Как подружить гены в клетках. Коктейль молодости, светящиеся котики, напечатанные органы и другие прелести науки

«Плохие» гены неандертальцев

В 2016 году ученые-биомедики США, опираясь на электронные карты пациентов, собрали более чем 28 тыс. результатов генетического анализа взрослых европейцев. Анализ образцов показал, что есть четкая взаимосвязь между совокупностью аллелей неандертальского генома и наследственными заболеваниями и предрасположенностью к ним. Например, одни аллели связаны с риском развития неврологических и психических нарушений, сердечно-сосудистых заболеваний, другие могут провоцировать заболевания мочевыводящих путей и нарушение метаболизма. Неандертальские варианты генов влияют на чувствительность кожи к солнечному свету, на образование тромбов и даже на предрасположенность к никотиновой зависимости и расстройствам пищевого поведения [3].

У южноамериканских индейцев ученые выявили неандертальский вариант гена, который предрасполагает его носителей к диабету второго типа. Почему же древние люди подарили нам предрасположенность к некоторым заболеваниям? Дело в том, что сегодня некоторые функции организма просто утратили актуальность.

Например, повышенная свертываемость крови позволяла ранам быстрее затягиваться, а калорийная пища давала энергию для охоты. В современной жизни, в которой еда нам достается без физических усилий (достаточно дойти до ближайшего супермаркета), фрагменты геномов наших древних предков стали причиной тромбозов, неправильного обмена веществ, инсультов, легочной тромбоэмболии.

Секвенирование ДНК вымершего вида людей и сопоставление его результатов с данными медицинских карт современных европейцев – ценное исследование, которое дает возможность определить влияние генов на предрасположенность к заболеваниям, на их развитие и другие особенности человека.

Секвенирование ДНК – это процесс определения последовательности нуклеотидов (А, Т, С и G) в фрагменте ДНК. В результате секвенирования ДНК получают последовательности участков генов, целых генов или полных геномов организмов.

Резистентность к антибиотикам: бактерии из склепа

Группа ученых калифорнийского университета совместно с итальянскими и пуэрториканскими исследователями провела геномный анализ остатков кишечной микрофлоры пяти мумий инков и трех итальянцев X–XVIII веков. Ученые обнаружили устойчивость в отношении антибиотиков пенициллинового ряда, тетрациклинов и ванкомицина.

Результаты говорят о том, что устойчивость к антибиотикам появилась задолго до их эры, которая началась с успеха микробиолога Александра Флеминга. Эволюция антибиотикорезис-тентности (способности микробов противостоять действию антимикробных средств, в том числе и антибиотиков) длится уже пару миллиардов лет, так как основой для большинства антибиотиков в древности послужили природные соединения, которые находились в окружающей среде, например, в почве.

ПРИМЕЧАНИЕ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА

Чтобы проверить, есть ли у человека устойчивость к определенным антибиотикам, в настоящее время нужно взять у него биологический материал – мазок, слюну и др., в зависимости от предварительного диагноза и типа инфекции. Затем нужно вырастить бактерии из такого материала на специальной среде и применить к ним антибиотики. С мумиями так сделать не получится – те бактерии, которые в них были, уже умерли. Поэтому авторы статьи везде пишут, что, исходя из выявленных ими вариантов бактериальных генов, бактерии предполагаемо являются антибиотикорезистентными – проверить, действительно ли те бактерии были таковыми, невозможно.

Оригинальная статья: Santiago-Rodriguez, Т.М.; Forna-ciari, G.; Luciani, S.; Toranzos, G.A.; Marota, I.; Giuffra, V.; Cano, R.J. Gut Microbiome and Putative Resistome of Inca and Italian Nobility Mummies. Genes 2017, 8, 310. https://doi. org/10.3390/genes8110310

Другое дело, что результатом чрезмерного использования антибиотиков в XX веке, бесконтрольного и бессистемного их употребления стало ударное и глобальное распространение устойчивости к широкому спектру лекарств.

ПРИМЕЧАНИЕ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА

Бактерии размножаются очень быстро, а значит, все изменения, которые есть в их генах, они также быстро передают потомкам. Кроме того, бактерии просто могут обмениваться друг с другом генами. Резистентность к антибиотикам – это естественная особенность некоторых бактерий, и она тоже заложена в генах. Значит, такие бактерии будут существовать в любом случае. Однако, когда мы применяем антибиотики, многое зависит как от их количества, так и от того, что именно умеют бактерии в плане сопротивления. Именно те бактерии, которые после применения антибиотиков выживают, размножаются дальше. Значит, чем больше мы будем применять антибиотики при любой простуде, тем меньше они будут действовать, когда и правда нам понадобятся.

В этом открытии значится еще и тот факт, что кишечник, а именно его микробиом, – хранилище генов антибиотикоустойчивости. И здесь напрашивается вопрос о том, почему именно появились эти гены? Какие факторы на это повлияли? Пока вопрос остается открытым [4].

Неандертальцы вернули древние гены

Первые предки неандертальцев и денисовцев покинули Африку 500 тыс. лет назад, до появления человека разумного. Все эти тысячи лет они хранили аллели.

В тот момент, когда предки современных людей пришли на евразийский континент и пересеклись с ними, прошло около 400–450 тыс. лет. Сапиенсы на тот момент составляли лишь около 20 % от числа людей, которые вышли из Африки. В результате «бутылочного горлышка», то есть сокращения генетического разнообразия вида из-за сокращения его численности, они несли в себе малую часть генов общего предка.

То есть многие архаичные аллели в человеке разумном не дошли до Евразии. Неандертальцы и денисовцы, с которыми скрещивались сапиенсы, вернули архаичные гены предкам современного человека.

В результате анализа ДНК современных людей, сделанного в рамках проекта «1000 геномов», часть переданных от неандертальцев генов условно разделили на две группы [5].

Первая группа – это аллели, которые характеризуют общего предка неандертальцев и современных людей, но отсутствуют у евразийцев, которые пришли в Евразию. Они вернулись к ним позже в результате скрещивания с неандертальцами.

Вторая группа – это аллели, которые отсутствовали у общего предка неандертальцев и современных людей и возникли только у неандертальцев, а сейчас присутствуют у всех жителей Евразии. Примечательно, что эти аллели не характеризуют некоторые народы Африки.

У разных евразийцев количество аллелей первой и второй групп неодинаково.

Если в Восточной Азии преобладают варианты генов первой группы, а в Европе – второй, то в Южной Азии и те и другие представлены в достаточном количестве.

В процессе эволюции происходили всевозможные генетические комбинации и случайные мутации, которые до сих пор сохранились в геноме.

Неандерталец не прямой предок современного человека: раскол видов произошел давно, и общий предок пока не установлен. Американские ученые проанализировали генотипы трех древних людей и 279 современных. Оказалось, что наш геном отличается всего на 1,5–7% от генома древних людей [6]. Основная часть генетических изменений произошла еще до разделения неандертальцев и кроманьонцев (наших прямых предков) около 520–630 тыс. лет назад. Исследователи обнаружили доказательства того, что современный человек развивался поэтапно, не сразу отделившись от представителей других родов.

Палеогенетика призвана изучить влияние вымерших веток развития человека на наш род. Так, известно, что все неафриканские люди несут в себе 2–6% неандертальских генов, а некоторые народы Азии, Австралии получили еще и денисовские гены. Благодаря этим данным можно отследить перемещение человека по земному шару в процессе эволюции [7].

Интересно, что отличия в генах современного человека и неандертальца заключаются не только в областях, отвечающих за их регуляцию, но и в разной активности самих генов. Проще говоря, одни и те же гены работают с разной активностью [8].

Взяв на анализ образцы тканей трех неандертальцев возрастом около 120 тыс. лет, ученые обнаружили разницу в регуляции около 760 генов. Эти изменения могут влиять на работу сердечно-сосудистой, иммунной, зубочелюстной систем и опорно-двигательного аппарата.

Найдя в нашем генотипе следы неандертальцев, специалисты заинтересовались, как они могут влиять на современного человека. В одной работе немецкие исследователи в команде с коллегами из Швеции выяснили, что определенный набор вариантов неандертальских генов у женщины помогает лучше переносить беременность [9]. Для исследования были взяты данные около 450 тыс. образцов из биобанка Великобритании, а также данные биобанка Японии. У европейцев, коренных американцев, а также у некоторых азиатов с частотой от 2 % до 22 % обнаружили те самые варианты генов. Они оказались менее склонны к внезапным кровотечениям, выкидышам и в целом рожают больше детей. Все дело в особенном строении рецептора прогестерона – главного гормона, отвечающего за спокойное течение беременности.

ПРИМЕЧАНИЕ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА

Оригинальную статью можно найти вот здесь: Zeberg Н, Kelso J, Pââbo S. The Neandertal Progesterone Receptor. Mol Biol Evol. 2020 Sep l;37(9):2655–2660. doi: 10.1093/ molbev/msaall9. PMID: 32437543; PMCID: PMC7475037.

А если вы с детства не можете набрать массу, то, возможно, в вас просто есть те самые «гены неандертальца».

Екатерина Храмеева и Филипп Хайтович из Сколтеха сравнили генетический материал представителей 11 этнических групп: пяти европейских и по три азиатские и африканские группы [10].

Искали генетические варианты, характерные для неандертальцев, и выясняли, на что они влияют. Оказалось, что некоторые фрагменты генома неандертальца отвечают за состав и сжигание жира! Это связано с их миграцией и изменением обмена веществ.

Существует много признаков, по которым неандерталец выигрывает у современного человека, но, как показывает история, этого все равно было мало. Даже устойчивость, которая была у неандертальцев к вредным продуктам сгорания и дыму, не поспособствовала их выживанию [11]. Когда климатические изменения на юге Африки привели к тому, что территории из лесов превратились в саванны, у древних людей появился новый фактор естественного отбора: выживал тот, кто был менее восприимчив к пыли и аэрозольным частичкам опасных веществ. А появление огня усилило влияние продуктов сгорания на здоровье. Развитие скотоводства способствовало контакту людей и животных, следовательно, люди страдали от аллергии и инфекционных заболеваний. Через тысячелетия эти варианты генов немного затерялись: помимо положительного эффекта устойчивости к вредным воздействиям, они повышали вероятность болезней сосудистой системы, что могло привести к меньшей продолжительности жизни. Новые варианты генов, которые есть у нас, не дают такую большую устойчивость к инфекциям, но и не вызывают негативных последствий.

Как же неандертальцы могли повлиять на наш мозг? Например, у людей с большим количеством неандертальских вариантов гена строение черепа во многом напоминает строение черепа неандертальцев, особенно затылок. Так же в зависимости от того, насколько человек «богат» неандертальскими вариантами генов, отличается количество серого и белого веществ в определенных частях мозга [12].

Популярная в наше время тема – устойчивость к вирусной инфекции ковид-19 – также была изучена на предмет вклада генетических факторов. Более тяжелое течение болезни может быть вызвано наличием определенных генных комбинаций, которые достались нам от неандертальцев [13]. Такая комбинация очень распространена в Бангладеше и Южной Азии и редко встречается в Европе и почти никогда в Африке: вероятно, дело в том, что предки современных жителей теплого континента не выходили за пределы материка и не скрещивались с неандертальцами. Как раз в этих географических областях наблюдается большой процент тяжелых случаев болезни.

А чем же хорош Homo Sapience? Неожиданно, но в геноме наших предков были варианты генов, которые могут быть связаны с творчеством и коммуникацией [14]. Сапиенсы склонны к более глубокому и всестороннему анализу явлений, лучше находят причинно-следственные связи и способны творчески воспроизводить информацию. Большое количество изменений в геноме после разделения веток человеческого вида на Ното и неандертальцев затрудняет процесс поиска того самого гена, который связывают с творчеством и способностью к коммуникациям. Изучать это ученые начали издалека: выявляли гены, влияющие на обучение и память человека. И обнаружили, что совокупность таких генов характерна только для наших предков, появившихся 100 тыс. лет назад и позже. Вероятно, лучшая способность коммуницировать друг с другом и добиваться целей не в одиночку позволила сапиенсам получить эволюционное преимущество в гонке за выживание. Поэтому только умение разговаривать друг с другом и дружить позволит нам развиваться дальше, без этих навыков мы просто вымрем, как неандертальцы.