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

С импринтингом история точно такая же. По последним подсчетам, существует около 15 теорий этого явления. Большинство из них настолько расплывчаты, что не объясняют главного: почему у большинства видов импринтинга вообще нет. Но есть и другие перспективные подходы, способные пролить свет на часть данных. Второй популярный аргумент тоже связывает импринтинг с проблемами координации тесного взаимодействия матери и потомства. Мой коллега Джейсон Вулф обнаружил, что во многих случаях отбор благоприятствует взаимной подстройке матери и детенышей. Мышата, к примеру, получают больше молока, если мать принадлежит к той же генетической линии. Представьте пластиковые бутылки с винтовыми крышками разных размеров. Система работает идеально, только когда крышка и бутылка из одного набора.

Или взять хотя бы людей: давно известно, что младенцы со средней массой тела при рождении выживают лучше всех. И слишком крупные, и слишком маленькие дети чаще погибают — сегодня их спасает современная медицина, но раньше шансов выжить у них было немного. Вулф рассуждает так: отбор должен работать на согласованность в паре мать–ребенок, чтобы оба участника стремились к оптимальному весу плода и вообще идеально подходили друг к другу — как правильная крышка к правильной бутылке. Конфликтная модель же утверждает обратное: чем крупнее, тем лучше.

Такую координацию между матерью и плацентой можно обеспечить, если плацента будет экспрессировать материнскую версию генов. Здесь в игру и вступает импринтинг. Мы уже говорили, что преэклампсия похожа на иммунную атаку матери на собственного ребенка. Но если материнский организм «видит» в плаценте собственные белки, риск такой атаки снижается. С иммунологической точки зрения логично экспрессировать в плаценте только материнские гены. У суррогатных матерей это взаимное узнавание не работает — и они действительно чаще всего страдают от преэклампсии. Вулф обращает внимание на любопытную деталь: среди импринтированных генов, которые работают исключительно в плаценте (и больше нигде), абсолютно все экспрессируются именно с материнской хромосомы. Да и вообще импринтированных генов с материнской экспрессией больше. Другие исследователи считают, что активность таких генов, как Zbdf2, тоже хорошо, если не лучше, укладывается в эту модель. Задача этого гена — синхронизировать потребности новорожденных с реакцией матери, стимулируя у нее выработку молока.

Идея взаимной подстройки выходит далеко за рамки тесного контакта матери и плода. У грызунов, например, распространена аллопарентальная забота — совместное выращивание потомства родственными самками, которые выкармливают и чужих детенышей. Известно, что степень родства детенышей с кормилицей влияет на их выживаемость — именно это и предполагает координационная модель. Теория Вулфа предсказывает: кормилица и детеныши будут экспрессировать ту версию гена, через которую они теснее связаны родством. Конфликтная модель утверждает другое: экспрессироваться будет тот ген, повышенная активность которого максимизирует его чистую выгоду (совокупную приспособленность). Экспериментальная проверка этих гипотез пока не проводилась.

Совершенство в мире генетических конфликтов — иллюзия

Борьба матери и ребенка за глюкозу, конфликты между генами внутри плода, коварные центромеры, повышенная частота рецессивных леталей — у нас масса проблем с зачатием, вынашиванием и рождением здорового ребенка. Умопомрачительная сложность человеческой репродукции во многом объясняется нашей уникальной системой непрерывного снабжения плода ресурсами. Трудно представить себе что-то более далекое от совершенства.

Чаще всего проблемы возникают из-за конфликтов интересов: что хорошо для одного, плохо для другого. В общем-то, ничего удивительного. Мы прекрасно понимаем, что интересы наших паразитов расходятся с нашими. SARS-CoV-2 процветает, используя нас как инкубатор. Вакцины и маски нужны именно для того, чтобы не дать вирусу превратить нас в свой инкубатор.

Парадокс центромер и конфликтной теории импринтинга состоит в том, что враждующие стороны — это не внешние агенты. Они часть нас самих. Промежуточное положение занимают прыгающие гены и эндогенные ретровирусы. Они не входят в обязательный набор наших генов. Показательный пример — ВИЧ. Это ретровирус, то есть он существует как вирус, передаваясь от человека к человеку, но способен также встраиваться в нашу ДНК, отсюда приставка «ретро». Он превращается из РНК обратно в ДНК и внедряется в наши хромосомы. Если это происходит в клетке зародышевой линии, такая вставка может навсегда стать частью ДНК нашего вида. Тогда она станет эндогенной. Как любая наследуемая мутация, новая вставка поначалу редка в популяции, но может распространяться. Главная причина роста частоты таких ретровирусных вставок, по нашему мнению, — простой дрейф. Они не причиняют особого вреда, поэтому складируются в нашем «гараже».

В нашей ДНК можно разглядеть следы волн ретровирусных вторжений, накатывавших одна за другой. Попав в ДНК, эти вставки распространяются и становятся всеобщим достоянием. Эндогенные ретровирусы занимают в нашем геноме больше места, чем все экзоны — и кодирующие белки, и некодирующие — вместе взятые. 8% генома — эндогенные ретровирусы, 1,2% — белок-кодирующие экзоны, еще примерно 2,3% — длинные некодирующие экзоны. Странная арифметика, согласитесь?

Эндогенные ретровирусы и другие прыгающие гены держат под контролем специальные защитные механизмы, ведь если они будут беспрепятственно прыгать, то могут повредить что-нибудь жизненно важное. Такие мобильные элементы — серьезный источник мутаций. Они наверняка погубили множество эмбрионов, когда прыгающий ген приземлялся не там, где надо. С ними мы тоже играем в кошки-мышки. Наши защитные системы, призванные держать их под контролем, эволюционируют стремительно, чего и следовало ожидать.

Понять наш конфликт с чужеродными элементами нашей ДНК, пожалуй, проще, чем осознать противостояние с родными генами. Сама концепция внутригеномного конфликта требует серьезной умственной гимнастики. В начале карьеры я посвящал этой теме бóльшую часть своего времени, просто потому что она казалась мне восхитительной. Она переворачивает с ног на голову все наши представления об эволюции и естественном отборе. Я исследовал эгоистичные элементы самого разного толка: одни убивают насекомых-самцов (цитоплазматические убийцы самцов), другие при определенных скрещиваниях губят все потомство (цитоплазматическая несовместимость), третьи уничтожают половину мужских сперматозоидов (мейотический драйв), четвертые убивают половину мышиного выводка (материнские летали), пятые стерилизуют пыльцу у растений-гермафродитов (цитоплазматическая мужская стерильность). Да, мутации со всеми этими эффектами способны распространяться в популяции. Главное — получить выгоду от своих действий. Убивать половину спермы самца бессмысленно, если ты сам в этой половине. Но если ты уничтожаешь сперматозоиды, в которых тебя нет, ты в выигрыше. Назовите любое свойство, которое, по-вашему, отбор никогда не поддержит, и я найду эгоистичный элемент, который именно это и делает.

Помните одно из допущений о каноническом процессе естественного отбора из третьей главы — что мутации передаются честно и непредвзято? Коварные гены разрушают эту стройную картину и наглядно показывают, почему важна честность: только при непредвзятой передаче мутаций значение имеет их влияние на приспособленность, а не умение обманывать систему.

И