Естественный отбор сформировал на сотни больше человеческих генов, чем считалось

Фото из открытых источников

Масштабное исследование древних геномов показало, что естественный отбор действовал на сотни человеческих генов на протяжении недавней доисторической эпохи, а не всего лишь на несколько десятков, как считалось ранее. Результаты нового исследования опубликованы в журнале Nature.

В работе, в ходе которой был проанализирован ДНК почти 16 000 человек за период около 18 000 лет, было установлено, что естественный отбор воздействовал на 479 вариантов генов в Западной Евразии — это значительно больше, чем 21 случай, ранее выявленный в результате анализа древней ДНК.

Более 60 процентов этих вариантов имеют известные связи с признаками, которые мы можем измерить сегодня, включая цвет кожи, риск заболеваний, группу крови и даже предрасположенность к алкоголизму. По-видимому, селекция ускорилась после появления земледелия, поскольку новый образ жизни оказал новое давление на биологию человека.

«Эта единственная статья вдвое увеличивает объем литературы по древней ДНК человека», — заявил ведущий автор исследования Дэвид Райх из Гарвардского университета . «Она отражает целенаправленные усилия по заполнению пробелов, которые ограничивали возможности предыдущих исследований по выявлению селекции».

Естественный отбор — это краеугольный камень биологии, движущий эволюционными изменениями. Хотя мутации отдельных генов случайны, давление окружающей среды отсеивает те, которые вредят выживанию, и усиливает те, которые помогают индивиду выжить достаточно долго, чтобы размножаться, в результате чего полезные гены распространяются в популяциях со скоростью, превышающей ожидаемую случайную.

Классический пример из недавней доисторической эпохи человечества — это персистенция лактазы: мутация, которая поддерживает активность фермента, расщепляющего лактозу, во взрослом возрасте. Она быстро распространилась среди молочных фермеров в Европе и Африке, предположительно потому, что способность пить молоко давала значительное преимущество в питании.

Казалось бы, этот эффект легко заметить во множестве генов, но на самом деле все несколько сложнее. Во-первых, исследователям приходилось полагаться на экстраполяцию данных из современных геномов, по сути, занимаясь детективной работой с сигналами, которые оставляет после себя отбор.

Например, если какой-либо вариант гена встречается крайне часто у европейцев, но редко у жителей Восточной Азии, генетик может предположить, что что-то способствовало его распространению в одной группе, но не в другой.

Сложность заключается в том, что это явление не обязательно должно быть результатом естественного отбора. Существуют и другие сценарии, которые могут оставлять похожие следы. Возьмем, к примеру, эффект основателя. Это явление, при котором популяция проходит через «генетическое узкое место» — период, когда в популяции было очень мало особей.

Можно представить, что это происходит, например, когда небольшая группа семей отделяется от своего исконного населения, пересекая горный хребет, и расселяется по землям за его пределами.

Эта группа не будет в точности представлять собой население, которое они оставили после себя, поэтому будут различия, которые они передадут своим потомкам. Несмотря на то, что эти гены не дают никаких преимуществ или недостатков, некоторые из них в итоге окажутся более или менее распространенными в новой популяции, чем в старой.

Оглядываясь назад, современному ученому, заметившему это несоответствие, будет трудно определить, было ли различие между двумя популяциями результатом отбора или же чистой случайностью.

Именно в этом и заключается отличие данного нового исследования. Потратив семь лет на создание коллекции последовательностей ДНК древних народов, живших в Западной Евразии – на территории современной Европы и части Ближнего Востока, – исследователи смогли наблюдать за тем, как происходили генетические изменения во времени и пространстве, вместо того чтобы делать ретроспективные выводы на основе современных геномов.

В своей работе они опирались на новые данные о 10 016 древних индивидах из Западной Евразии, к которым добавили 5820 ранее опубликованных древних последовательностей и 6438 современных.

Кроме того, они разработали новые вычислительные методы для выделения сигнала направленного отбора из других причин изменения частоты генов, таких как миграция, смешение популяций и случайные флуктуации, которые происходят в малых популяциях и вызывают эффект основателя.

«Благодаря этим новым методам и большому объему древних геномных данных мы теперь можем наблюдать, как отбор формировал биологию в реальном времени», — сказал соавтор исследования Али Акбари. «Вместо того чтобы искать следы естественного отбора в современных геномах, используя простые модели и предположения, мы можем позволить данным говорить самим за себя».

Одним из 479 вариантов генов, для которых были обнаружены доказательства направленного естественного отбора, был CCR5-Δ32. Этот вариант обеспечивает полную устойчивость к ВИЧ-1 у людей, имеющих две его копии, и считается также, что он обеспечивает некоторую устойчивость к Черной чуме.

Исследователи обнаружили, что этот микроорганизм подвергся положительному отбору в период от 6000 до 2000 лет назад, увеличившись с примерно 2% до 8% популяции. Очевидно, это сильно расходится со знаменитой средневековой вспышкой чумы, но есть некоторые признаки того, что возбудитель болезни, Yersinia pestis, был эндемичен для Европы в каменном веке.

Авторы подчеркивают, что в процентном отношении ко всем генам человека обнаружение сильного направленного отбора для 479 из них все еще является лишь слабым сигналом и составляет всего 2 процента от общего изменения частоты генов за рассматриваемый период времени. Они также подчеркивают, что трудно определить, является ли признак, который мы связываем с каким-либо из этих генов, причиной изменения его частоты.

Например, один из генов, для которого были обнаружены доказательства направленного отбора, связан с рыжими волосами, но только на основании этого нельзя сказать, был ли рыжий цвет волос преимуществом для неолитических людей в Западной Евразии. Возможно, этот признак сам по себе не является преимуществом, а просто находится рядом с другим полезным геном и перешёл по наследству. Ген также может иметь вторичный эффект, о котором мы просто не знаем, как в случае с генами, вызывающими серповидноклеточную анемию и фавизм (форму острой гемолитической анемии), которые оказывают как отрицательное, так и положительное влияние.