Следы естественного отбора в человеческом геноме
Повторы блоков и ДНК, и SNP — два типа ДНК-маркеров, используемых для описанных выше исследований; по большей части они располагаются за пределами генов и на физические характеристики человека влияют незначительно или не влияют вовсе. Такие вариации генетики называют нейтральными — это означает, что они игнорируются естественным отбором. Тогда что же делает человеческие популяции отличными друг от друга?
Естественный отбор — основной источник различий, особенно в крупных сообществах. В небольших группах значительное влияние может оказывать генетический дрейф — передача аллелей следующему поколению случайным образом. Но в долгосрочной перспективе главной формирующей силой является естественный отбор, зачастую совместно с дрейфом. С появлением быстрых методов секвенирования генома генетики наконец–то начали выявлять следы, оставленные отбором при перекраивании человеческого генома. Эти отпечатки имеют относительно современный характер и отличаются у разных рас.
Региональный характер отбора впервые стал очевидным после полногеномного сканирования, проведенного в 2006 г. Джонатаном Притчардом, популяционным генетиком из Чикагского университета. Он искал гены, подвергавшиеся естественному отбору у трех основных рас: африканцев, восточных азиатов и европейцев (или, точнее, у представителей кавказской расы, но генетика европейцев в настоящий момент исследована намного лучше, поэтому обычно изучаются европейские популяции). По каждой расе было собрано множество генетических данных в рамках проекта HapMap13, предпринятого Национальными институтами здоровья США для исследования генетической основы распространенных заболеваний. Для каждой расы Притчард обнаружил около 200 геномных областей, демонстрирующих характерные признаки того, что они находились под давлением отбора (206 у африканцев, 185 у восточных азиатов и 188 у европейцев). Но в каждой расе отбору подвергались весьма различные генные блоки — совпадения были совсем незначительными [12].
О действии естественного отбора на ген свидетельствует то, что в популяции растет процент носителей аллеля, которому отбор благоприятствует. Но, хотя аллели, подверженные отбору, становятся более распространенными, они редко достигают 100%‑ной частоты, вытесняя все прочие аллели гена. Если бы в пределах расы такое происходило часто, то расы можно было бы отличить одну от другой по имеющимся у них аллелям, но чаще всего дело обстоит иначе. На практике с ростом частоты аллеля интенсивность отбора обычно ослабевает, поскольку нужный признак уже фактически приобретен.
У генетиков есть несколько тестов для проверки, являлся ли какой–либо ген в недавнем прошлом мишенью естественного отбора. Многие из них, включая тест, разработанный Притчардом, основываются на том факте, что по мере распространения поддерживаемого отбором аллеля какого–либо гена в популяции генетическое разнообразие на участке самого гена и в его окружении уменьшается в популяции в целом. Это происходит потому, что увеличивается число людей, имеющих теперь одинаковую последовательность блоков ДНК на данном участке — ту, которой благоприятствует отбор. И результатом такого «выметания»14 становится то, что у членов популяции различия в ДНК на затронутом данным процессом участке генома уменьшаются. Концепция использования «выметаний» как следов естественного отбора рассматривается ниже.
Другие исследователи, сканируя геном в поисках следов естественного отбора, также обнаружили, что у каждой основной расы или континентальной популяции есть собственные характерные наборы генных участков, в которых происходил отбор.
Эти участки действия естественного отбора, как правило, очень велики и состоят из многих генов, и потому сложно или невозможно определить, какой именно ген был мишенью отбора. С помощью нового подхода, в котором используется множество полных геномов, расшифрованных к настоящему времени, Пардис Сабети из Гарварда вместе с коллегами определили 412 геномных областей, подвергавшихся действию отбора у африканцев, европейцев и восточных азиатов. Эти участки настолько малы, что большинство из них содержит один ген или ни одного. На участках, не содержащих генов, по–видимому, присутствует регулятор, то есть последовательность ДНК, контролирующая какой–либо соседний ген [13].
Из 412 участков человеческого генома, для которых определилось наличие отбора, 140 поддерживались отбором только у европейцев, 140 — у восточных азиатов и 132 — у африканцев [14]. Отсутствие каких–либо обнаруженных Притчардом пересечений, то есть генов, характерных для двух или более популяций, связано с использованным Сабети и ее командой методом геномного сканирования, отчасти основанном на поиске участков, в которых эти три популяции различаются.
Когда–нибудь каждый ген, поддержанный отбором, сможет рассказать увлекательную историю о некоем историческом давлении, которому популяция подвергалась и к которому впоследствии адаптировалась. Хорошей иллюстрацией здесь будет анализ по аллелю EDAR‑V370A, описанный в предыдущей главе, — этот аллель является причиной возникновения толстых волосяных стержней и ряда других черт у восточных азиатов. Но на данный момент эти истории для нас недоступны. Изучение человеческого генома началось настолько недавно, что пока неизвестна точная функция большинства генов.
Тем не менее, даже если конкретные задачи большинства генов еще не ясны, об их основной роли можно судить, сравнивая последовательность ДНК любого неизвестного гена с теми известными генами, которые записаны в геномных базах данных. Известные гены сгруппированы в общие функциональные категории, такие как гены мозга или гены, участвующие в метаболизме, и, поскольку их функция связана со структурой, гены каждой категории имеют характерную последовательность блоков ДНК. Сравнив последовательность ДНК каждого нового гена с последовательностями из базы данных, ген можно отнести к какой–либо из общих функциональных категорий. В число генов, которые Притчард определил как подвергшиеся естественному отбору, входят гены цвета кожи, гены, регулирующие оплодотворение и размножение, развитие скелета и функционирование мозга. В категории генов, регулирующих функционирование мозга, четыре находились под давлением отбора у африканцев и по два — у восточных азиатов и европейцев. Что именно эти гены делают в мозге, по большей части неизвестно. Но эти находки подтверждают очевидную истину: гены мозга не относятся к особой категории, свободной от естественного отбора. Они точно так же подвергаются эволюционному давлению, как и гены любой другой категории.
Популяционные генетики разработали несколько разных типов тестов, позволяющих увидеть, воздействовал ли естественный отбор на последовательность ДНК в каком–либо гене. Все эти тесты статистические, и многие основываются на отклонениях в частоте генов, появляющихся, когда поддерживаемый отбором ген распространяется в популяции, «выметая» другие. Естественный отбор не может выбирать отдельные гены или даже отдельные мутации в ДНК. Скорее, он зависит от процесса, называемого рекомбинацией, в ходе которого материнский и отцовский геномы «перетасовываются» перед образованием яйцеклетки и сперматозоида.
