюции плацентарных млекопитающих. Вымирание динозавров на рубеже мелового и палеогенового периодов отмечено пунктирной линией

Метод сравнительной генетики, который использовали ученые, позволил определить геномные зоны, отвечающие за такие характеристические черты, как острый нюх, привычка впадать в спячку, способность издавать звуки, развитие мозга.

Отследив историю отдельных генов, специалисты установили, что разнообразие млекопитающих начало расти задолго до вымирания динозавров, которое произошло 66 миллионов лет назад, на рубеже мелового и палеогенового периодов. Ранее считалось, что млекопитающие освоили все экологические ниши только после исчезновения динозавров.

Сколько в нас животного

Хромосомы, заключенные в клетке человека, содержат около 20 тысяч генов, кодирующих белки. В совокупности это не более 1,5 процента всего генетического материала. Помимо них, в геноме есть множество последовательностей, отвечающих за регуляцию — контроль экспрессии генов. Идентифицировать функции таких регуляторных элементов намного сложнее, чем генов, отвечающих за производство конкретных белков.

«Одна из главных проблем в том, что у человека очень большой геном, и мы до конца не знаем, как он работает, — приводятся в пресс-релизе слова одного из руководителей проекта Zoonomia Элинор Карлссон, директора группы геномики позвоночных в Институте Брода Массачусетского технологического института и Гарварда. — Результаты показывают, что многое мы можем понять, изучая геномы других млекопитающих».

Метод сравнения позволил исследователям выявить в ДНК человека более трех миллионов регуляторных элементов, примерно половина которых ранее была неизвестна. Оказалось, что их по крайней мере в десять раз больше, чем тех, что кодируют белки, и они играют важнейшую роль в управлении всеми физиологическими процессами в организме, поскольку содержат инструкции, определяющие, где, когда и в каком количестве производить белки.

Большинство клеток человека имеет 46 хромосом, сгруппированных в 23 пары. Каждая хромосома состоит из цепочки дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) — генетического материала, который служит инструкцией для роста и развития

Также выяснилось, что примерно 11 процентов генома — всего около 4500 участков — идентичны у всех млекопитающих, включая человека. Это так называемые консервативные фрагменты ДНК, которые сохраняются неизменными миллионы лет и отвечают за черты, отличающие млекопитающих от других организмов. Около четырех процентов ученые отнесли к «сильно консервативным», очевидно, ответственным за самые базовые молекулярные процессы на клеточном уровне, присущие всем эукариотам.

Консервативные участки ДНК необходимы для нормального функционирования организма, а генетические изменения в них могут стать причиной не только наследственных заболеваний, но и рака. Ученые приводят пример пациента с медуллобластомой, у которого быстрый рост опухоли мозга был связан с мутацией в одном из таких участков генома.

Катализатор эволюции мозга

В начале 2000-х биологи обнаружили в геноме человека участки, связанные с развитием мозга. Их назвали «зонами ускоренного развития человека» (HAR — Human Accelerated Regions). Некоторые из них играют важную роль в формировании на эмбриональной стадии нейронных путей, связанных с интеллектом.

Генетики, изучающие HAR в проекте Zoonomia, выяснили, что подобные участки есть и у других приматов. Но в человеческом геноме они содержат гены, отличающиеся от наших ближайших родственников — таких как шимпанзе или бонобо. Различия возникли примерно миллион лет назад. При этом речь идет не о появлении какого-то особого «гена сознания», а всего лишь о перестроении белковой упаковки ДНК.

«Представьте ДНК нашего последнего общего с шимпанзе предка в виде обернутого вокруг шеи шарфа, по всей длине которого проходят поперечные полоски разных цветов, — объясняет руководитель исследования, директор Гладстонского института науки о данных и биотехнологии в Сан-Франциско Кэтрин Поллард. — Если цвета расположить в другом порядке, сделать одни полоски уже, а другие шире и снова намотать, будет уже совсем другой шарф. Примерно это и произошло».

Расположение HAR в структуре ДНК шимпанзе и человека

В зонах ускоренного развития содержатся энхансеры — усилители транскрипции, которые могут влиять на активность расположенных вблизи генов. В результате структурной перестройки ДНК, произошедшей у предков человека миллион лет назад, гены, отвечающие за развитие мозга, случайно оказались рядом с энхансерами HAR. И это стало поворотным моментом в истории нашего вида.