Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.995 RSS
←   Ноябрь 2006   →
 1
01.11.2006
04:29:46
15:16:53
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
08.11.2006
15:17:42
17:02:38
 9
10
11
12
13
13.11.2006
03:36:06
04:31:10
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.995 подписчиков
-1 за неделю
←   Все выпуски   →

Люди отличаются от шимпанзе не тем, чем хотели


«Хронология далекого прошлого»

Хронология далекого прошлого

18 тысяч лет назад...
330 миллионов лет назад...
Откуда берутся эти цифры? Насколько им можно доверять?

Статья доктора биологических наук Александра Маркова открывает на «Элементах» раздел Методология науки

Люди отличаются от шимпанзе не тем, чем хотели

30.11.2006

По-видимому, превосходство умственных способностей человека перед шимпанзе закодировано очень малым числом генов (изменением их последовательности или уровня экспрессии), и найти эти гены непросто. Фото с сайта thegreenman.net.au
По-видимому, превосходство умственных способностей человека перед шимпанзе закодировано очень малым числом генов (изменением их последовательности или уровня экспрессии), и найти эти гены непросто. Фото с сайта thegreenman.net.au

Прочтение генома человека предоставило ученым большой объем информации о структуре нашего генома и особенностях нашей эволюции. Недавно прочтен и полный геном шимпанзе — нашего самого близкого современного родственника. В попытках найти генетическую причину различий между умственными способностями человека и шимпанзе было проведено несколько сравнительно-геномных анализов, результаты которых говорят о том, что быстрой молекулярной эволюции генов нервной системы у человека не наблюдалось. Видимо, скачок в умственных способностях человека обусловлен изменениями в очень малом числе генов, которые сложно детектировать. Напротив, гены, участвующие в функционировании семенников, демонстрируют массовое и быстрое накопление благоприятных мутаций как у человека, так и у шимпанзе.

Поведение и умственные способности человека находятся на качественно новом уровне по сравнению с обезьяньими. Разумно предположить, что эти различия имеют генетическую природу и, следовательно, должны быть заметны на сравнительно-геномном уровне. Поскольку полный геном человека и шимпанзе уже прочитан, этот вопрос стало возможно исследовать. До недавнего времени дарвиновский, или положительный, отбор, связанный с накоплением благоприятных мутаций, у человека было показан лишь для нескольких генов, тогда как в своей массе различия между геномом человека и шимпанзе носят нейтральный характер — то есть это случайные молекулярные изменения, зафиксированные в популяции шимпанзе или человека, которые серьезно не влияют на функционирование генов.

Широкое сравнительное исследование геномов человека и шимпанзе, проведенное немецкими учеными, было опубликовано в журнале Science в прошлом году (Khaitovich P. et al. 2005). Последовательности генов человека и шимпанзе были проанализированы на компьютере с использованием достаточно нового подхода: сравнивался уровень экспрессии (то, насколько интенсивно синтезируется продукт данного гена) гомологичных генов человека и шимпанзе, то есть генов, произошедших от одного и того же гена их общего предка.

Ученые изучили уровень экспрессии 21 тысячи генов в сердце, почках, печени, семенниках и мозге у 6 людей и 5 шимпанзе. Оказалось, что различия в уровне экспрессии положительно коррелируют с уровнем молекулярной дивергенции. То есть если сравниваемые гены имеют большое различие по уровню экспрессии (expression divergence, ось Y на графике), то они сильно отличаются и по своей нуклеотидной последовательности (Ka/Ki, ось X на графике). Далее, после усреднения характеристик генов по каждой из пяти изучаемых тканей, получилось, что меньше всего изменились гены, экспрессирующиеся в ткани мозга (черный квадрат) и далее по возрастающей: в сердце (красный), почках (зеленый), печени (синий) и семенниках (голубой).

Почему гены печени и семенников эволюционируют быстрее, чем гены ткани мозга и сердца? Возможны два объяснения: (1) быстро эволюционирующие гены менее важны, то есть их функционирование меньше влияет на приспособленность всего организма, поэтому они случайно накопили много мелких почти нейтральных мутаций (нейтральная теория молекулярной эволюции); (2) быстро эволюционирующие гены накопили благоприятные мутации, адаптивно влияющие на их функцию. Для выбора одного из этих двух объяснений верхнего графика недостаточно.

Дополнительную информацию может дать нижний график. Вначале посмотрим на внутривидовую дивергенцию. Из рисунка видно, что дендрограммы более компактны для генов ткани мозга и семенников, что говорит о важности поддержания одного и того же уровня их экспрессии внутри каждого вида. Разбросанные дендрограммы для генов сердца, почек и печени говорят о меньшей важности и меньшей консервативности уровня экспрессии этих генов на внутривидовом уровне.

Различия в уровне экспрессии тканеспецифичных генов между людьми (H, от human) и шимпанзе (C, от chimp). Длина отрезков пропорциональна различиям в уровне экспрессии и нарисована в едином масштабе для всех тканей (мозг, сердце, почки, печень, семенники). Рис. из статьи Khaitovich et al. 2005
Различия в уровне экспрессии тканеспецифичных генов между людьми (H, от human) и шимпанзе (C, от chimp). Длина отрезков пропорциональна различиям в уровне экспрессии и нарисована в едином масштабе для всех тканей (мозг, сердце, почки, печень, семенники). Рис. из статьи Khaitovich et al. 2005

Как оценить прошедший дарвиновский отбор, влияющий на уровень экспрессии генов? Считается, что если отношение межвидовой изменчивости в уровне экспрессии (длина отрезка, соединяющего два вида) к внутривидовой (длина веточек внутри каждого вида) значимо больше единицы, то в молекулярной эволюции данных генов был момент дарвиновского отбора, то есть произошла фиксация мутаций, положительно влияющих на функционирование данных генов.

Получается, что лишь гены семенников показывают высокую вероятность того, что на уровень их экспрессии влиял дарвиновский отбор. Само по себе это неудивительно. Гены, вовлеченные в сперматогенез и влияющие на семенную жидкость, участвуют в конкуренции с семенной жидкостью других самцов и защищают сперматозоиды от патогенов; гены, участвующие в узнавании гамет, претерпевают постоянную эволюционную гонку вооружений, появляющуюся из-за неравноправия полов: самцу выгодно, чтобы самка вложила как можно больше энергии в их потомка, тогда как самка должна регулировать и сдерживать эти эгоистичные желания, заботясь о своем здоровье и силах, необходимых для выращивания следующих потомков (самцу об этом думать не надо — он вкладывает в потомство мало энергии). Все эти аргументы говорят о том, что скорость эволюции генов, участвующих в сперматогенезе, должна быть высокой у всех половых видов, и человек в этом отношении не уникален.

Но как быть с отсутствием следов положительного отбора у генов мозга? Ученые не сдавались и провели еще один анализ. Они оценили число аминокислотных замещений в линиях, ведущих к человеку и шимпанзе, восстановив предполагаемую исходную аминокислотную последовательность общего предка человека и шипанзе с помощью данных из генома их общего более далекого родственника — крысы. То есть они «укоренили» филогенетическое дерево человека и шимпанзе — поставили на каждой дендрограмме между видами точку, от которой они начали свое расхождение. Если эволюция была нейтральная и равномерная, эта точка будет находиться посередине, а если одна из линий накапливала замещения быстрее — то точка общего предка сдвинется с центра.

И вот наконец-то (!) оказалось, что точка общего предка на дендрограмме генов, экспрессирующихся в ткани мозга, лежит ближе к шимпанзе — в линии, ведущей к человеку, было накоплено в 1,4 раза больше аминокислотных замещений. Теперь можно было надеяться, что именно эти аминокислотные замены сделали человека Человеком и что найдено рациональное зерно его эволюции.

Кстати, для генов семенников это отношение близко к единице (1,04), то есть хотя эволюция генов семенников была и быстрой (см. выше), но она шла равномерно как в линии человека, так и в линии шимпанзе — а значит, дарвиновский отбор шел в обеих линиях равномерно.

Однако радость ученых была недолгой. Недавно в журнале Trends In Genetics биологи из Мичиганского университета в г. Анн-Арбор опубликовали работу, в которой они расширили компьютерный генетический анализ генома человека и шимпанзе (Shi et al. 2006). Для укоренения дерева они использовали геном макаки. Применив пять разных определений того, что такое ген, специфичный для ткани мозга (1–3, согласно трем разным методикам, — те гены, которые экспрессируются только в ткани мозга; 4 — описанный в литературе список генов, вовлеченных в развитие и функционирование нервной системы; 5 — объединение всех генов, выявленных хотя бы в одном из подходов), ученые ни в одном из этих случаев не смогли показать значимо больший темп накопления аминокислотных замещений в линии, ведущей к человеку.

Эволюционное дерево человека, шимпанзе и макаки. Сравнительный размер головного мозга. Рис. из статьи Shi et al. 2006
Эволюционное дерево человека, шимпанзе и макаки. Сравнительный размер головного мозга. Рис. из статьи Shi et al. 2006

Анализ осложнялся тем, что геном шимпанзе прочтен менее качественно — в нем содержится больше ошибок, чем в человеческом, что может скрыть положительный отбор в линии человека. Проведя серию статистических анализов и учитывая потенциальное влияние ошибок в геноме шимпанзе, ученые доказали, что при происхождении человека не наблюдалось универсального и масштабного накопления аминокислотных изменений в генах, участвующих в работе нервной ткани.

Но ведь мы все-таки умнее шимпанзе и относительный размер мозга у нас больше! Видимо, развитие наших умственных способностей закодировано очень малым числом генов (изменением их последовательности или уровня экспрессии), и эти изменения не влияют на усредненные характеристики по всем генам нервной системы.

Источники:
1) Philipp Khaitovich, Ines Hellmann, Wolfgang Enard, Katja Nowick, Marcus Leinweber, Henriette Franz, Gunter Weiss, Michael Lachmann, Svante Pääbo. Parallel Patterns of Evolution in the Genomes and Transcriptomes of Humans and Chimpanzees // Science. 2005. V. 309. P. 1850-1854.
2) Peng Shi, Margaret A. Bakewell, Jianzhi Zhang. Did brain-specific genes evolve faster in humans than in chimpanzees? (Pdf, 300 Кб) // Trends In Genetics. 2006. V. 22. P. 608-613.

Константин Попадьин

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

29.11 Деньги воспитывают целеустремленных эгоистов

Команда экономистов и психологов, проведя серию экспериментов, показала, что одно лишь напоминание о деньгах приносит людям ощущение независимости и самодостаточности. Оборотной стороной этого явления оказался эгоизм: вспомнив о деньгах, испытуемые отказывались от помощи и переставали помогать другим.

28.11 Великое вымирание 250 миллионов лет назад привело к резкому усложнению морских экосистем

Статистический анализ 1176 палеонтологических коллекций подтвердил, что массовое вымирание на рубеже палеозойской и мезозойской эр привело к радикальному изменению структуры морских сообществ. В обновленных, более сложных и разнообразных сообществах стали преобладать подвижные животные, а экологические связи между видами стали более тесными.

28.11 Открыта полезная роль «вредных» активных форм кислорода

Считается, что активные формы кислорода (АФК), образующиеся как побочный продукт клеточного дыхания в митохондриях, повреждают белки, липиды и ДНК, приводя к старению клеток. Однако испанские ученые обнаружили, что АФК внутри клетки выполняют также важную компенсаторную сигнальную функцию, активируя синтез мтДНК и регулируя дыхательную активность клетки.

27.11 Разгадан механизм регенерации конечностей

Процесс регенерации утраченных конечностей сходен с их формированием во время эмбрионального развития. Включая и выключая определенные гены, можно не только отключить регенерацию у животных, способных к ней, но и включить ее у тех, которые эту способность потеряли. В частности, удалось включить процесс регенерации утраченного крыла у цыпленка.

27.11 Насколько опасно для квантовой системы взаимодействие с окружающим миром?

Оказывается, электронам тоже свойственно «чувство плеча»: многоэлектронная квантовая система гораздо лучше сопротивляется дестабилизирующему воздействию окружающего мира, чем одна-единственная квантовая частица.

23.11 Развитие червей начинается с хвоста

Германские биологи расшифровали механизм, управляющий делением клеток развивающегося эмбриона червя Caenorhabditis elegans. Оказалось, что одна из клеток эмбриона выделяет сигнальное вещество, которое заставляет остальные клетки делиться в определенном направлении. Та часть зародыша, где расположена клетка P2, становится его задним концом.

21.11 Лесные пожары скорее приводят не к потеплению климата, а к похолоданию

Участившиеся лесные пожары, казалось бы, должны способствовать дальнейшему потеплению, ведь в атмосферу выбрасывается СО2 и другие парниковые газы. Однако в долгосрочном плане они приводят скорее к похолоданию: после уничтожения древесной растительности больше солнечного света отражается от земной поверхности.

20.11 Полный геном неандертальца будет прочтен через два года

Сразу две международные команды ученых сообщили о начале работы по прочтению полного генома неандертальца. На сегодняшний день удалось прочесть фрагменты общей длиной около миллиона нуклеотидов, что составляет 0,04% полного генома. Свидетельств гибридизации между нашими предками и неандертальцами пока не найдено.

20.11 Люди древнекаменного века хоронили новорожденных младенцев с почестями

В Австрии обнаружены останки трех новорожденных младенцев, погребенных с соблюдением сложных обрядов 27 000 лет назад. Это первое известное науке палеолитическое погребение новорожденных. Оно показывает, что уже в то время наши предки относились к новорожденным с определенным уважением и считали их в каком-то смысле полноценными членами общества.
В избранное