Сколько генов отличает человека от шимпанзе

Вопрос о том, что именно делает человека человеком, занимал философов задолго до появления генетики как науки. С развитием молекулярной биологии этот вопрос приобрёл конкретное научное измерение — стало возможным сравнивать геномы разных видов с точностью до отдельного нуклеотида. Наиболее захватывающим объектом подобного сравнения оказался шимпанзе — наш ближайший живой родственник, с которым человек разошёлся эволюционно около 6-7 миллионов лет назад. Именно сравнение геномов этих двух видов поставило перед наукой один из самых интригующих вопросов современной биологии — как столь небольшие генетические различия порождают столь разительные отличия в строении, поведении и интеллекте. Ответ на этот вопрос оказался значительно сложнее, чем предполагали исследователи в начале геномной эры.

Знаменитые 98-99% сходства — что стоит за этой цифрой

Утверждение о том, что геномы человека и шимпанзе совпадают на 98-99%, давно стало хрестоматийным фактом, тиражируемым в учебниках и научно-популярных изданиях. Однако за этой красивой цифрой скрывается значительно более сложная реальность.

Расшифровка генома шимпанзе, завершённая в 2005 году международным консорциумом учёных, позволила провести детальное сравнение с человеческим геномом. Результаты оказались одновременно подтверждающими и опровергающими устоявшиеся представления.

Конкретные показатели сходства и различия выглядят следующим образом:

• однонуклеотидные различия — замены отдельных «букв» ДНК — составляют около 1,23% от общего числа нуклеотидов, что в абсолютных числах соответствует примерно 35 миллионам точечных отличий;
• инсерции и делеции — вставки и выпадения участков ДНК — добавляют ещё около 1,5% различий, которые цифра «98-99%» традиционно не учитывает;
• структурные вариации — крупные перестройки хромосом, инверсии и транслокации — затрагивают около 2,7% генома и также остаются за рамками простого подсчёта совпадений;
• суммарное реальное различие, с учётом всех типов генетических отличий, оценивается современными исследователями примерно в 4-5% — вдвое больше, чем следует из привычного утверждения.

Таким образом, знаменитое «1-2% различий» является упрощением, учитывающим лишь один из нескольких типов генетических отличий. Полная картина значительно богаче — и именно это обилие разных видов вариаций объясняет, почему два генетически близких вида могут так разительно отличаться друг от друга внешне и по способностям.

Сколько генов различается — конкретные числа

Человеческий геном содержит около 20 000-25 000 белок-кодирующих генов. Именно эти гены определяют строение белков, из которых состоит организм, — и сравнение этой части генома двух видов даёт наиболее конкретные цифры различий.

По данным сравнительной геномики, около 29% белок-кодирующих генов человека и шимпанзе кодируют идентичные белки — то есть в их последовательности нет ни одного различия. Оставшиеся 71% генов различаются хотя бы в одном аминокислотном остатке — от минимальных изменений до принципиальных структурных отличий.

Особый интерес представляют гены, уникальные для человека или шимпанзе.

1. Гены, присутствующие у человека, но отсутствующие у шимпанзе — так называемые «человекоспецифичные» гены — насчитывают несколько сотен. Часть из них возникла в результате дупликации существующих генов с последующей функциональной специализацией. Ген ARHGAP11B, появившийся около 3,5 миллиона лет назад в результате частичной дупликации другого гена, участвует в увеличении коры головного мозга и рассматривается как один из ключевых факторов эволюции человеческого интеллекта.
2. Гены, утраченные в линии человека по сравнению с шимпанзе, насчитывают около 50-80 штук и формируют так называемый «потерянный геном» человека. Утрата гена MYH16 — кодировавшего особый мышечный белок жевательной мускулатуры — привела к уменьшению размеров височных мышц и, по мнению ряда исследователей, освободила место для роста мозговой части черепа. Потеря гена SRGAP2 в его исходной форме сопровождалась появлением его дуплицированной версии, влияющей на развитие нейронных связей.
3. Гены, претерпевшие ускоренную эволюцию в линии человека — HAR-гены, от английского «Human Accelerated Regions» — представляют особый интерес для понимания того, что делает нас людьми. Регион HAR1 является частью гена, активного исключительно в развивающемся человеческом мозге с 7 по 19 неделю беременности. При сравнении с шимпанзе в этом регионе обнаружено 18 изменений — при том что в геноме курицы и шимпанзе, разошедшихся 310 миллионов лет назад, в том же участке накопилось лишь 2 отличия.

Совокупность этих данных показывает, что разница между геномами двух видов определяется не одним показателем, а сложным набором изменений — от точечных мутаций до появления принципиально новых генов. Именно комбинация всех этих отличий и создаёт биологическую основу для тех качеств, которые мы считаем уникально человеческими.

Почему маленькие различия дают огромный эффект

Парадокс генетической близости человека и шимпанзе состоит в следующем — как незначительные по меркам всего генома отличия порождают такую разницу в строении, поведении и когнитивных способностях? Ответ на этот вопрос является одним из ключевых направлений современной молекулярной биологии.

Принципиально важную роль играют не только сами гены, но и элементы, регулирующие их работу. Регуляторные последовательности ДНК определяют, в каких клетках, в какое время и в каком объёме считывается тот или иной ген. Небольшое изменение в регуляторном элементе способно кардинально изменить характер экспрессии гена — и тем самым повлиять на развитие целого органа.

Конкретные механизмы, объясняющие значительные фенотипические различия при малом генетическом расстоянии, включают несколько направлений:

• изменения в регуляторных элементах генов влияют на время и место их включения в процессе эмбрионального развития, что меняет пропорции и структуру органов;
• эпигенетические различия — паттерны метилирования ДНК и модификации гистонов — определяют, какие гены активны в конкретных тканях, без изменения самой последовательности ДНК;
• различия в некодирующих РНК — молекулах, не кодирующих белки, но регулирующих активность других генов — оказались значительно больше, чем различия в белок-кодирующих генах;
• альтернативный сплайсинг — процесс, при котором один ген может порождать несколько разных белков — у человека и шимпанзе происходит по-разному, многократно умножая функциональные различия при формально небольшом числе генетических отличий.

Все перечисленные механизмы действуют не по отдельности, а в совокупности — создавая эффект, несопоставимо больший, чем можно было бы ожидать от простого подсчёта генетических различий. Именно это объясняет, почему вопрос «сколько генов отличает» не имеет простого ответа — важна не столько цифра, сколько то, где именно и как именно реализуются различия.

Ключевые гены, отличающие человека

Среди тысяч генетических различий наука выделила несколько особенно значимых — тех, что прямо связаны с уникальными человеческими способностями. Именно они позволяют ответить на вопрос о том, какие именно гены «делают нас людьми».

Наиболее изученные гены, отличающие Homo sapiens от шимпанзе, показывают следующее.

1. Ген FOXP2 часто называют «геном языка» — его мутации у людей приводят к тяжёлым нарушениям речи и языкового мышления. У шимпанзе этот ген присутствует, однако отличается двумя аминокислотными заменами по сравнению с человеческой версией. Именно эти два изменения, по мнению ряда учёных, критически важны для тонкой моторики артикуляционного аппарата и нейронных механизмов усвоения языка.
2. Ген ASPM и связанный с ним ген Microcephalin регулируют размер мозга в процессе развития. Мутации в этих генах у людей вызывают микроцефалию — состояние, при котором мозг остаётся аномально маленьким. Анализ эволюционных изменений в данных генах показал признаки положительного отбора именно в линии гоминин — то есть варианты, увеличивающие мозг, активно закреплялись на протяжении нескольких миллионов лет.
3. Ген AMY1, кодирующий слюнную амилазу — фермент для расщепления крахмала — у людей присутствует в значительно большем числе копий, чем у шимпанзе. Среднее число копий у людей составляет около шести, тогда как у шимпанзе — всего две. Это различие напрямую связано с переходом предков человека на богатую крахмалом диету из клубней и злаков.
4. Ген NOTCH2NL — молодой человекоспецифичный ген, возникший около 3-4 миллионов лет назад, — влияет на количество нейронов в коре головного мозга. Исследования 2018 года показали, что введение этого гена мышам приводит к увеличению числа корковых нейронов и задержке их созревания. Именно этот механизм рассматривается как один из ключевых в эволюции человеческого интеллекта.

Каждый из описанных генов является лишь частью масштабной картины — ни один из них в отдельности не объясняет всей сложности различий между видами. Именно совместное действие сотен таких генетических изменений и сформировало человека как биологический вид с уникальными когнитивными и физиологическими характеристиками.

Хромосомные различия — структура генома

Помимо отдельных генов, человек и шимпанзе различаются на уровне хромосомной организации генома. Эти структурные отличия столь же важны для понимания эволюционного расхождения двух видов, как и точечные генетические различия.

Наиболее очевидное хромосомное отличие — у человека 46 хромосом, тогда как у шимпанзе их 48. Объяснение этого факта является одним из наиболее элегантных в эволюционной биологии — вторая хромосома человека представляет собой результат слияния двух предковых хромосом, соответствующих хромосомам 2a и 2b шимпанзе.

Кроме слияния, геномы двух видов различаются следующими структурными особенностями:

• многочисленными инверсиями — разворотами участков хромосом, которые меняют порядок генов, не затрагивая их последовательность;
• различиями в числе копий отдельных генных семейств — у человека одни гены представлены большим числом копий, у шимпанзе — другие;
• различным расположением и активностью транспозонов — «прыгающих генов», составляющих значительную долю обоих геномов.

Структурные отличия хромосом наглядно демонстрируют, что сравнение двух геномов невозможно свести к простому подсчёту разных нуклеотидов. Перестройки на уровне целых хромосомных сегментов влияют на то, как гены регулируются и взаимодействуют, — даже если их собственные последовательности полностью идентичны у обоих видов.

Генетическая близость человека и шимпанзе — это не повод для разочарования, а повод для удивления перед тем, насколько тонкие изменения способны порождать принципиально новые биологические возможности. Продолжающееся изучение человекоспецифичных генов и регуляторных элементов обещает в ближайшие десятилетия дать ответы на вопросы, которые философы задавали тысячелетиями — о природе языка, сознания и творческого мышления. При этом каждое новое открытие не отдаляет нас от наших эволюционных родственников, а напоминает о глубоком единстве всей жизни на планете — единстве, в котором различия столь же важны, сколь и сходства.