Эволюционная биология, которая ведет свое происхождение от трудов Дарвина, более века черпала информацию из ископаемых останков и сравнительной анатомии. Открытие структуры ДНК и дальнейшая расшифровка генома предоставили ей намного более мощные инструменты, с помощью которых ученые способны относительно подробно выяснить эволюционные истоки различных биологических особенностей живых организмов. В том числе – наши сильные и слабые стороны в борьбе с различными болезнями, от рака до коронавирусной инфекции.
О том, что такое эволюционная генетика, как она помогает лечению рака и помогли ли нам защищаться от COVID-19 неандертальцы, Радио Свобода поговорило с Дмитрием Петровым, профессором Стэнфордского университета, руководителем лаборатории эволюционной биологии.
Дерево, построенное на генах
После того, как ученые нашли способ расшифровывать ДНК, выяснилось, что существуют устойчивые гены, которые сохраняются в поколениях очень долго, и по их наличию и сравнению можно легко проследить эволюцию. А по степени расхождения генов, можно определить время, когда это расхождение произошло, то есть когда возникла та или иная группа организмов. По генам эволюция прослеживается очень глубоко, на сотни миллионов и даже миллиарды лет назад. Например, в организмах всех ныне живущих существ есть гены, которые остались у нас от общего предка, от которого произошло все современное природное разнообразие. Если расположить все ныне живущие существа от самых простых до самых сложных в одну линию, то с одной стороны будут стоять люди и высшие млекопитающие, а с другой – организмы, клетки которых даже не имеют ядер, – бактерии и архебактерии. И все они содержат древние гены общего предка – само по себе это является одним из убедительных доказательств теории Дарвина.
На основании сходства генетических последовательностей можно изобразить единое "древо жизни" – как раньше делали с помощью инструментов палеонтологии и сравнительной анатомии.
"Например, – говорит Дмитрий Петров, – мы хотим определить, когда возникли киты, иными словами, когда они генетически отошли от других млекопитающих. Мы пытаемся это определить, анализируя их гены. А палеонтологи находят окаменевшие кости, которые, предположительно, остались от китов, и пытаются определить возраст этих костей. И затем мы можем сравнить результаты генетического и палеонтологического анализов".
Кстати, сами по себе ископаемые останки могут стать предметом генетического анализа. В сравнительно молодых останках, возраст которых составляет десятки тысяч лет, иногда удается выделить и расшифровать ДНК. Например, были секвенированы ДНК мамонта и ДНК тех видов людей, которые предшествовали современному человеку, таких как неандертальцы или денисовцы.
Эволюционная генетика имеет и свои ограничения. Она не может восстановить генетические последовательности, а следовательно, и эволюцию тех видов, которые вымерли давно, не оставив после себя потомков, и чей генетический материал не сохранился. Такие группы организмов называются тупиковыми ветвями эволюции. А таких животных и растений очень много.
Интересно, что организмы на разных и даже отдаленных друг от друга ветвях (а многоклеточные организмы, например, берут свое начало от различных одноклеточных – то есть ветки могут быть по-настоящему далеки) эволюционного древа могут развиваться схожим образом. Вот пример: если белок родопсин, который умеет реагировать на свет, был создан в ходе эволюции только один раз, то глазной аппарат, который фокусирует свет, природа "изобрела" по меньшей мере 40 раз – и в результате этого появилось 40 различных типов глаз. Так, глаза осьминога и человека очень похожи по своей структуре, но эволюционировали они абсолютно независимо.
Эволюция – это быстро или медленно?
Дарвина смущало, что изменения в живых организмах происходят, как ему казалось, медленно и что, исходя из скорости этих изменений, длительность эволюции несопоставима с длительностью существования нашей планеты. Эта неувязка во многом объяснялась тем, что во времена Дарвина возраст Земли был сильно недооценен. Современник Дарвина лорд Кельвин считал, что Земля образовалась всего лишь 20–400 млн лет назад. Сегодня геологи оценивают возраст Земли приблизительно в 4,5 млрд лет, а возраст древнейших живых существ – в 3,7–4,2 млрд лет. Кроме того, выяснилось, что скорость эволюции непостоянна. Дмитрий Петров объясняет, что долгое время геномы могут оставаться стабильными, и вдруг происходит рывок – и образуется сразу много изменений. Такие рывки эволюции возникают, когда изменяется окружающая среда и организмы должны к этим изменениям быстро приспособиться. Те, кто не сумел приспособиться, вымирают.
Этот факт хорошо подтверждается и палеонтологической летописью: долгие периоды относительной эволюционной стабильности прерываются короткими эпизодами, когда животный и растительный мир радикально меняется. Периоды самого радикального обновления часто были связаны со значительными геологическими и экологическими катастрофами, например, очень активным вулканизмом или падением крупных метеоритов, которые запустили цепочку резких изменений окружающей среды, в первую очередь изменений состава и температуры атмосферы и океана. Кроме того, разные организмы эволюционируют с разной скоростью, которая зависит от скорости смены поколений и скорости накопления мутаций.
"Например, – говорит Дмитрий Петров, – в одной небольшой пробирке мы имеем 10 млрд дрожжевых клеток. В среднем в каждом поколении на каждые 100 клеток приходится одна мутация. А это означает, что в нашей пробирке на каждое поколение возникает 100 млн мутаций. Даже если только одна из всех этих мутаций окажется полезной в какой-то конкретной ситуации, допустим, при некотором изменении питательной среды, и поможет ее обладателям успешно конкурировать со своими сородичами, то уже через несколько поколений носители этой мутации будут доминировать в пробирке, подавляя тех, кто этой мутации не имеет". При этом скорость "смены поколений" у дрожжевых клеток – всего несколько часов.
Эволюционная генетика и рак
Именно способность клеток к быстрой эволюции – одна из проблем при лечении рака.
Клетки опухоли в организме, подобно дрожжевым клеткам в пробирке, отвечают на изменения среды, фиксируя удачные мутации. Дмитрий Петров считает, что в каком-то смысле опухоль можно считать самостоятельным организмом: "С точки зрения естественного отбора опухоль – это некая общность клеток, "интерес" которой сильно отличается от "интереса" всего организма. Наш организм можно упрощенно представить себе как собрание клеток, которые согласованно работают, соблюдая общие интересы. А клетки опухоли – это злостные индивидуалисты, которые не участвуют в этом процессе, они живут самостоятельно, делают что-то свое и не слушаются приказаний организма, то есть живут в организме своей обособленной жизнью. Следовательно, их можно назвать независимой эволюционной линией клеток. И эволюция клеток опухоли происходит, подобно эволюции колонии бактерий или дрожжей, очень быстро в течение нескольких лет, и именно эта высокая скорость эволюционного процесса приводит к проблемам. Ученые находят лекарства для подавления рака. Но опухоли эволюционируют, приспосабливаются и перестают реагировать на лекарства, которые были изначально эффективными".
Большая часть сотрудников лаборатории Дмитрия Петрова в Стэнфорде занимаются именно раковыми заболеваниями. С помощью определенной системы они моделируют различные виды рака человека, индуцируя различные модификации раковых опухолей в легких мышей, а затем пробуют различные лекарства для их излечения. Модификации опухолей – это и есть по сути различные эволюционные ветви. Например, страшный диагноз аденокарцинома легкого – общее название для десятков возможных вариантов заболевания, связанных с различными генетическими модификациями, появившимися в результате мутаций клеток. И эти модификации могут очень по-разному реагировать на одни и те же лекарства. Эволюционные биологи стараются отследить различные пути эволюции раковой опухоли и то, как с ними связана эффективность различных терапий.
COVID-19 и эволюция
Сама по себе пандемия COVID-19 – следствие эволюции. Для того чтобы "перескочить" на человека с естественного носителя, которым, по-видимому, была летучая мышь, вирусу SARS-COV-2 понадобилось накопить необходимые мутации.
Но и способность человека противостоять вирусам – тоже наше эволюционное преимущество. Несколько лет назад Дмитрий Петров и его ученик Давид Энард из Аризонского университета США опубликовали исследование, в котором установили, что современные люди унаследовали гены, отвечающие за иммунный ответ на вирусные заболевания, от неандертальцев. Именно благодаря генам неандертальцев современные люди проявляют относительную устойчивость, например, к гриппу, гепатиту С, а также ВИЧ. Это объясняется тем, что неандертальцы заселили Европу на сотни тысяч лет раньше, чем предки современных людей, кроманьонцев. В то время, когда современный человек вышел из Африки, ее животный мир сильно отличался от животного мира Европы. А ведь именно животные являются носителями инфекций, которые впоследствии перекидываются и на людей. В течение сотен тысяч лет под действием естественного отбора у неандертальцев успел выработаться иммунный ответ на некоторые типы местных возбудителей инфекций, передающихся вирусами. А мы – кроманьонцы – просто унаследовали эти гены в результате скрещивания с неандертальцами, то есть получили уже готовый продукт.
Впрочем, Дмитрий Петров не торопится утверждать, что именно гены неандертальцев помогают нам относительно успешно бороться с COVID-19. Иммунный ответ на коронавирусную инфекцию устроен достаточно сложно, и часть его действительно, по-видимому, связана с неандертальскими генами. С другой стороны, неандертальцы в эволюционном смысле могут претендовать не только на роль спасителей от нового вируса, но и на роль убийц. Согласно одному из недавних исследований, гены, ответственные за опасные осложнения COVID-19, вызывающие дыхательную недостаточность, были унаследованы нами от тех же неандертальцев. Какова "положительная" роль этих генов в организме, ученые пока не понимают.
Дальнейшие перспективы сосуществования человечества с COVID-19 тоже в немалой степени будут определяться эволюцией – эволюцией вируса. Во многих случаях эволюция делает патогены менее агрессивными, ведь возможность как можно шире распространяться, позволяя носителю переносить болезнь на ногах, – эволюционное преимущество. Но это не всегда так и совсем не обязательно относится к вирусу SARS-CoV-2. Дмитрий Петров обращает внимание, что этот вирус и так распространяется достаточно легко, на него не оказывается эволюционного давления, а следовательно, нет причины, побуждающей его измениться в этом аспекте. Если же препятствия к распространению возникнут – коллективный иммунитет, вакцинация или массово соблюдаемый строгий карантин – это может подтолкнуть вирус к изменениям, к эволюции к более "мягкой" форме, болея которой, люди будут вести обычную жизнь, продолжая распространять инфекцию. Проблема в том, что SARS-CoV-2 и так обладает похожими качествами: он допускает бессимптомную передачу. Поэтому его эволюция к менее агрессивному варианту совсем не обязательна.
