dziewięć lat temu skorzystałem z okazji, aby dołączyć do międzynarodowego zespołu, który zajmował się identyfikacją sekwencji zasad DNA lub „liter” w genomie szympansa pospolitego (Pan troglodytes). Jako biostatysta z wieloletnim zainteresowaniem pochodzeniem człowieka, chętnie zestawiłem sekwencję ludzkiego DNA obok sekwencji naszego najbliższego żyjącego krewnego i dokonałem oceny. Pojawiła się pokorna prawda: nasze plany DNA są prawie 99% identyczne z ich. Oznacza to, że z trzech miliardów liter tworzących ludzki genom, tylko 15 milionów z nich—mniej niż 1 procent—zmieniło się w ciągu około sześciu milionów lat od rozłamu linii ludzkich i szympansów.

teoria ewolucji utrzymuje, że zdecydowana większość tych zmian miała niewielki lub żaden wpływ na naszą biologię. Ale gdzieś wśród tych około 15 milionów baz leżą różnice, które uczyniły nas ludźmi. Byłem zdeterminowany, by ich znaleźć. Od tego czasu, ja i inni poczyniliśmy kuszące postępy w identyfikacji szeregu sekwencji DNA, które odróżniają nas od szympansów.

wczesne zaskoczenie

pomimo, że stanowią tylko niewielki procent ludzkiego genomu, miliony baz to wciąż rozległe terytorium do przeszukania. Aby ułatwić polowanie, napisałem program komputerowy, który skanowałby ludzki genom w poszukiwaniu fragmentów DNA, które zmieniły się najbardziej od czasu, gdy ludzie i szympansy rozdzielili się od wspólnego przodka. Ponieważ większość przypadkowych mutacji genetycznych nie przynosi korzyści ani nie szkodzi organizmowi, gromadzą się one w stałym tempie, które odzwierciedla ilość czasu, który upłynął od czasu, gdy dwa żywe gatunki miały wspólnego przodka (ta szybkość zmian jest często określana jako „tykanie zegara molekularnego”). Przyspieszenie tego tempa zmian w pewnej części genomu jest natomiast cechą pozytywnej selekcji, w której mutacje, które pomagają organizmowi przetrwać i rozmnażać się, są bardziej prawdopodobne, aby być przekazywane przyszłym pokoleniom. Innymi słowy, te części kodu, które przeszły największą modyfikację od czasu podziału szympansa z człowiekiem, są sekwencjami, które najprawdopodobniej ukształtowały ludzkość.

w listopadzie 2004 roku, po miesiącach debugowania i optymalizacji mojego programu do uruchomienia na ogromnym klastrze komputerowym na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz, w końcu skończyłem z plikiem, który zawierał listę rankingową tych szybko rozwijających się sekwencji. Z moim mentorem Davidem Hausslerem pochylonym nad moim ramieniem, spojrzałem na top hit, odcinek 118 baz, które razem stały się znane jako human accelerated region 1 (HAR1). Korzystając z U.Przeglądarka genomu C. Santa Cruz, narzędzie do wizualizacji, które opisuje ludzki genom za pomocą informacji z publicznych baz danych, powiększyłem HAR1. Przeglądarka pokazała sekwencje HAR1 człowieka, szympansa, myszy, szczura i kurczaka—wszystkich gatunków kręgowców, których genomy zostały zdekodowane do tego czasu. Ujawniono również, że poprzednie eksperymenty przesiewowe na dużą skalę wykryły aktywność HAR1 w dwóch próbkach ludzkich komórek mózgowych, chociaż żaden naukowiec nie nazwał ani nie zbadał jeszcze sekwencji. Krzyknęliśmy: „Super!”zgodnie stwierdziliśmy, że HAR1 może być częścią nowego w nauce genu, który jest aktywny w mózgu.

trafiliśmy w dziesiątkę. Wiadomo, że mózg człowieka różni się znacznie od mózgu szympansa pod względem wielkości, organizacji i złożoności, między innymi. Jednak mechanizmy rozwojowe i ewolucyjne leżące u podstaw cech, które wyróżniają ludzki mózg, są słabo poznane. HAR1 miał potencjał, aby oświetlić ten najbardziej tajemniczy aspekt ludzkiej biologii.

spędziliśmy następny rok, aby dowiedzieć się wszystkiego o ewolucyjnej historii HAR1, porównując ten region genomu u różnych gatunków, w tym 12 kolejnych kręgowców, które zostały zsekwencjonowane w tym czasie. Okazuje się, że dopóki nie pojawili się ludzie, HAR1 ewoluował niezwykle powoli. W przypadku kurcząt i szympansów, których rodowody rozeszły się około 300 milionów lat temu, tylko dwie ze 118 baz różnią się, w porównaniu z 18 różnicami między ludźmi a szympansami, których rodowody rozeszły się znacznie niedawno. Fakt, że HAR1 został zasadniczo zamrożony w czasie przez setki milionów lat wskazuje, że robi coś bardzo ważnego; że następnie przeszedł nagłą rewizję u ludzi sugeruje, że ta funkcja została znacznie zmodyfikowana w naszym rodowodzie.

krytyczna wskazówka dotycząca funkcji HAR1 w mózgu pojawiła się w 2005 roku, po tym, jak mój współpracownik Pierre Vanderhaeghen z Wolnego Uniwersytetu w Brukseli uzyskał fiolkę z kopiami HAR1 z naszego laboratorium podczas wizyty w Santa Cruz. Użył tych sekwencji DNA do zaprojektowania fluorescencyjnego znacznika molekularnego, który zapalałby się, gdy HAR1 został aktywowany w żywych komórkach-to znaczy skopiowany z DNA do RNA. Kiedy typowe geny są włączane w komórce, komórka najpierw tworzy mobilną kopię RNA, a następnie wykorzystuje RNA jako szablon do syntezy niektórych potrzebnych białek. Etykietowanie ujawniło, że HAR1 jest aktywny w rodzaju neuronu, który odgrywa kluczową rolę w strukturze i układzie rozwijającej się kory mózgowej, pomarszczonej zewnętrznej warstwy mózgu. Gdy coś pójdzie nie tak w tych neuronach, rezultatem może być ciężkie, często śmiertelne, wrodzone zaburzenie znane jako lissencephaly („gładki mózg”), w którym kora nie ma charakterystycznych fałd i wykazuje znacznie zmniejszoną powierzchnię. Zaburzenia w tych samych neuronach są również związane z początkiem schizofrenii w wieku dorosłym.

HAR1 jest zatem aktywny we właściwym czasie i miejscu, aby odegrać kluczową rolę w tworzeniu zdrowej kory mózgowej. (Inne dowody sugerują, że może dodatkowo odgrywać rolę w produkcji plemników.) Ale dokładnie to, jak ten fragment kodu genetycznego wpływa na rozwój kory mózgowej, jest zagadką, którą moi koledzy i ja wciąż próbujemy rozwiązać. Chętnie to robimy: niedawny wybuch substytucji HAR1 mógł znacząco zmienić nasze mózgi.

poza niezwykłą historią ewolucji, HAR1 jest wyjątkowy, ponieważ nie koduje białka. Przez dziesięciolecia badania biologii molekularnej koncentrowały się niemal wyłącznie na genach, które określają białka, podstawowe elementy budulcowe komórek. Ale dzięki projektowi ludzkiego genomu, który zsekwencjonował nasz własny genom, naukowcy wiedzą, że geny kodujące białka stanowią zaledwie 1,5% naszego DNA. Pozostałe 98,5 procent—czasami określane jako dna śmieci-zawiera sekwencje regulacyjne, które mówią innym Genom, kiedy włączyć i wyłączyć i geny kodujące RNA, które nie są tłumaczone na białko, jak również wiele DNA mających celów naukowcy dopiero zaczynają rozumieć.

opierając się na wzorcach w sekwencji HAR1, przewidzieliśmy, że HAR1 koduje RNA—przeczucie, że Sofie Salama, Haller Igel i Manuel Ares, wszyscy w U. C. Santa Cruz, następnie potwierdzone w 2006 roku poprzez eksperymenty laboratoryjne. W rzeczywistości okazuje się, że ludzki HAR1 rezyduje w dwóch nakładających się genach. Wspólna Sekwencja HAR1 daje początek całkowicie nowemu typowi struktury RNA, dodając do sześciu znanych klas genów RNA. Te sześć głównych grup obejmuje ponad 1000 różnych rodzin genów RNA, z których każda wyróżnia się strukturą i funkcją kodowanego RNA w komórce. HAR1 jest również pierwszym udokumentowanym przykładem sekwencji kodującej RNA, która wydaje się być poddana pozytywnej selekcji.

może się wydawać zaskakujące, że nikt wcześniej nie zwracał uwagi na te niesamowite 118 podstaw ludzkiego genomu. Ale z powodu braku technologii łatwego porównywania całych genomów, naukowcy nie mieli możliwości dowiedzenia się, że HAR1 jest czymś więcej niż tylko kolejnym kawałkiem śmieciowego DNA.

wskazówki językowe

porównania całego genomu u innych gatunków dostarczyły również innego kluczowego wglądu w to, dlaczego ludzie i szympansy mogą być tak różne, mimo że są podobne w swoich genomach. W ciągu ostatniej dekady zsekwencjonowano genomy tysięcy gatunków (głównie drobnoustrojów). Okazuje się, że to, gdzie występują podstawienia DNA w genomie—a nie ile zmian powstaje ogólnie—może mieć duże znaczenie. Innymi słowy, nie trzeba zmieniać bardzo dużo genomu, aby stworzyć nowy gatunek. Sposobem na wyewoluowanie człowieka z przodka szympansa nie jest przyspieszenie tykania zegara molekularnego jako całości. Tajemnicą jest raczej to, że gwałtowne zmiany zachodzą w miejscach, w których zmiany te mają istotny wpływ na funkcjonowanie organizmu.

HAR1 to z pewnością takie miejsce. Tak też jest z genem FOXP2, który zawiera inną z szybko zmieniających się sekwencji, które zidentyfikowałem i jest znany z udziału w mowie. Jego rola w mowie została odkryta przez naukowców z Uniwersytetu w Oksfordzie, którzy w 2001 roku poinformowali, że ludzie z mutacjami w genie nie są w stanie wykonać pewnych subtelnych, szybkich ruchów twarzy potrzebnych do normalnej ludzkiej mowy, mimo że posiadają zdolność poznawczą do przetwarzania języka. Typowa Sekwencja ludzka wykazuje kilka różnic od szympansa: dwie podstawienia zasadowe, które zmieniły produkt białkowy i wiele innych podstawień, które mogły prowadzić do zmian wpływających na sposób, kiedy i gdzie białko jest używane w ludzkim ciele.

jedno odkrycie rzuciło trochę światła na to, kiedy Wersja FOXP2 umożliwiająca mowę pojawiła się u hominidów: w 2007 roku naukowcy z Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology w Lipsku zsekwencjonowali FOXP2 wydobyty z neandertalskiej skamieliny i odkryli, że ci wymarli ludzie mają współczesną ludzką wersję genu, być może pozwalającą im wymawiać to, co my. Obecne szacunki dotyczące podziału neandertalskich i współczesnych linii ludzkich sugerują, że nowa forma FOXP2 musiała powstać co najmniej pół miliona lat temu. Większość tego, co odróżnia ludzki język od komunikacji głosowej u innych gatunków, nie pochodzi jednak ze środków fizycznych, ale ze zdolności poznawczych, które często są skorelowane z rozmiarem mózgu. Naczelne na ogół mają większy mózg niż można by się spodziewać po ich wielkości ciała. Ale objętość ludzkiego mózgu wzrosła ponad trzykrotnie od szympansa – ludzkiego przodka-zryw wzrostu, że naukowcy genetyki dopiero zaczęły się rozwikłać.

jednym z najlepiej zbadanych przykładów genu związanego z wielkością mózgu u ludzi i innych zwierząt jest ASPM. Badania genetyczne osób z chorobą znaną jako małogłowie, w której mózg jest zredukowany nawet o 70 procent, ujawniły rolę ASPM i innego genu—CDK5RAP2—w kontrolowaniu wielkości mózgu. Niedawno naukowcy z University of Chicago, University of Michigan i University of Cambridge wykazali, że ASPM doświadczył kilku wybuchów zmian w trakcie ewolucji naczelnych, wzór wskazujący na pozytywną selekcję. Co najmniej jeden z tych wybuchów wystąpił w linii ludzkiej, ponieważ odbiegał od szympansów i tym samym był potencjalnie instrumentalny w ewolucji naszych dużych mózgów.

Inne części genomu mogły mniej bezpośrednio wpływać na metamorfozę ludzkiego mózgu. Skan komputerowy, który zidentyfikował HAR1, znalazł również 201 innych przyspieszonych obszarów ludzkich, z których większość nie koduje białek, a nawet RNA. (Powiązane badanie przeprowadzone w Wellcome Trust Sanger Institute w Cambridge w Anglii wykryło wiele takich samych HARs.) Zamiast tego wydają się być sekwencjami regulacyjnymi, które mówią pobliskim Genom, kiedy należy włączyć i wyłączyć. O dziwo, ponad połowa genów znajdujących się w pobliżu HARs jest zaangażowana w rozwój i funkcjonowanie mózgu. Podobnie jak w przypadku FOXP2, produkty wielu z tych genów regulują inne geny. Tak więc, nawet jeśli HARs stanowią minutową część genomu, zmiany w tych regionach mogły głęboko zmienić ludzki mózg, wpływając na aktywność całych sieci genów.

poza mózgiem

chociaż wiele badań genetycznych skupiło się na wyjaśnieniu ewolucji naszego wyrafinowanego mózgu, badacze zbierali również inne unikalne aspekty ludzkiego ciała. HAR2, region regulacyjny genu i drugi najbardziej przyspieszone miejsce na mojej liście, jest przykładem. W 2008 roku naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory wykazali, że specyficzne różnice bazowe w ludzkiej wersji HAR2 (znanej również jako HACNS1), w stosunku do wersji u nieludzkich naczelnych, pozwalają tej sekwencji DNA napędzać aktywność genu w nadgarstku i kciuku podczas rozwoju płodu, podczas gdy wersja przodków u innych naczelnych nie może. To odkrycie jest szczególnie prowokujące, ponieważ może stanowić podstawę zmian morfologicznych w ludzkiej dłoni, które pozwoliły na zręczność potrzebną do wytwarzania i używania złożonych narzędzi.

poza zmianami formy, nasi przodkowie przeszli również zmiany behawioralne i fizjologiczne, które pomogły im dostosować się do zmienionych okoliczności i migrować do nowych środowisk. Na przykład, podbój ognia ponad milion lat temu i rewolucja rolnicza około 10 000 lat temu sprawiły, że żywność bogata w skrobię stała się bardziej dostępna. Jednak same zmiany kulturowe nie były wystarczające, aby wykorzystać te bogate w kalorie produkty spożywcze. Nasi poprzednicy musieli przystosować się do nich genetycznie.

zmiany w genie AMY1, który koduje amylazę ślinową, enzym biorący udział w trawieniu skrobi, stanowią jedną z dobrze znanych adaptacji tego rodzaju. Genom ssaków zawiera wiele kopii tego genu, przy czym liczba kopii różni się między gatunkami, a nawet między poszczególnymi ludźmi. Ale ogólnie, w porównaniu z innymi naczelnymi, ludzie mają szczególnie dużą liczbę kopii AMY1. W 2007 genetycy z Arizona State University wykazali, że osoby noszące więcej kopii AMY1 mają więcej amylazy w ślinie, co pozwala im trawić więcej skrobi. Ewolucja AMY1 zatem wydaje się obejmować zarówno liczbę kopii genu i specyficzne zmiany w jego sekwencji DNA.

innym znanym przykładem adaptacji żywieniowej jest gen laktazy (LCT), enzym, który umożliwia ssakom trawienie węglowodanów laktozy, znanej również jako cukier mleczny. U większości gatunków tylko niemowlęta karmione piersią mogą przetwarzać laktozę. Ale około 9000 lat temu—bardzo niedawno, w kategoriach ewolucyjnych-zmiany w ludzkim genomie stworzyły wersje LCT, które pozwalały DOROSŁYM trawić laktozę. Zmodyfikowany LCT ewoluował niezależnie w populacjach Europejskich i afrykańskich, umożliwiając przewoźnikom trawienie mleka od udomowionych zwierząt. Dziś dorośli potomkowie tych starożytnych pasterzy znacznie częściej tolerują laktozę w swojej diecie niż dorośli z innych części świata, w tym z Azji i Ameryki Łacińskiej, z których wielu jest nietolerancyjnych laktozy w wyniku posiadania przodków naczelnych wersji genu.

LCT nie jest jedynym znanym genem, który ewoluuje obecnie u ludzi. Projekt genomu szympansa zidentyfikował 15 innych w procesie odejścia od wersji, która była całkowicie normalna u naszych małpich przodków i która działa dobrze u innych ssaków, ale w tej starej formie jest związana z chorobami takimi jak Alzheimer i rak u współczesnych ludzi. Kilka z tych zaburzeń dotyka ludzi samodzielnie lub występuje w wyższych odsetkach u ludzi niż u innych naczelnych. Naukowcy badają funkcje genów zaangażowanych w próbę ustalenia, dlaczego wersje przodków tych genów stały się nieprzydatne w nas. Badania te mogą pomóc lekarzom zidentyfikować tych pacjentów, którzy mają większe szanse na zachorowanie na jedną z tych zagrażających życiu chorób, w nadziei na pomoc w powstrzymaniu choroby. Badania mogą również pomóc naukowcom w opracowaniu nowych metod leczenia.

z dobrem przychodzi zło

kiedy naukowcy badają ludzki genom pod kątem dowodów pozytywnej selekcji, najlepsi kandydaci są często zaangażowani w odporność. Nie dziwi fakt, że ewolucja tak bardzo kojarzy się z tymi genami: w przypadku braku antybiotyków i szczepionek najbardziej prawdopodobną przeszkodą dla osób przekazujących swoje geny byłaby prawdopodobnie zagrażająca życiu infekcja, która uderza przed końcem lat rozrodczych. Dalsze przyspieszenie ewolucji układu odpornościowego jest ciągła adaptacja patogenów do naszej obrony, co prowadzi do ewolucyjnego wyścigu zbrojeń między drobnoustrojami i gospodarzami.

zapisy tych zmagań pozostają w naszym DNA. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku retrowirusów, takich jak HIV, które przeżywają i rozmnażają się poprzez wstawianie materiału genetycznego do naszych genomów. Ludzkie DNA jest zaśmiecone kopiami tych krótkich genomów retrowirusowych, wiele z wirusów, które wywołały choroby miliony lat temu i które mogą już nie krążyć. Z czasem retrowirusowe sekwencje kumulują przypadkowe mutacje tak jak każda inna Sekwencja, tak że różne kopie są podobne, ale nie identyczne. Badając ilość rozbieżności między tymi kopiami, naukowcy mogą wykorzystać techniki zegara molekularnego do datowania pierwotnej infekcji retrowirusowej. Blizny po tych starożytnych infekcjach są również widoczne w genach układu odpornościowego gospodarza, które stale dostosowują się do walki z ciągle rozwijającymi się retrowirusami.

PtERV1 jest jednym z takich reliktowych wirusów. U współczesnych ludzi białko o nazwie TRIM5a zapobiega replikacji PtERV1 i powiązanych retrowirusów. Dowody genetyczne sugerują, że epidemia PtERV1 nękała starożytne szympansy, goryle i ludzi żyjących w Afryce około czterech milionów lat temu. Aby zbadać, jak różne naczelne reagowały na PtERV1, w 2007 roku naukowcy z Fred Hutchinson Cancer Research Center w Seattle użyli wielu losowo zmutowanych kopii PtERV1 w genomie szympansa do rekonstrukcji pierwotnej sekwencji PtERV1 i odtworzenia tego starożytnego retrowirusa. Następnie przeprowadzili eksperymenty, aby zobaczyć, jak dobrze ludzka i Małpia wersja genu TRIM5a może ograniczyć aktywność zmartwychwstałego wirusa PtERV1. Ich wyniki wskazują, że najprawdopodobniej pojedyncza zmiana w ludzkim TRIM5a umożliwiła naszym przodkom skuteczniejszą walkę z infekcją PtERV1 niż nasi kuzyni naczelni.

pokonanie jednego typu retrowirusa niekoniecznie gwarantuje jednak dalszy sukces w stosunku do innych. Nawet jeśli zmiany w ludzkim TRIM5a pomogły nam przetrwać PtERV1, te same zmiany znacznie utrudniają nam walkę z HIV. Odkrycie to pomaga naukowcom zrozumieć, dlaczego zakażenie HIV prowadzi do AIDS u ludzi, ale rzadziej robi to u nieludzkich naczelnych. Oczywiście, ewolucja może zrobić jeden krok do przodu i dwa kroki do tyłu. Czasami badania naukowe czują się tak samo. Zidentyfikowaliśmy wielu ekscytujących kandydatów do wyjaśnienia genetycznych podstaw charakterystycznych cech ludzkich. W większości przypadków jednak znamy tylko podstawy funkcji tych sekwencji genomu. Luki w naszej wiedzy są szczególnie duże dla regionów takich jak HAR1 i HAR2, które nie kodują białek.

te szybko rozwijające się sekwencje wskazują drogę do przodu. Historia tego, co uczyniło nas ludźmi, prawdopodobnie nie skupi się na zmianach w naszych białkowych blokach budulcowych, ale raczej na tym, jak ewolucja zmontowała te bloki w nowy sposób, zmieniając, kiedy i gdzie w ciele włączają się i wyłączają różne geny. Badania eksperymentalne i obliczeniowe prowadzone obecnie w tysiącach laboratoriów na całym świecie obiecują wyjaśnić, co dzieje się w 98,5% naszego genomu, który nie koduje białek. Z dnia na dzień wygląda coraz mniej jak śmieć.