Гемоглобин шимпанзе по последовательности

картинка для обложки

Для начала о том, как сравнивались ДНК людей и шимпанзе

В 1975 году Мэри-Клэр Кинг и Аллан Уилсон опубликовали в журнале «Science» статью о генетическом подобии шимпанзе и человека. К сожалению, статья, не дочитанная многими до конца, воспринялась как подтверждение мысли о «почти полной идентичности» шимпанзе и человека, а не для того чтобы передать ее главную мысль — никто по-настоящему не понимает, как происходила макроэволюция.

Кинг и Уилсон сравнили аминокислотные последовательности нескольких белков шимпанзе и человека (таких как гемоглобин и миоглобин), и нашли, что последовательности либо идентичны, либо почти идентичны. Каков был их вывод?

…последовательности полипептидов шимпанзе и человека, изученные на данный момент, в среднем идентичны более чем на 99%

Так, по вине ленивых читателей, не дочитавших ту статью до конца, родился миф об 1% генетического различия между человеком и обезьяной. Йон Коген в своей статье в «Science» (2007) писал о нём:
— membrana (о мифе здесь)

99% – это завышенный процент сходства между людьми и шимпанзе. Такое число было получено путём сравнения только тех частей генома, которые легко можно было сравнить, и оно не включает в себя исключения, повторения и вариации того, сколько копий имеет каждый ген.

— Оливия Джадсон, биолог-эволюционист, автор бестселлера «Каждой твари — по паре»

Некоторые последующие эксперименты вроде бы подтвердили сходство генома уже на 98,5%, но обыватели сначала не захотели слушать, а потом и вовсе без зазрения совести «округлили» это число до 99,9%. Однако, таким сходством могут обладать только два разных человека, а никак не представители разных видов.

Последовательности геномов двух любых неродственных индивидуумов различаются в среднем на 0,1 %, а это около 3 млн. пар нуклеотидов, и именно эти вариации представляют наибольший интерес для понимания различий между людьми

— В лабиринтах генома человека

Но такие результаты были получены, опять же, сравнивая только удобные для сравнения участки. Посмотрев на обложки всех томов «войны и мира», вы обнаружите, что они сходны на 90+%, однако основное — содержание книги — разнится очень сильно.

Хотя, можно сказать, например, что все русскоязычные книги в мире похожи на 99%, так как в каждой из них фигурируют одни и те же 33 буквы, одни и те же знаки препинания. И, в принципе, одни и те же слова. Но это будет предельно некорректно, ведь главное — это комбинации генов, а не то, что они одинаковые.

Объясняем наглядно

Представим, что мы взяли рандомную часть из генома человека и салата, и решили это дело сравнить. Для простоты вернёмся к примеру с литературными произведениями и воспользуемся небезызвестным стихотворением Александра Блока:

Визуализация повторяющихся участков генома на основе стихотворения Александра Блока

Мы получили повторяющийся участок в ДНК. Генетики на самом деле не знают, зачем они нужны, но склоняются к одному: у них есть назначение. Если бы это была ошибка, то она не повторялась бы так часто.

Вернёмся к сравнению. Взяв два генома и получив повтор участка в одном и его отсутствие во втором, мы натыкаемся на проблему — как это оценить? Вроде как, участок один и тот же, значит, сходство. Но в одном геноме он есть, а в другом его нет, значит, различие? А если эти участки будут в том же количестве, но перепутаны между собой? Возьмём стихотворение Анны Ахматовой:

Визуализация участков генома, расположенных в разном порядке, на основе стихотворения Анны Ахматовой

Считать за одинаковые участки генома или всё-таки разные? И если разные, то в какой степени? Это как намешать разных растворов в разных пропорциях в две бутылки, а потом заключить, что в каждой из них 99% воды.

Двигаемся дальше по истории

В 2002 году Рой Бриттен попытался сделать сравнение уже вместе с такими участками. Оказалось, что «идентичность» уже составляет менее 95%:

…разность генома из-за замены оснований составляет 1,4%, но существует дополнительная разница в 3,4% из-за наличия вставок участков генома.

— NCBI

То есть те исследования, которые нашли разницу в 99% и 98,5% ориентировались на замену оснований, пренебрегая вставками (как в примере со стихотворением Блока). А потом оказалось, что эти «вставки» составляют разницу, вдвое большую, чем замены. И это ещё не конец.

В 2006 году Мэтью Ханн с коллегами установил, что эти участки добавляют еще больше разницы, чем прежде определил Бриттен. В новых исследованиях это число уже было 6,4%. Теперь совпадения генома уже (о, ужас!) составляют не более 92-93%.
(исследование здесь)

В 2008-м были проанализированы более крупные участки «повторов». Выяснилось, что абсолютное сходство между ДНК человека и шимпанзе может составлять менее 90%.

Может показаться, что разница между 98% и 95% совсем незначительна, но если учесть, что ДНК человека состоит из 3 миллиардов пар оснований, тогда разница в 3% составит 90 миллионов пар оснований! И к тому же, как подтверждают многолетние исследования, на кардинальные различия между человеком и шимпанзе влияет разница не столько в самих генах, сколько в их экспрессии — то есть их участии в производстве белков. Тем не менее, нет ни единой причины преуменьшать разницу в последовательностях ДНК.

— membrana

На самом деле, ДНК не состоит полностью из генов. У человека они занимают всего 2% от всей цепочки ДНК, остальное — «инструкции» к тому, как этими генами пользоваться.

У примитивных организмов, таких как бактерии, гены занимают 80-90% всей ДНК. У человека на гены приходится всего лишь около 2%. Остальные участки ДНК содержат информацию о том, в каком порядке должны включаться гены или же просто являются неиспользуемым «балластом», оставшимся от прошлой истории жизни организма. Если сравнить ДНК с книгой, то она была бы очень необычна: 98 страниц из каждых 100 содержали бы «в разбросанном виде» инструкции о том, как читать следующие 2 страницы.

— В. Ф. Писаренко, «Генетика человека»

Из этого следует вывод, что даже небольшие генетические различия могут приводить к огромным различиям во внешнем виде или поведении. Например, если посмотреть на разные породы собак, то генетические различия незначительны, но внешние различия могут быть огромными. И ДНК салата, как и ДНК всех остальных живых организмов, сходны с человеческим, однако это, во-первых некорректно, а во-вторых не удивительно. Сходность генома не означает похожесть.

А затем, что мы таким образом получаем прежде не существовавшие доказательства. Теперь у нас есть общая единица измерения. Неважно, где проводился эксперимент и какой человек с каким шимпанзе сравнивался, различие останется постоянным. Теперь, наконец, у нас есть стандартная мера эволюционных расхождений, которая принципиально отличается от колеблющихся различий в величине мозга или зубов, которые никогда не бывают совершенно одинаковыми у двух разных особей. В лабораторных сравнениях ДНК какие бы то ни было индивидуальные колебания отсутствуют.

Молекулярная биология не ограничивается изучением только ДНК. Она использует другие лабораторные методы для исследования эволюционной истории белков крови, таких, как гемоглобин и сывороточный альбумин, у различных животных. Винсент Сарич и Аллан Уилсон (Калифорнийский университет в Беркли) применили один из таких методов — иммунологические реакции — для измерения молекулярных различий в сывороточном альбумине животных. И вновь результаты согласовываются, как показывает левая таблица на (цифры представляют количества иммунологических различий в сравнении со стандартом, за который Сарич и Уилсон приняли сывороточный альбумин сенсибилизированного кролика).

Изучение молекул позволяет распутать эволюционный клубок

Метод гибридизации ДНК

Стараясь установить, насколько тесно родство между отдельными видами, ученые разработали для достижения этой цели три основных метода, опирающихся на измерение степени различий в ДНК исследуемых видов, а также в молекулах их белков. Метод гибридизации ДНК основан на исследовании генетического материала — дезоксирибонуклеиновой кислоты — и использует то счастливое обстоятельство, что ее молекулы состоят из двух цепочек, слагающихся из простых соединений. Цепочки закручены одна вокруг другой двойной спиралью и удерживаются в этом положении прочными связями. Методы лабораторных исследований позволяют разорвать связи между цепочками — разделить их, развернув двойную спираль. Если проделать это с ДНК человека и гориллы, а потом соединить одну цепочку ДНК человека с одной цепочкой ДНК гориллы, все химические связи между ними восстановятся, кроме тех мест, где звенья химически различаются. (На рисунке — два пробела там, где связи направлены в противоположные стороны.) Поскольку эти различия отражают мутации (генетические изменения, которые приводят к эволюции), близость родства между человеком и гориллой определяется по числу невосстанавливающихся химических связей. Именно эти различия в ДНК и делают человека человеком, а гориллу гориллой.

Метод сравнения аминокислотной последовательности белков

Второй способ определения эволюционного «расстояния» между двумя видами строится на сравнении белковых молекул, например молекул белков крови. Все белковые молекулы слагаются из одних и тех же кирпичиков — из 20 разных аминокислот, соединяющихся в длинные цепи в разном порядке. Белки человека, мыши и гориллы состоят из одних и тех же аминокислот, но различно расположенных, что и определяет, кто есть кто.

Сложные лабораторные методы позволяют теперь исследовать белковую молекулу от одного ее конца до другого и определять для каждого белка точное расположение 20 аминокислот, повторяющихся вновь и вновь в различных сочетаниях. Например, гемоглобин — белок красных кровяных телец — состоит из цепи, включающей 287 единиц аминокислот, последовательное расположение которых уже установлено для многих животных. Чем больше похожи эти последовательности, тем ближе родство данных животных, чем менее они похожи, тем родство отдаленнее.

У человека и шимпанзе последовательность расположения аминокислот гемоглобина совпадает полностью. Человек и горилла состоят в близком родстве — их гемоглобин имеет только два различия. А вот между гемоглобином человека и лошади имеются 43 различия. На упрощенном рисунке символами обозначено только шесть аминокислот, а не двадцать. Стрелки указывают на точки, где имеются различия.

Иммунологический метод

Анализ аминокислотной последовательности белков при всей его точности трудоемок, поскольку 20 аминокислот дают в белках сотни различных сочетаний. Иммунологический метод позволяет избежать кропотливого определения всей последовательности аминокислот. Он опирается на способность организма вырабатывать антитела для защиты от чужеродных белков, попадающих в кровь. Антитела, реагирующие с белками одного животного, будут реагировать и с белками близкородственных ему видов.

Если взять у человека альбумин, белок кровяной сыворотки, и впрыснуть его кроликам, в их крови начнут вырабатываться антитела, чтобы защитить организм от чужеродного вещества. На рисунке антитела обозначены оранжевым цветом. Сыворотку, содержащую антитела против альбумина человека, можно теперь использовать для измерения степени родства между человеком и различными животными. Смешанная с человеческим сывороточным альбумином, эта сыворотка (справа вверху) даст бурную реакцию, так как кролик выработал ее специально для борьбы с человеческим альбумином (пробирка доверху закрашена голубым цветом).

Альбумин кровяной сыворотки шимпанзе, лишь чуть-чуть отличающийся от человеческого, вызывает почти столь же бурную реакцию. Но сывороточный альбумин лошади очень отличается от человеческого и оказывает на такую кроличью сыворотку очень слабое воздействие.

Эта таблица выявляет несколько поразительных фактов. Она не только подтверждает результаты, полученные другими методами, показывая, что человек очень близок к горилле (только 8 различий), уже не так близок к гиббону (14 различий) и довольно далек от низших обезьян (32 различия), но и показывает, что низшие обезьяны равно удалены от остальных трех сравниваемых приматов. Эта равноудаленность позволяет сделать вывод, что низшие обезьяны разошлись с предком всех этих человекообразных обезьян одновременно и с тех пор темп эволюции альбумина кровяной сыворотки у них всех оставался удивительно постоянным. Другими словами, все они эволюционировали почти с одинаковой скоростью.

Для проверки этого важнейшего момента — скорости эволюции — Сарич и Уилсон вышли за пределы генеалогического древа приматов и сравнили приматов с хищниками. Результаты приведены в правой таблице. Число изменений альбумина кровяной сыворотки тут много выше, что указывает на гораздо большую древность разделения приматов и хищников, чем разделения самих приматов. Удивительно же в этих новых цифрах следующее: если не считать некоторого отклонения у долгопята, они практически совпадают, вновь доказывая, что все эти животные эволюционировали с одной скоростью.

Теперь нужно определить, какова же эта скорость. Ведь если мы сумеем количественно измерить степень эволюционных изменений и скорость, с которой они происходят, мы вернемся к знакомым задачам на время, расстояние и скорость из наших школьных учебников по арифметике. Зная две величины, мы можем вычислить третью. Наконец-то у нас появилась возможность точно измерять время эволюции тех или иных видов и с достаточной уверенностью отмечать места развилок на генеалогическом древе.