Горе от ума

Недавно на сервере препринтов bioRxiv вышла работа группы биоинформатиков, в которой авторы представили «Хронологический атлас естественного отбора в геноме человека за последние полмиллиона лет». Ученые под руководством доктора Кун Тана из Шанхайского биологического института утверждают, что им удалось разработать эффективный метод регистрации эволюционных событий. Возможно, самым интригующим результатом этой работы стало обнаружение следов древнего положительного отбора в генах, связанных с болезнью Альцгеймера.

Наблюдать эволюцию напрямую, по крайней мере, эволюцию человека, невозможно. Чтобы восстановить ход эволюционных изменений, приходится использовать анализ косвенных свидетельств. В своей статье группа Тана смогла реконструировать некоторые эволюционные события прошлого человека благодаря анализу генетических различий внутри всего лишь сотни ныне живущих людей. Чтобы дать читателю ощущение, как можно делать выводы об эволюции на основе такой скудной информации, хочется рассказать простую историю из жизни крестовых барбусов.

Крестовые барбусы родом из Юго-Восточной Азии, это популярные аквариумные рыбы с характерными черными полоcками. Конкретная окраска этих рыб зависит от места их обитания. Как и ожидается, соседние популяции рыб имеют схожую окраску. Любопытно, что из этого правила есть исключение: барбусы из региона малайской реки Муар, впадающей в малаккский пролив, непохожи на своих соседей из малайского штата Джохор. Напротив, они выглядят так же, как рыбы из крупной реки Паханг, впадающей в Южнокитайское море на другом, тихоокеанском, побережье Малайзии. Эту аномалию можно объяснить так: в прошлом река Паханг изменила свое русло, однако небольшая популяция «пахангского типа» осталась на старом месте. Этот пример иллюстрирует, как изучение биологического разнообразия в популяции позволяет делать выводы о событиях, повлиявших на судьбу популяции в прошлом: информация об изменении русла реки удивительным образом сохранилась в разнообразии окраски барбусов.

Окраска барбусов — это такой фенотип. Понятно, что за его вариабельность отвечают некие неизвестные генетические факторы, иначе никаких выводов об истории расселения этих рыб сделать было нельзя. Человечество точно так же хранит информацию о своей истории в разнообразии своих фенотипических и генетических признаков. Для получения этой информации мы заинтересованы в том, чтобы работать с генетическими данными напрямую (а не измерять, скажем, черепа линейкой). Сейчас, благодаря прогрессу в скорости и цене расшифровки геномов, ученые могут относительно легко получать исчерпывающие данные о генетических различиях между людьми. Такие различия могут быть мутациями, характерными только для вас или вашей семьи, а могут объединять крупные популяции людей. В последнем случае генетические различия называются полиморфизмами. Многие из них возникли десятки или сотни тысяч лет назад и именно они являются свидетелями эволюционных изменений в истории человечества.

Подавляющее большинство генетических различий не имеют для нас никакого значения, они эволюционно нейтральны. Некоторые из них вредные и находятся под действием отрицательного отбора. Наконец, совсем небольшое число относится к полезным мутациям, которые дают их носителю эволюционное преимущество и подвержены положительному отбору. Классический пример — мутации, позволяющие некоторым популяциям в Европе и Африке переваривать молоко всю жизнь, а не только в детстве. Очень «противоестественная» способность, если подумать, но с появлением молочного животноводства она помогала выживать предкам некоторых из нас.

Мы, как биологический вид, обладаем рядом важных, специфических только для нас особенностей, некоторые из которых напрямую связаны с тем, что именно мы, а не крестовые барбусы, построили пирамиды и полетели в космос. Кроме способности переваривать молоко, это интеллект, психика, отсутствие хвоста, членораздельная речь и многое другое, что отличает нас от наших обезьяних сородичей. Понимание того, какие эволюционные события сформировали человека как прогрессивный биологический вид — одна из самых амбициозных научных задач. Но как можно детектировать такие события, основываясь только на ДНК ныне живущих людей?

Допустим, в некотором конкретном месте генома у конкретного индивида в популяции появляется полезная мутация. Будем определять генетику этого места (локуса) во всей популяции в поколениях — для человека это проблематично, но для многих модельных животных это вполне реально. Мы заметим, что доля геномов с этой мутацией будет увеличиваться. C течением времени мы также будем наблюдать увеличение доли соседних мутаций, сцепленных с этой полезной мутацией. 

Это происходит из-за того, что перемешивание соседних мутаций (рекомбинация) и образование новых происходит очень редко — примерно 10^-8 на нуклеотид на поколение. Таким образом, положительный отбор приведет к тому, что в данном месте генома мы увидим локальное снижение генетического разнообразия. Такие ситуации называются «выметание отбором» (selective sweep). 

Проблема в том, что со временем выметание становится все менее заметным, поэтому такой метод способен надежно детектировать только относительно недавние события. Например, выметание в гене лактазы LCT хорошо видно именно потому, что положительный отбор на потребление молока взрослыми в этом гене был всего несколько тысяч лет назад.

Авторы обcуждаемой статьи претендуют на то, что им удалось разработать метод, позволяющий надежно детектировать не только недавние, но и относительно древние, до полумиллиона лет назад, эволюционные события.

В работе были использованы генетические данные из трех популяций по 30 человек каждая (американцы европейского происхождения, китайцы хань и негры йоруба). Последовательности ДНК были взяты из проекта «Тысяча геномов» — это крупный международный проект, цель которого — изучение генетического разнообразия человека. Несмотря на то, что получение этих данных стоило миллионы долларов, они находятся полностью в открытом доступе — это дает возможность независимым ученым-биоинформатикам, таким как группа Тана, их свободно анализировать. На самом деле, это скорее нетипичная ситуация — полногеномные данные почти всегда находятся под защитой законов о персональной информации и часто этим пользуются, чтобы ограничивать доступ к ним людей «со стороны».

Теоретический каркас работы сделан на основе математического аппарата так называемой теории коалесценции. Центральным понятием теории коалесценции является коалесцентное дерево — воссозданная по данным современных генотипов наиболее вероятная история их формирования. Коалесцентное дерево отличается от более знакомых по школьным учебникам филогенетических деревьев. Коалесцентное дерево относится к конкретному месту генома у одного вида (иногда эти деревья называют генной генеалогией), в то время как типичное использование филогенетических деревьев — описание эволюционных отношений разных видов между собой.

Снижение генетического разнообразия не обязательно связано с отбором. Обычно основная причина — это колебания численности популяции (генетический дрейф). Такая ситуация часто происходит из-за миграции: когда часть популяции покидает свой ареал и «уносит» со старого места лишь часть генетического разнообразия. Например, в результате того, как некоторые люди покинули Африку около 60 тысяч лет назад, неафриканская часть человечества стала более генетически однообразной, чем африканцы. Анализ, направленный на поиск эволюционных событий, должен различать снижение генетического разнообразия, вызванного отбором или миграцией. Понятно, что мы не знаем точно, как происходило расселение людей по миру. Можно ли это понять из генетических данных?

Оказывается, можно. В обсуждаемой работе используется не так давно разработанная элегантная методика определения демографической модели изменения численности для данных популяций, которая называется модель «попарного последовательного марковского коалесцента» (PSMC). Полученная информация используется для коррекции коалесцентных деревьев — таким образом, можно исключить эффекты, связанные с популяционной структурой, например, миграцию.

Форма коалесцентных деревьев для данного локуса позволяет делать выводы о том, находился ли этот локус под действием отбора. Грубо говоря, аномально «вытянутые» деревья говорят о наличии стабилизирующего отбора, а «сжатые» — о положительном или отрицательном. Вытянутые деревья означают, что в данном месте генома уменьшена скорость коалесценции — генетическое разнообразие поддерживается в популяции, например, из-за преимущества гетерозигот. Сжатые деревья говорят об увеличенной скорости коалесценции — разнообразие уменьшается быстрее, чем в среднем по геному.

Принципиальная инновация в работе — это то, что отрицательный и положительный отбор можно разделить по изменению скорости коалесценции. В случае отрицательного отбора скорость коалесценции высокая и постоянная. Допустим, у нас есть важный для выживания локус. Если в этом локусе появляется новая мутация, то шанс, что она будет вредной, а не нейтральной, выше, чем для обычного локуса. Поскольку новые мутации в истории появляются случайно, то они все будут иметь повышенный шанс оказаться вредными, следовательно будут подвержены отрицательному отбору, следовательно скорость коалесценции будет постоянно высокой. Для положительного отбора характерна временная метка изменения скорости коалесценции. Это связано с тем, что положительная мутация в данном локусе обычно случается один раз и никакого усреднения по скорости коалесценции не возникает. Важное следствие: существование метки изменения скорости коалесценции для положительного отбора дает возможность примерно оценить тот момент в истории человечества, когда произошло данное эволюционное событие.

Несомненной удачей работы Тана и коллег является использование геномов древних людей для верификации датировки положительного отбора. Древнюю ДНК гораздо сложнее расшифровывать, поскольку она обычно сильно деградирована и засорена чужеродной ДНК. Поэтому генетику древних популяций изучать пока сложно. Тем не менее, несколько хорошо прочитанных древних геномов доступны для изучения. В работе использовали три таких генома: геном человека из Штуттгарта (7 тысяч лет назад), геном человека из Лошбура (8 тысяч лет назад) и геном усть-ишимского человека (45 тысяч лет назад). Последний — самый ранний расшифрованный геном современного человека на данный момент. Любопытно, что этот геном получен из бедренной кости, случайно обнаруженной скульптором по кости Николаем Перистовым в Сибири.

Древние геномы позволяют относительно просто подтвердить датировку событий положительного отбора. Если отбор предшествовал смерти этого древнего человека, то ожидается, что его геном будет содержать те же генотипы, что и современные люди. Если отбор происходил уже после его смерти, то никакой связи между ними не будет. В целом, древние геномы подтверждают данные группы Тана.

Используя последовательности древней ДНК группе Тана удалось получить данные о временной шкале для генов, которые были подвержены положительному отбору у человека, тот самый «атлас». Что же в этом атласе удалось найти?

Функции у этих генов самые разные: гены иммунного ответа, репродуктивной системы, метаболизма, пигментации, развития мозга и так далее. Кстати, ген LCT и другие хорошо изученные примеры выметаний тоже были найдены. Всего 117, 230 и 485 сигналов в трех проанализированных популяциях (европейцы, китайцы и африканцы, соответственно). То, что больше всего результатов удалось получить на африканской выборке, не должно нас удивлять — как мы уже знаем, в Африке сохранилось больше генетического разнообразия, а значит и больше информации.

Наиболее древние детектированные события относятся к периоду примерно полмиллиона лет назад, таких сигналов около семидесяти. Более того, к этим событиям можно применить тот же анализ, что и с древней ДНК, но только с генетическими данными неандертальцев. Это позволяет подтвердить тот отбор, который был даже до момента разделения человечества на неандертальцев и современных людей. Интересно, что всего из дюжины таких сигналов два ведут к генам, имеющим отношение к аутизму. Вообще, соблазнительно думать, что болезни психики как-то связаны с историей ее формирования в современном виде.

Наконец, обратимся к древним сигналам, имеющим отношение к периоду ближе к «исходу» из Африки. На это время (от 200 до 50 тысяч лет назад) приходится целых 6 сигналов от генов, напрямую участвующих в патогенезе болезни Альцгеймера.

Болезнь Альцгеймера — это нейродегенративное заболевание, которое характерно только для людей. На биохимическом уровне причины заболевания связывают с накоплением на внеклеточной стороне нейронов мозга полимеров пептида бета-амилоида (продукта протеолиза белка-предшественника амилоида APP) и разрушением цитоскелета внутри нейронов из-за неправильной работы тау-белка. В результате нейроны погибают — для человека это означает вначале слабоумие, а потом смерть. По данным ВОЗ, сейчас в мире около 35 миллионов больных слабоумием, из них 1,2 миллиона — в России и более половины из них страдают от болезни Альцгеймера. Если темпы роста заболеваемости болезни сохранятся, ВОЗ прогнозирует удвоение этого числа к 2030 году. ВОЗ связывает свой прогноз с увеличением средней продолжительности жизни людей, поскольку возраст человека является главным фактором риска для этой болезни. Эффективного лечения для нее не существует.

В определенном слысле болезнь Альцгеймера можно назвать отличительным признаком нашего вида так же, как отсутсвие хвоста или членораздельную речь. Поэтому обнаружение положительного отбора в тех генах, которые связывают с ее патологией, можно назвать пусть не ожидаемым, но логичным.

Естественно, функция этих генов не в том, чтобы вызывать болезнь. Это гены, регулирующие работу мозга. Например, ген MAPT кодирует тау-белок, отвечающий за внутриклеточный транспорт в нейронах, ген SPON1 нужен для развития мозга, а ген SNCA связан с высвобождением нейромедиаторов.

Основная спекулятивная идея работы Тана и его коллег в том, что болезнь Альцгеймера — плата за развитый мозг с впечатляющей рассрочкой в двести-триста тысяч лет. Шансов дожить до возраста, когда можно было заболеть Альцгеймером у древних людей практически не было. Цивилизации нужно было научиться противостоять вирусным и бактериальным инфекциям, начать успешно лечить сердечно-сосудистые заболевания, диабет, рак, создать безопасное и мирное общество, наконец, — чтобы человек мог спокойно дожить до 80 лет и умереть от нейродегенеративных заболеваний.

Николай Кондратьев