Митохондриальная ДНК и цитоплазматическая наследственность

ДНК в митохондриях — «энергетических станциях клетки»

Существует интересный молекулярно-генетический феномен, который имеет непосредственное отношение к различиям между мужчинами и женщинами. Как выяснилось ещё в 70-х годах XX века, ДНК в клетках эукариот (организмов с чётко дифференцированным ядром, к которым относится, естественно, и человек) находится не только в ядрах и не только в виде хромосом. ДНК удивительным об­разом выявляется ещё и в цитоплазме, конкретно — в митохондриях, которые известны как «энергетические станции клетки». Биологиче­ское значение ДНК в митохондриях неясно. В то же время, существу­ет довольно привлекательная гипотеза, согласно которой митохондрии — это на самом деле древнейшие одноклеточные орга­низмы, внедрившиеся в более крупные амёбообразные одноклеточные организмы, потерявшие затем свою независимость и превратившиеся вначале в симбиотические, а затем — в субклеточные структуры. Это про­изошло миллиарды лет тому назад и с тех пор, возможно, в биологии мито­хондрий многое изменилось. Тем не менее, они сохранили свою ДНК и все мутации в ней. Это подтверждается ещё и тем, что генетический код ми­тохондриальной ДНК (мтДНК) немного отли­чается от стандартного.

Цитоплазматическая наследственность — передача митохондриальной ДНК (мтДНК) последующим поколениям

Наш интерес к митондриальной ДНК обусловлен следующим обстоятельством. Считается (и тому есть много подтвержде­ний, в том числе, электронных микрофотографий), что при оплодо­творении яйцеклетки в её цитоплазму проникает только ядро сперматозоида, но не его цитоплазма. Как известно, яйцеклетка примерно в 85 тыс. раз больше сперматозоида, основную её массу со­ставляет богатая питательными компонентами цитоплазма. Сперматозоид в процессе проникновения в яйцеклетку теряет компоненты своей цитоплазмы (митохондрию, центриоль и обеспечивающий по­движность хвост). В результате митохондриальная ДНК отца не передаётся в новый организм, в то время как митохондриальная ДНК матери будет передаваться по мате­ринской линии. Это хорошо демонстрирует рисунок 1, из которо­го видно, что матери передают свою митохондриальную ДНК как дочерям, так и сыновьям, однако только дочери передают её последующим поколе­ниям. Иначе говоря, каждая женщина несёт в своих клетках ДНК, происхождение которой уходит в глубокую древность, и которая фактически принадлежала всем её предкам по материнской линии (матери, бабушке, прабабушке и т. д.). Это явление получило название цитоплазматической наследственности.

Наследование митохондриальной ДНК

Рис. 1. Схема наследования митохондриальной ДНК. Кружком обведены индивидуумы, имеющие общую митохондриальную ДНК

Сущность митохондриальной ДНК

Необходимо отметить, что митохондриальная ДНК — это небольшая кольцевая молекула, несущая всего несколько десятков генов. В каждой клетке она присутствует во множестве копий (в отличие от ДНК ядра). В си­лу наличия кодирующих участков она имеет определённое функцио­нальное значение. Считают, что именно с нарушениями в митохондриальной ДНК связан так называемый синдром митохондриальной цитопатии. При этой патологии наблюдаются структурные дефекты митохондрий. Приводятся также данные о том, что некоторые формы биполярного расстройства, передающиеся только по женской линии (это заболевание может определяться многими генами и передаваться по разным механизмам наследования) связаны с дефектами в митохондиальной ДНК. Для нас важно то, что достижения молекулярной генетики и возможность выявлять маркеры митохондриальной ДНК неожиданным образом пролили свет на такую проблему, как происхождение современного человека и его распространение по земному шару. К этой проблеме, как оказалось, имеет также отношение мужская Y-хромосома, передаваемая из поколения в поколение по мужской линии.

Роль митохондриальной ДНК и Y-хромосомы в выяснении истории человечества

Поскольку митохондриальная ДНК передаётся из поколения в поколение в более или менее неизменном виде по материнской линии, а гены Y-хромосомы аналогичным образом передаются только по мужской линии, можно проследить женских и мужских предков современных людей, построив соответствующие генеалогические схемы. Важно то, что митохондриальная ДНК вообще не подвергается рекомбинации, а на Y-хромосоме есть нерекомбинируемые участки. Таким образом, естественное «пе­ремешивание» генетического материала в данном случае не вносит нарушений. В то же время, в процесс вмешиваются мутации. Это обстоятельство и даёт в руки исследователям необходимый инструмент.

Можно утверждать, что все изменения генетического текста Y-хромосомы связаны с накоплением мутаций из поколения в поколе- ние. Отсутствие рекомбинации приводит к тому, что, раз появившись, мутации сохраняются на протяжении тысяч поколений, маркируя тем самым Y-хромосому всех потомков того индивида, в ДНК которого эта мутация появилась. Современные мужчины, имеющие одинако­вые мутации в Y-хромосоме, восходят к общему предку по мужской линии. Очевидно, что родные братья получают от отца Y-хромосомы с одинаковыми мутациями, то есть они относятся к одной линии Y-хромосом. Однако если у одного из братьев произойдёт мутация, ко­торую он передаст своим сыновьям, то здесь линии наследования разойдутся на две ветви.

То же самое можно сказать о митохондриальной ДНК. Для построения филогене­тического древа по материнской линии достаточно определить по­следовательность небольших (около 400 пар нуклеотидов) наиболее быстро мутирующих фрагментов митохондриальной ДНК. Другой метод анализа — выявление различий в участках ДНК, распознаваемое ферментами рестриктазами (ферментами, которые узнают и атакуют определённые последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК). Для большей точности используют комбинацию этих методов. Так как технически проводить исследования митохондриальной ДНК проще, они были начаты раньше, чем исследования Y-хромосомы.

Очень важным является вопрос о том, как часто возникают мутации и можно ли использовать анализ мутаций для оценки абсолютного времени. Впервые эту идею выдвинули Цукеркандль и Полинг в 60-х годах XX века, предположив, что мутации, возникающие с определённой средней частотой, могут служить своего рода «молекулярными часами». Разумеется, возникновение мутаций — это вероятностный процесс, однако, анализируя с помощью современных методов молекулярной генетики мутации в костных останках организмов, возраст которых более или менее точно установлен другими независимыми методами, или изучая организмы, стоящие на различных ступеньках развития, можно оценить частоту накопления мутаций.

Изучение митохондриальной ДНК представителей разных рас

Исследования митохондриальной ДНК представителей разных рас и народностей выявили общность происхождения всех ныне живущих людей по женской линии. Эти исследования были проведены в 1987 г. группой А. Уилсона из Калифорнийского университета в Беркли. Они полу­чили митохондриальную ДНК от 147 представителей различных рас, проживающих в различных регионах земного шара. Группа Уилсона установила количество мутаций, различающих каждого из исследованных индивидов, а также координаты и тип этих мутаций в исследуемом фрагменте молекулы ДНК.

Из-за того, что система репарации в митохондриях работает не так, как в ядре, скорость накопления мутаций в митохондриальной ДНК в 10 раз больше, чем в ядерной ДНК. В митохондриальной ДНК имеется гипервариабельный участок размером примерно в 300 нуклеотидов, в котором скорость накопления мутаций в 10 раз выше, чем в остальной части митохондриальной ДНК. Скорость накопления нуклеотидных замен в гипервариабельном участке митохондриальной ДНК человека — 1 нуклеотид в 18-20 тыс. лет. Максималь­ные отличия между митохондриальными ДНК у двух случайно выбранных разных лю­дей — 22 нуклеотида. Генетическое разнообразие в эволюционно родственной группе, например среди членов одной этнической груп­пы, будет меньше. К примеру, максимальное число отличий в гипервариабельном участке митохондриальной ДНК между индивидами у всех русских — 4 нуклеотида. Скорость накопления замен у человека рассчитывается по сравнению с числом замен, возникших после дивергенции челове­ка и шимпанзе. В связи с этим, в зависимости от того, какая дата рас­хождения этих видов принята за основу расчётов (5,5 или 7 млн. лет), полученные генетические датировки событий популяционной истории колеблются на 20-30 %.

Анализ тысяч образцов, полученных от женщин, проживающих в разных регионах земного шара, показал, что все митохондриальные ДНК можно представить как происходящие от одной предковой последовательности. Об этом свидетельствует то, что есть мутации общие почти для всех женщин, мутации более редкие и крайне редкие. По степени разнообразия митохондриальной ДНК Уилсон оценил время, прошедшее с тех пор, когда существовала предковая последовательность. Это время вычисляется как время схождения всех линий митохондриальной ДНК в одну точку (точка коалесценции). Согласно выводам группы Уилсона, «праматерь», к которой восходят все типы митохондриальной ДНК современных людей, жила в Восточной Африке менее 200 тысяч лет назад.

Мысль о том, что у всех ныне живущих людей была общая «праматерь», немедленно породила в прессе представления о «Еве-прародительнице» и как бы замкнула цикл, соединив содержание библейских мифов и достижении ультрасовременной науки. Аналогичные данные относительно Y-хромосомы дополнили эти представления, вызвав к жизни образ Адама, в результате чего в сознании людей едва ли не закрепилась мысль о том, что наука подтверждает религиозные взгляды на происхождение людей. В популярной прессе даже появились «портреты» — Адам и Ева предстали в облике чёрных мужчины к женщины с типичными африканскими чертами.

На самом деле речь идёт не о единственных конкретных муж­чине и женщине, а о популяции размером примерно 10 000 человек. Пола­гают, что именно такое количество современных людей, живших в Восточной Африке около 150 тыс. лет тому назад, в результате миграций и распространения по континентам дало начало современному человечеству. Такое сравнительно небольшое число людей в исход­ной популяции подтверждается современными данными, согласно которым генетическое разнообразие современных людей намного меньше, чем у современных человекообразных обезьян. Люди как бы «прошли через бутылочное горлышко» в своём развитии, были на грани вымирания, но впоследствии достигли огромной численности, в то время как шимпанзе и другие человекообразные были более мас­совыми, но затем их численность упала, и сегодня многие занесены в Красную Книгу. Вполне возможно, что экспансия человека на плане­те способствовала этому.

Причины миграции людей из Африки

Всe люди, по всей видимости, исходно были чёрными. Расселяющиеся племена, вероятно, потому и двинулись в путь, что в результате мутации утратили тёмный цвет кожи. Необходимость перемещаться могла исходить из неприя­тия остальным насе­лением их цвета кожи или в связи с поиском более про­хладных мест обита­ния с меньшей инсоляцией, так как от­сутствие пигмента могло сказываться на адаптации к жаркому солнечному климату. Роль миграций объясняется следующими сооб­ражениями. Пока люди живут вместе, появляющиеся у них мутации распространяются по всей группе вследствие перемешивания генети­ческого материала. Если же группы разделились, процесс накопления мутаций идёт в каждой из них независимо. Число накопленных раз­личий между группами пропорционально времени, прошедшему с момента их разделения. Изучение генетического разнообразия пле­мён, населяющих сегодня африканский континент, подтверждает ги­потезу африканского происхождения современных людей.

На основе изучения митохонриальной ДНК населения разных регионов мира удалось установить пути и даты основных миграций, по крайней ме­ре, применительно к женской половине населения. Так, наиболее древние из известных сегодня мутаций митохондриальной ДНК возникли в Африке примерно 150-190 тыс. лет тому назад, затем уже в Азии стали про­исходить всё новые и новые мутации. Это свидетельствует о том, что люди современного типа впервые появились в Африке, а некоторые племена около 80 тыс. лет тому назад совершили исход из Африки и достигли Азии (рис.2.).

Миграция людей из Африки

Рис. 2. Пути миграции человеческих линий из Африки

Ещё до выхода из Африки человеческая популяция, по-видимому, разделились на три основные группы, дав­шие начало африканской, азиатской (монголоидной) и европейской расам. Считается, что примерно в это время в связи с очередным лед­никовым периодом из-за связывания в виде льда огромных масс во­ды, уровень мирового океана понизился на несколько десятков метров, в силу чего исход из Восточной Африки мог происходить кратчайшим путём — по дну обмелевшего Красного моря. Далее люди могли перемещаться в Малую Азию, по побережью Индийского океана — на территорию современной Индии, и далее на Восток, заселяя Индокитай, острова Океании и Австралию. Наряду с заселением Австралии (что произошло примерно 50-40 тыс. лет тому назад) часть людей из Индокитая двинулась на север, заселив Дальний Восток. Наиболее поздние миграции людей наблюдались в Америку, вероятно, по льду через Берингов пролив. Другая часть вышедших из Африки племён из Малой Азии направилась на Северо-Запад, вслсдствие чего последовало заселение современными людьми Восточной и Западной Европы (примерно 50 тыс. лет тому назад).

Важно подчеркнуть, что данные, полученные на основе анализа митохондриальной ДНК (женская линия) и анализа нерекомбинируемой части Y-хромосомы (мужская линия) в основном совпадают. В то же время, генетические данные анализа митохондриальной ДНК и Y-хромосомы показывают, что поведение мужчин исторически в половом процессе существенно отличалось от поведения женщин. Так, судя по частоте некоторых мутаций, у мужчин число детей значительно превышает таковое у женщин, а среди мужчин также наблюдается дифференциация — у некоторых родоначальников линий число детей на порядок выше, чем у большинства остальных. Судя по всему, они представляли собой некую «звёздную» группу, не имевшую конкурентов и оставившую большое потомство. Таким образом, историко-генетические данные подтверждают гипотетические построения Ч. Дарвина о дифференци­альной плодовитости наиболее адаптированных особей и о большем значении плодовитости, чем выживаемости.

Имеются также подтверждения правильности выдвинутых гипотез из независимых источников, трактующих этнокультуральные и лингвистические связи. Особенно важны исследования родства языков, особенно их фонетиче­ских особенностей, например щёлкающих звуков, широко распространённых среди африканских наречий. В последнее время появились исследования, кото­рые подтверждают приведённую выше гипотезу расселения людей путём анализа генетических особенностей различных пород кур и крупного рогатого скота, который, очевидно, не мог перемещаться сам, а мигрировал вместе с людьми-животноводами, а также генома микроорганизмов, населяющих человеческий организм. Так, например, эволюция генома возбудителя язвы желудка Helicobacter pylori происходила в довольно строгом параллелизме с геномом человека. Считается, что данный микроорганизм, населяющий желудок человека, проник в его организм ещё на территории Африканского континента, а затем распространился вместе с организмом-хозяином по земному шару.

Эволюция пола человека

Следует отметить, что генетика и биология пола применительно к человеку и сегодня остаётся предме­том напряжённых исследований и дискуссий, многое остаётся непонятным и требует дальнейшего изучения. По сути дела, само существование полов и наличие полового механизма размножения является, в некотором смысле, эволюционной загадкой. Многие эволюционисты отмечали, что партеногенез или истинный гермафродитизм создают такие же предпосылки для биоразнообразия, как и половой процесс, но при значительно меньших энергетических затратах и с меньшей долей риска для вида.

Современные теории, в частности концепция российского учё­ного В. А. Геодакяна, подчёркивают эволюционную неоднозначность женского и мужского начала — женский пол символизирует стабиль­ность и сохранение генофонда, в то время как мужской — поиск ново­го и выявление наиболее подходящих адаптивных вариантов для будущего. Главный тезис теории Геодакяна заключается в том, что разнополость может быть и не самый лучший способ размножения, но зато очень эффективный способ эволюции. Суть приспособления заключается в отслеживании экологических сигналов и реагировании системы на изменения среды. Геодакян предположил, что для сохра­нения устойчивости системы (вида в целом) выгодно разделиться на два пола, один из которых (мужской) активно взаимодействует со средой и быстро реагирует на все изменения, а второй (женский) от­носительно отдалён от среды и консервативен.

В эволюции пола появился целый ряд механизмов, которые обеспечивают более тесную связь женского пола с генеративным (консервативным) потоком, а мужского — с экологическим (оператив­ным). Так, у мужского пола по сравнению с женским выше частота мутаций, меньше аддитивность наследования родительских призна­ков, уже норма реакции, выше агрессивность и любознательность, ак­тивнее поисковое и рискованное поведение и другие качества, «приближающие к среде». Все они обеспечивают мужскому полу быстрый доступ к экологической информации. Необходимо учиты­вать также избыточность мужских гамет, их малые размеры и высо­кую подвижность, большую активность и мобильность самцов, их склонность к полигамии и другие этолого-психологические свойства. Наоборот, поведенческие особенности самок связаны с длительными периодами беременности, необходимостью выкармливания и заботы о потомстве. В итоге биолого-поведенческие качества мужских особей превращают мужской пол в «избыточный», стало быть, «дешёвый», а женский — в дефицитный и более ценный.

С данной точкой зрения хорошо сочетаются многие психологические и поведенческие особенности мужчин и женщин, более высокая смертность мужчин от стрессовых заболеваний и самоубийств и многие психо-биологические особенности мужчин и женщин, о которых шла речь выше. Эти соображения в последнее время существенно дополнены исследованиями генетического плана. Гены клеток мозга у обоих полов в основе своей одинаковы, однако многие из них более активны в мозгу представителей определённого пола. Эти, свойственные одному из полов, схемы работы генов, по-видимому, способны влиять на многие аспекты поведения, в частности, различия в активности генов в мозгу могут являться важной причиной отличий в поведении мужчин и женщин. Эти различия, в свою очередь, вероятно, возникли как результат эволюционного развития полов.

Наблюдаемые различия в экспрессии генов в мозге способны объяснить различия психического здоровья и развития нервных забо­леваний у мужчин и женщин, разное реагирование на лекарственные препараты и психотерапию. Сейчас наука активно обсуждает вопрос о гендерных особенностях при назначении психотропных препаратов, а также о лечении заболеваний или повреждений мозга с учётом ген­дерной принадлежности.

Источник: Розанов, В. А. Биология человека и основы генетики: Учебное пособие / В. А. Розанов. – Одесса: ВМВ, 2012. – 435 с.

Другие связанные статьи:

Психологические и биологические различия между полами

Гомосексуальность с точки зрения биологии человека

Влияние половых гормонов на организм человека

Наследование признаков человека, сцепленных с полом

Ответить

Ваш e-mail не будет опубликован.

Вы можете использовать HTML- теги и атрибуты:

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>