Книга Таинственный геном человека - Фрэнк Райан

* * *

Снипы, гаплотипы и гаплогруппы характерны не только для нашего ядерного генома. Рассказывая обо всех этих явлениях, я упоминал митохондриальную ДНК. Давайте снова сядем в поезд и отправимся в ультрамикроскопический мир в поисках ответа на очередную загадку. Но на этот раз мы направимся не в ядерный геном, а на территорию, лежащую за пределами ядерной мембраны, к поразительным ландшафтам цитоплазмы. Мы осторожно передвигаемся по этому битком набитому пространству, находящемуся в постоянном движении и напоминающему работающий завод. Здесь производятся новые белки, старые расщепляются для переработки, а огромные машины, похожие на летающие сосиски гигантского размера, извлекают энергию из газообразного кислорода и облекают ее в форму, подходящую для хранения. Это и есть митохондрии — жизненно необходимые нам органеллы.

На наших глазах посередине митохондрии появляется стяжка, разделяющая ее на две половины. Поезд везет нас еще глубже в ультрамикроскопический мир, и мы проникаем сквозь оболочку одной из половинок. Внезапно мы уменьшаемся, а митохондрия становится размером с целый город. В нем мы находим еще один железнодорожный путь с сияющими рельсами из дезоксирибозы, стабилизаторами-фосфатами и знакомыми шпалами из парных нуклеотидов. Итак, мы попали в митохондриальный геном, имеющий иное эволюционное происхождение, чем ядерные хромосомы. Перед нами — тайна внутри еще большей загадки.

— Мы уже говорили о митохондриях, вернее, откуда они взялись…

— Да. Это генетический союз между тем, что когда-то было паразитической бактерией, и одноклеточным предшественником всей жизни на Земле. Митохондрии все еще сохраняют много признаков своего бактериологического происхождения. Например, у них достаточно генома для самовоспроизведения — именно это мы и видели. Каждый человек получает от отца половину ядерного генома, но от матери — намного больше. Помимо ее половины ядерного генома мы наследуем физическую структуру яйцеклетки, включая митохондрии.

— Вот почему и мужчины и женщины получают митохондриальные генетические признаки только от матерей?

— Да. И это объясняет, почему митохондриальное наследование не подчиняется законам Менделя, регулирующим доминантное и рецессивное поведение генов. Кроме того, митохондрии воспроизводятся куда чаще, чем ядерный геном. Поскольку они содержат бактериальные гены, а значит, менее способны исправлять ошибки копирования, они сильнее подвержены мутациям.

— Так возникают митохондриальные снипы, гаплотипы и гаплогруппы?

— Именно! И все они наследуются только от матерей, по материнской линии, уходящей в далекое прошлое.

— Иначе говоря, несколько веков назад жила женщина, имеющая такую же митохондриальную ДНК, что и моя мать?

— И такую же, как и у вас, за исключением снипов, которые накопились за это время. На самом деле эту линию можно проследить гораздо дальше — до времен Древнего Рима, до зарождения сельского хозяйства на Плодородном полумесяце или вообще до появления самого вида Homo sapiens.

Наш паровоз свистит, из трубы вырываются клубы дыма, и пока мы движемся вдоль митохондриальной ДНК, я хочу чуть подробнее объяснить, как человеческая история записана в нашем геноме, или, если хотите, в двух симбиотически связанных геномах. Важно понимать, что, по сути, три части нашего голобионтического генома представляют собой библиотеки, в которых записаны три разные генетические истории. Одна из них — митохондриальный геном, который рассказывает историю нашей материнской генетической линии. Y-хромосома, будучи частью нашего ядерного генома, отвечает за отцовскую линию, а оставшаяся ядерная часть, которая, по сути, представляет собой основу нашего генетического наследия, рассказывает нашу историю как вида.

Во время движения вдоль митохондриальной ДНК мы наблюдаем небольшие отличия в работе бактериального генома. Например, митохондриальный геном гораздо меньше, чем геном одной хромосомы в ядре. Весь митохондриальный геном состоит из 16 тысяч нуклеотидных пар (шпал), в то время как ядерный геном даже у половых клеток, у которых он наполовину меньше обычного, составляют 3,2 миллиарда. В процессе полового размножения, задействующего ядерный геном, митохондриальные хромосомы не изменяются. На самом деле митохондрии вообще не имеют линейных хромосом. Путь, по которому мы едем, представляет собой одномерное кольцо, поэтому через какое-то время мы вернемся на место, с которого начали свое путешествие.

— Симбиоз, то есть событие, после которого появились митохондрии, произошел всего один раз?

— Мы точно знаем, что это было так, потому что все митохондрии в клетках растений, животных, грибов и дышащих кислородом простейших организмов произошли от одного предка.

— Вы смогли определить это по митохондриальным генам?

— Да.

— Но если это произошло так давно, почему митохондриальный и ядерный геномы не объединились? Это было бы логично, разве нет?

— Вы правы, это было бы разумно. На самом деле большинство структурных белков, составляющих, как мы их сегодня называем, митохондриальные органеллы, кодируются ядерными генами. Мы полагаем, что как минимум 300 ядерных генов когда-то были митохондриальными, а затем произошел их перенос.

— Но некоторые не перенеслись?

— Почти все гены, которые остались в митохондриях, связаны с кислородным дыханием. Кислород — очень токсичный элемент. Возможно, для того, чтобы он не влиял на остальные органы клетки, его следует обрабатывать только одному типу органелл.

— Но разве кислород не всегда был частью атмосферы?

— Нет. Атмосферный кислород производят растения и цианобактерии. Это побочный продукт их обмена веществ. Вы можете вспомнить, что появление кислорода в земной атмосфере оказалось губительным для многих океанских и прибрежных живых организмов того времени. Выжили лишь те, кто смог им дышать. Но даже в клетках этих организмов такое токсичное вещество нужно было держать подальше от сложного ядерного механизма. Он должен был быть сконцентрирован в клетках-захватчиках, бывших бактериях, которые эволюционировали в митохондриальные органеллы, уже устойчивые к ядовитому воздействию кислорода.

— Это похоже на ситуацию с вирусами и хромосомами.

— Именно! Вирусы, которые экспрессировали свои гены как белки, сохранили оригинальную геномную структуру, включая контролирующие промоторы.

Но давайте вернемся к использованию митохондриальной генетики в палеонтологии. Уникальные материнские митохондриальные линии стали мощным инструментом эволюционных генетиков, позволяя им изучать генетику популяций и сложные передвижения людей в течение многих столетий. Вот почему нет ничего удивительного в том, что компонент гаплотипа D4h3a, который связал ребенка из племени Кловис с его сибирскими предками, был обнаружен при изучении митохондриальной ДНК Анзик-1.

Как уже говорилось, еще одним эффективным инструментом популяционной генетики является Y-хромосома в ядерном геноме мужчин. Как и митохондриальная ДНК с ее исключительной связью с материнской линией, Y-хромосома позволяет отследить линию наследования от отцов к сыновьям. У нее нет парной хромосомы для рекомбинирования, поэтому она не обменивается участками со второй хромосомой, в связи с чем появляется возможность отслеживать ключевые мутационные гаплотипы в различных Y-популяциях с течением времени. Например, в случае с Анзик-1 ключевой Q-гаплотип его Y-хромосомы принадлежал к подгруппе L54*, которая, по расчетам генетиков, отделилась от другой ключевой гаплотиповой подгруппы М3 примерно 16 900 лет назад. Это подтверждает, что Анзик-1 принадлежал к этнической группе, тесно связанной с первыми людьми, пришедшими в Америку.