популяций к окружающей среде
Мы упомянули, что природа не делает скачков. А еще она не делает подарков биологу: пути ее разнообразны и сложны – это настоящий клубок, который не так легко распутать. Понятие естественного отбора открывает для нас длинный ряд разных форм и вариантов, которые сегодня позволяет изучить генетика. Таким образом, будь то отбор на уровне вида или локальный отбор, – положительный отбор может идти самыми разными эволюционными путями. Каждая из этих форм отбора оставляет вокруг отобранной области генома очень характерные молекулярные сигнатуры, выявляемые сегодня при помощи постоянно совершенствующихся методов статистики. Эти тесты, исходя из природы анализируемых генетических данных, могут рассказать нам об эпохе, в которую произошел отбор.
Согласно модели так называемого классического селективного выметания, положительный отбор действует в отношении возникшей благоприятной мутации, благодаря чему частота ее появления будет увеличиваться. Случай с геном FOXP2 является хорошим примером селективного выметания на уровне человеческой родословной. Но существуют и альтернативы этой классической модели – например, отбор существующего разнообразия, который подразумевает сохранение уже присутствующего в популяции аллеля, частота встречаемости которого будет увеличиваться вслед за изменениями окружающей среды. Другая альтернатива – это полигенный отбор: такая модель описывает одновременный отбор мутаций во многих генах. В этом случае, в отличие от классического селективного выметания, каждая мутация вносит лишь небольшой вклад в увеличение адаптации. Наконец, адаптация к окружающей среде может также происходить благодаря стабилизирующему отбору – форме естественного отбора, сохраняющей функциональное разнообразие.
Если говорить о человеческих популяциях, то локальный отбор на основе модели классического стабилизирующего выметания, несмотря на свою редкость, остается самым исследованным механизмом. Полногеномный анализ в различных популяциях планеты позволил нам выявить несколько сотен областей генома, где отмечаются свидетельства положительного отбора в период между 45 000 и 1500 лет назад. Эти области генома были идентифицированы на основании молекулярных сигнатур, характерных для положительного отбора – таких, как степень дифференциации популяции или размер гаплотипов[80]. Все эти исследования сходятся во мнении, что отбор, связанный с адаптацией человека к меняющейся окружающей среде, воздействует на специфические благоприятные мутации в популяции или в географическом регионе. В свою очередь эти мутации влияют на меняющиеся фенотипические признаки индивида – такие, как рост, пигментация кожи, иммунный ответ, переносимость лактозы, метаболизм жирных кислот или уровень гемоглобина в крови.
В 2008 году мы решили проверить предположение, что изменчивость фенотипов, наблюдаемая в популяциях людей, отражает различия в локальной генетической адаптации. Для этого мы использовали пангеномный[81] подход, оценив степень различия для около 2,8 миллиона мутаций в нескольких человеческих популяциях. Мы увидели, что положительный отбор усилил главным образом те различия между популяциями, которые касаются несинонимических мутаций, а также мутаций, локализованных в регуляторных участках ДНК. Наше исследование одним из первых показало, что естественный отбор обеспечивает локальную адаптацию популяций путем повышения вариабельности некоторых генов. Благодаря пангеномному подходу нам удалось идентифицировать более 500 генов, подвергшихся сильному воздействию отбора в отдельных популяциях. Функции этих генов очень разнообразны: одни отвечают за пигментацию кожи, другие – за взаимодействие организма с патогенами или за метаболический синдром (ожирение, диабет, повышенное давление). Кроме того, этот подход позволил нам показать на уровне целого генома, что генетические различия между географически удаленными друг от друга популяциями в значительной степени усиливаются явлениями локальной адаптации к окружающей среде.
Позднее десятки других исследований, используя разные статистические методы, проверили и подтвердили это предположение. Например, в 2013 году команда Пардис Сабети из Гарвардского университета воспользовалась полученными при реализации проекта «1000 геномов» полногеномными последовательностями, чтобы изучить масштабы положительного отбора в различных популяциях мира. При этом исследователи идентифицировали более 400 областей генома, потенциально затронутых положительным отбором: из них 35 они охарактеризовали как «очень устойчивые» – учитывая мутации, меняющие белковую последовательность.
Однако основной проблемой всех этих исследований является обнаружение областей ложноположительных сигналов[82], потому что довольно значительная часть генов – кандидатов для положительного отбора изучена не более, чем в одном исследовании, и их участие в отборе не подтверждено другими. Фактически восстановить полную картину того, каким образом локальный отбор повлиял на фенотипическую изменчивость человека, пока очень трудно. Прежде всего нужно идентифицировать области генома, где проявляется действие отбора, затем – фенотипы, на которые воздействует отбор, и, в идеале, – внешние условия, его определяющие. Тем не менее изучение локального отбора в популяциях, живущих в экстремальных условиях или имеющих своеобразную диету, дает нам возможность лучше понять адаптивную природу физиологического ответа человека на воздействие окружающей среды. Ниже мы обратимся к ряду самых убедительных примеров локальной адаптации человека – как на генетическом, так и на фенотипическом уровне.
Усвоение молока: знаковый случай положительного отбора
Существует один знаковый случай положительного отбора у человека, который часто приводится в пример: это ген лактазы LCT, отвечающий за переносимость лактозы во взрослом возрасте. У большинства людей способность переваривать лактозу, в значительном объеме присутствующую в молоке, быстро снижается после отлучения в младенческом возрасте от груди. Тем не менее, мы уже давно наблюдаем большое разнообразие этого фенотипа в различных человеческих популяциях – представители некоторых из них переваривают молоко и во взрослом возрасте. Существует явная корреляция между способностью переваривать молоко и образом жизни: у представителей популяций, чей образ жизни основан на земледелии и скотоводстве, чаще встречается фенотип переносимости лактозы. Это популяции Северной Европы и, в меньшей степени, Центральной и Южной Европы, а также популяции Ближнего Востока, Восточной Африки, Центральной и Южной Азии. На основании такой корреляции исследователи выдвинули гипотезу, что переносимость лактозы стала преимуществом при отборе: потребление свежего молока и молочных продуктов в северных широтах позволило людям получать достаточное количество калорий и усваивать кальций, а в засушливых зонах – увеличивать объем потребляемой влаги за счет содержащейся в молоке воды. Таким образом, культурные нововведения – такие, как скотоводство и использование его продуктов, – создают «удобные случаи» для адаптации, которые отражаются в геноме и участвуют в биологическом формировании вида и его эволюции.
В течение последних двадцати лет эта гипотеза была многократно подтверждена. Было обнаружено, что способность переваривать молоко во взрослом возрасте – в силу устойчивости экспрессии гена LCT – находится под генным контролем: впервые регулирующая мутация экспрессии гена LCT (T-13910) была идентифицирована у европейцев. После этого были определены и другие мутации (C-14010, G-13915, G-13907), связанные с перевариванием молока взрослыми людьми в других популяциях – в Африке и на Ближнем Востоке. Например, мутация C-14010 чаще всего встречается в популяциях скотоводов Танзании и Кении, а мутации G-13915 и G-13907 распространены на севере Судана, но присутствуют также и в Кении.
