Геном человека. 
Митохондриальные часы

В 1990—2003 гг. был в основных чертах закончен грандиозный международный исследовательский проект по изучению генома человека. Запущен он был в США, осуществляли же его ученые из разных стран — США, Англии, Канады, Германии, Китая, Японии и Испании и др. Как известно, геном содержит весь наследственный материал организма. Главная цель проводимого исследования состояла в идентификации всех генов, содержащихся в хромосомах человека, и в определении последовательности нуклеотидов, их составляющих. Обычные методы определения последовательности нуклеотидов могут быть применимы только к отрезкам ДНК, содержащим 100—1000 пар оснований. С учетом этого обстоятельства были разработаны методы, которые позволяли более длинные последовательности нуклеотидов делить на фрагменты, а затем собирать заново, получая в итоге полную последовательность сколь угодно большой молекулы ДНК. Рассматриваемый проект был призван дать мощный импульс развитию биологии и медицины. Так оно и случилось.

Переходим к рассмотрению результатов исследования и возможностей, связанных с дальнейшим изучением генома, причем не только человека, но и всех других организмов.

Геном человека состоит из 23 пар хромосом, находящихся в ядрах клеток, а также митохондриальной ДНК. Две хромосомы, а именно X и Y, являются половыми. Все остальные — неполовыми (аутосомными). Изучение генома человека показало, что хромосомы отличаются по многим параметрам. Об этих отличиях наглядно свидетельствует рис. 6.21 (светлые и более темные полоски обозначают различные по цвету регионы хромосом). Центромеры отделяют короткие плечи хромосом от более длинных.

Рис. 6.21. Хромосомы человека

Исследование показало, что геном включает около 26 тыс. активных генов, но из них всего 37 принадлежат митохондриальной ДНК. Ожидалось же, что число активных генов составляет около 100 тыс. Синтез белков «напрямую» определяет всего лишь около 1,5% генетического материала. Некодирующая часть ДНК включает интроны, транспозоны («прыгающие» доли ДНК), участки ДНК между генами, повторенные фрагменты ДНК, псевдогены (утратившие способность кодирования белков). Первоначально казалось, что большая часть ДНК не выполняет никаких специфических функций. Но как выяснилось, природа не позволяет себе такую расточительность: большая часть генома в отсутствие патологии выполняет полезные для организма функции эпигенетического содержания. Всего геном человека состоит из около 3,1 млрд пар оснований.

Ниже мы приводим сведения о хромосомах человека, согласно данным института Сенгера (англ. The Wellcome Trust Sanger Institute) — английского геномного исследовательского центра¹ (табл. 6.16).

Таблица в. 16

Геном человека.

¹ URL: http:// www.vega.sanger.ac.uk/Homo_sapiens/Location/Chromosome?/.

Разумеется, уделив первостепенное внимание расшифровке генома человека, ученые не забывали и о других организмах. В частности, изучались геномы таких репрезентативных представителей соответственно бактерий, насекомых, млекопитающих и гоминид, как Escherichia coli, мушка дрозофила, мышь и шимпанзе. Сравнивая геномы различных организмов, ученые устанавливали степень их сходства. Но необходимо было также тем или иным способом представить временной характер биологической эволюции. Исследователи руководствовались следующей идеей.

Допустим, что, во-первых, известны геномы представителей двух таксонов в настоящее время и в некоторую прошлую эпоху (по палеонтологическим данным). Во-вторых, их различие в процессе биологической эволюции возрастало, а в ретроистрической перспективе, наоборот, уменьшалось настолько, что становилось несущественным; следовательно, указанные представители должны применительно к указанной прошлой эпохе считаться представителями одного таксона. При выполнении этих условий можно рассчитать скорость биологической эволюции, в частности подсчитывая число нуклеотидных пар изменившихся за единицу времени. С другой стороны, зная скорость биологической эволюции и особенности того или иного генома, можно определить его возраст, равно как и возраст всего организма. Разумеется, необходимо также учитывать, что скорость биологической эволюции зависит от многих факторов, например размеров популяций, географической среды, особенностей биологических видов, специфических функций белков. Разумеется, учесть эти факторы непросто. Тем не менее вполне возможно. В первом приближении, не особенно мудрствуя, можно считать, что скорость биологической эволюции является постоянной. Но затем желательно вводить уточнения, учитывая значимость сначала наиболее существенных, а затем и менее существенных факторов. Итак, ученые придумали способ измерения эволюционного времени. Теперь предстояло выбрать наиболее надежных кандидатов на роль молекулярно-генетических часов. И вот тут на первый план выдвинулись митохондриальные часы.

Как уже отмечалось, геном митохондриальной ДНК содержит всего 37 генов. Его легче изучать, чем какой-либо другой более сложно устроенный геном. К тому же генетические изменения происходят в митохондриях значительно быстрее, чем в ядрах клеток. За определенный промежуток времени в ней произойдет значительно больше изменений, чем в ядерной ДЫК. Судить о времени по часам, которые тикают медленно, затруднительно. Поэтому именно митохондриальные часы были признаны образцовыми молекулярно-генетическими часами. Они были использованы, в частности, для определения возраста единого предка человека и шимпанзе.

Было проведено сравнение генома человека с геномами шимпанзе, гориллы и орангутана. Оно показало, что геном человека в наибольшей степени схож с геномом шимпанзе. Интересно, что геномы человека и шимпанзе схожи в большей степени, чем геномы гориллы и орангутана. 18 пар хромосом человека и шимпанзе сходны в высшей степени, но есть и существенные различия. В диплоидном геноме человека содержатся 23 пары хромосом, а у шимпанзе 24. В концах хромосом расположены теломеры. Их в геноме человека в 2,3 раза больше, чем в геноме шимпанзе. В хромосомах 4, 9, 12 гены и другие генетические маркеры расположены в двух геномах по-разному. Хромосома 21 в двух рассматриваемых геномах обладает различными регионами. Не совпадают также две хромосомы Y. Наконец, геном шимпанзе на 11,5% больше генома человека. Согласно современным оценкам, различия геномов человека и шимпанзе составляют более 5%. Первоначально считалось, что это различие составляет около 1%. По мере возрастания числа сравниваемых факторов оценка различия двух геномов имеет тенденцию к увеличению. Тем не менее она всегда меньше, чем отличие генома человека от генома гориллы. Крайне важны не только абсолютные, но и относительные критерии.

Мы не будем описывать все те многочисленные трудности, которые пришлось преодолеть ученым на пути определения митохондриального возраста человека и шимпанзе. Укажем сразу на полученный основной результат. Около 6,5 млн лет назад геномы человека и шимпанзе не отличались друг от друга¹. А это как раз и означает, что они имеют единого предка. Разумеется, при оценке степени сходства и различий человека и шимпанзе следует учитывать, что она существенно зависит не только от состава генов, но и их экспрессивной силы, равно как от многих эпигенетических факторов. Что касается промежутков времени, определяемых посредством митохондриальных часов, то они при всей их приблизительности позволяют квалифицированно судить о темпах биологической эволюции.

Рисунок 6.22 дает представление о расхождениях линий высших приматов. Согласно исследованиям большого коллектива авторов^[1][2], такое расхождение состоялось неоднократно, а именно: 1) 25—33 млн лет назад, 2) 18—20 млн лет назад, 3) 12—16 млн лет назад, 4) 6—8 млн лет назад, 5) 4.5—6 млн лет назад, 6) 1 млн лет назад (разделение линий карликовых и обыкновенных шимпанзе). Общим предком высших приматов являются макак-резусы.

Рис. 6.22. Расхождение линий высших приматов

Выводы

• • Реализация проекта «Геном человека» позволила довольно детальным образом изучить все хромосомы человека, в частности определить число активных генов, экзонов, нитронов, повторов, транспозонов.
• • Сравнивая геномы представителей различных таксонов, можно установить степень их близости друг к другу. Так, геном человека схож с геномом шимпанзе в значительно большей степени, чем с геномом гориллы.
• • Использование биолого-молекулярных, в частности митохондриальных, часов позволяет судить о темпах биологической эволюции.
• • Расхождение линий высших приматов характеризуется шестью критическими точками.

• [1] Soares Р. у Ermini L., Thomson N., Mormina Л/., Rito Г., Rohl A., Salas A., Oppenheimer S., Macaulay V., Richards M. B. Correcting for Purifying Selection: an Improved Human MitochondrialMolecular Clock // American Journal of Human Genetics. 2009. Vol. 84. No. 6. P. 740—759.
• [2] Locke D. P., at al. Comparative and Demographic Analysis of Orangutan Genomes // Nature.2011. Vol. 469. P. 529−533.