Неидеальный человек: Почему эволюция оставила нам болезни, ошибки ДНК и уязвимости - Лоуренс Херст

И здесь мы подходим к самому интересному: та же самая мутация у бактерий, чья численность измеряется миллиардами, попадет в категорию «вредных» и не будет иметь ни малейшего шанса закрепиться. Многие виды бактерий намного эффективнее нас избавляются от вредных мутаций, просто потому что их эффективный размер популяции огромен. Представьте себе: даже мутации, снижающие приспособленность всего на 0,000000001, все равно будут «видны» для отбора и будут вычищаться из популяции! Мне до сих пор трудно осознать, как высока эффективность отбора у бактерий. Но факт остается фактом: в видах с огромными популяциями естественный отбор работает с поразительной точностью, тогда как у таких видов, как мы, он действует куда более грубо.

Что же получается в итоге? В малых популяциях гораздо больше мутаций попадает в категории фактически нейтральных или слегка вредных. Такие мутации могут случайным образом распространяться и закрепляться в популяции. Именно поэтому виды с небольшим эффективным размером популяции — такие как человек — способны эволюционировать быстрее, чем более многочисленные виды. Но не спешите радоваться: ускоренная эволюция не прогресс, а скорее деградация. Если вернуться к нашей аналогии с самолетом: пробоина на кончике крыла рано или поздно приведет к крушению бактериального самолета, а вот наш продолжит полет, постепенно накапливая эти мелкие повреждения.

Как же все это связано с нашим геномом? Обычно, говоря о мутациях, мы представляем себе замену одной пары оснований ДНК на другую, например C на G. Но почти нейтральная теория не ограничивается таким узким пониманием мутаций. Она рассматривает любые изменения в ДНК, которые поначалу редко встречаются в популяции. Давайте мыслить шире: мутации — это не только замена одного нуклеотида другим. Это еще и появление новых фрагментов ДНК, которые не несут для нас никакой полезной функции. И вот здесь мы, как и другие крупные организмы с малыми популяциями, оказались практически бессильны: мы не могли помешать этим бесполезным участкам распространиться и закрепиться. Может, именно поэтому структура и работа нашего генома так несовершенны? Как мы увидим дальше, именно этим объясняется, почему наша ДНК напичкана «мертвыми» прыгающими генами (это похожие на вирусы участки ДНК, способные самостоятельно перемещаться по геному, их еще называют транспозонами), тогда как ДНК бактерий почти целиком состоит из генов, кодирующих белки. Та же теория может объяснить, почему столь большие части нашей ДНК проявляют активность, но не имеют очевидной функции. Впрочем, об этом мы поговорим в следующей главе.

5

Почти нейтральная теория и проблема раздутого генома

Томоко Ота открыла фундаментальный закон природы. В малых популяциях естественный отбор плохо справляется с выбраковкой мутаций, которые наносят незначительный вред. Если микроскопические организмы с их огромными популяциями способны эффективно очищать свои геномы даже от минимально вредных изменений, то мы таким умением похвастаться не можем. Для нас эволюция несовершенства — неизбежность. Но как это связано с размером нашей ДНК и принципами работы наших клеток?

Нам нужно взглянуть на мутации шире, не ограничиваясь одной лишь заменой спаренных оснований, ведь мутацией может быть и появление нового участка ДНК, и его потеря. Поначалу такое изменение затрагивает лишь один фрагмент ДНК и встречается редко, потому что оно сложнее простой замены одного нуклеотида на другой. Как мы скоро увидим, именно накопление таких слегка вредных «приобретений» объясняет, почему наша ДНК раздута, тогда как геномы дрожжей и бактерий остаются стройными и подтянутыми. Наша ДНК забита генетическим мусором и работает из рук вон плохо. Если представить наши клетки в виде городов, то это будут города, в которых царит хаос: машины проезжают на красный свет, повсюду сломанные пожарные гидранты, а дорожные происшествия случаются на каждом шагу.

Не все ненужное — отходы, кое-что — просто хлам

Давайте разберемся с классификацией мусора. Есть мусор, который мы выносим на помойку. Его забирают мусоровозы и отправляют на свалки или мусоросжигательные заводы. Но есть и другой вид мусора: старые вещи, которые мы храним на чердаках и в гаражах. Это уже хлам. Его мы не спешим выбрасывать, ведь он особо не мешает. Это не протухшие остатки ужина недельной давности, а просто ненужные вещи. Так вот, наша ДНК забита как раз таким хламом. И это совсем не то же самое, что геномный мусор — вредные мутации, которые рано или поздно удаляются из популяции великим мусорщиком под названием «очищающий отбор».

Как же это связано с раздуванием генома — явлением, которое мы обсуждали во второй главе, когда говорили об огромных интронах и обширных участках ДНК между генами? Представьте, что происходит, когда дублируется неважный участок ДНК или когда в геном встраивается новый фрагмент, который особо ничему не мешает (этим фрагментами часто становятся прыгающие гены). Конечно, такая случайная вставка может слегка снизить приспособленность — все-таки приходится тратить энергию на ее копирование при каждом делении клетки, да и работа соседних генов может немного нарушиться. Но чаще всего эффект оказывается минимальным. И вот в чем загвоздка: для крупных организмов вроде нас, с нашими малыми популяциями, эти изменения настолько незначительны, что мы просто не можем от них избавиться. По сути, мы просто складываем их в «гараж» или на «чердак» нашего генома и благополучно о них забываем.

А вот у бактерий, дрожжей и других одноклеточных все иначе. Благодаря огромным популяциям естественный отбор работает у них с поразительной эффективностью, доводя их геномы до совершенства. В своей безупречно организованной, свободной от хлама жизни эти микроорганизмы безжалостно избавляются от всего лишнего. Поэтому, как следует из почти нейтральной теории, нет ничего удивительного в том, что у таких видов, как мы, — крупных организмов с исторически небольшими популяциями — геном переполнен генетическим хламом.

В этой простой идее скрывается потенциал мощной объединяющей теории. Взгляните на все эукариоты — организмы, клетки которых, в отличие от бактерий, имеют ядро. От одноклеточных дрожжей до таких крупных существ, как мы, — у всех прослеживается четкая закономерность. Майк Линч из Университета штата Аризона обнаружил удивительную вещь: эффективный размер популяции предопределяет множество параметров — количество и размер интронов, протяженность участков между генами, долю «мертвых» и распадающихся мобильных элементов (тех самых похожих на вирусы генов, которые умеют перемещаться по геному). И все эти показатели меняются в одном направлении: чем меньше эффективный размер популяции, тем больше в геноме всего, что похоже на генетический хлам (рис. 5.1). Наш геном огромен,