понять, в чем причина появления этого общего признака в Африке, Азии и Южной Америке? Развитие этого фенотипа можно рассматривать как адаптивный ответ на очень похожие ограничения, накладываемые жизнью в тропическом лесу и связанные с климатом в различных зонах планеты. Был выдвинут целый ряд гипотез, предлагающих объяснение низкого роста у представителей этих популяций: недостаток пищи, защита от перегрева, связанного с крайней степенью влажности, возможность удобнее передвигаться по лесу и (или) эволюционный компромисс между ранним прекращением роста и началом репродуктивного возраста, поскольку эти популяции, как правило, имеют меньшую продолжительность жизни. Какой же из этих гипотез отдать предпочтение? За последние годы исследования в области геномики человека и популяционной генетики получили новые данные, позволяющие лучше понять генетические основы фенотипа пигмеев и природу отбора, который его формирует.
Охотники-собиратели тропического леса Центральной Африки, которых долгое время называли пигмеями, стали объектом многочисленных исследований в течение последних лет. Самые разные команды ученых из Франции и других стран взялись за вопрос их генетической адаптации к жизни в лесу – в частности, команда Поля Вердю и Эвелин Эйер из Национального музея естественной истории в Париже и команда, состоящая из Этьена Патэна и меня самого, из Института Пастера. В результате этих исследований был идентифицирован целый ряд генов, или участков генома, задействованных в изменении роста и в то же время несущих сигнатуры естественного отбора. Однако полученные результаты остаются неточными и требуют подтверждения, так как гены, идентифицированные в одном исследовании, часто не упоминаются в другом, и это может навести на мысль о большом числе ложноположительных результатов. Тем не менее, для таких адаптаций общепринятой считается роль двух генов: FLNB и EPHB1. Они имеют устойчивые сигнатуры положительного отбора, а их изменение влияет на рост модельных организмов[87] или напрямую на рост человека. Отметим, что для того, чтобы объяснить отсутствие воспроизводимых результатов в разных исследованиях, лучше (чем неуверенность в своих результатах…) рассмотреть развитие сходных адаптаций – как в случае усвоения лактозы. Данные геномных исследований, полученные командой Джорджа Перри из Университета штата Пенсильвания, склоняют нас к этому объяснению: они показывают различие в генетической адаптации к тропическому лесу Центральной Африки между охотниками-собирателями западных и восточных популяций.
Совсем недавно моя команда занялась этим вопросом. Речь шла о том, чтобы лучше понять адаптивное значение фенотипа пигмея в Африке и эволюционные механизмы приспособления к жизни в тропическом лесу. С этой целью мы собрали и проанализировали геномы шести групп охотников-собирателей из Центральной Африки и получили результаты, воспроизводящиеся на разных популяциях. Мы идентифицировали признак сильного положительного отбора, действующего по модели классического селективного выметания, который отмечается во всех группах охотников-собирателей, но отсутствует у их соседей-земледельцев из близлежащих деревень. Речь об участке генома, включающем ген TRPS1, задействованный в формировании некоторых морфологических характеристик – замедленного роста, строения черепа и лица, гипертрихоза (то есть повышенного оволосения), – а также в формировании иммунного ответа.
Кроме того, мы обнаружили у пигмеев признаки полигенного отбора. Более подробные исследования показали, что такие признаки, как возраст менархе (первой менструации) или возраст рождения первого ребенка, определяются плейотропным воздействием генов, ассоциированных с ростом. Другими словами, настоящим фенотипическим признаком, имеющим адаптивное значение, является рост, но поскольку гены, регулирующие рост, связаны и с другими функциями, отбор одновременно повлек за собой изменения нескольких признаков.
Следует уточнить, что полигенный отбор повлиял еще на некоторые биологические функции – такие, как иммунные реакции, связанные с ответом мастоцитов[88] на аллергены и микробов; сигнальный путь интерлейкина 2; взаимодействие вируса с клеткой-хозяином. Все это способствует генетической адаптации пигмеев к повышенному количеству патогенов в тропическом лесу. Таким образом, результаты исследований подтверждают гипотезу, что низкий рост лесных охотников-собирателей скорее имеет генетическую природу, а не вызван внешними факторами (например, недостаточным питанием) и что он является адаптивной характеристикой для жизни в тропическом лесу.
Особенности роста в Европе: полигенный отбор?
Оставим на минуточку лес, чтобы отправиться в менее экстремальные условия умеренного европейского климата. Здесь мы столкнемся с другими показателями роста и с другими вопросами. Почему европейцы на севере Европы в целом выше, чем на юге? Это тоже является результатом естественного отбора? На самом деле, в Европе сотни мутаций во многих генах были напрямую связаны с вариациями роста, и каждая из них внесла свой небольшой вклад в данную количественную характеристику. Если одна такая мутация влияет на рост в пределах нескольких миллиметров, то совместное действие сотен мутаций может дать отличие от средних показателей до нескольких сантиметров или даже десятков сантиметров в той или иной конкретной популяции.
За последние годы этому явлению были посвящены многие исследования, изучавшие расхождения в частотности мутаций, связанных с ростом, по сравнению с ожидаемыми расхождениями, вызванными дрейфом генов. В ходе этих исследований выяснилось, что полигенный отбор может объяснить различия в показателях роста, наблюдаемых между европейскими популяциями.
Для английской популяции исследователи, опираясь на данные биобанка[89] Великобритании, даже выдвинули гипотезу, что в течение последних двух тысяч лет имел место полигенный отбор, благоприятствующий увеличению частотности мутаций, ассоциированных с более высоким ростом. Но самые недавние исследования гораздо более осторожны в своих выводах. Сильный сигнал полигенного отбора, выявленный для роста, может оказаться результатом методологической погрешности предшествующих исследований, так как их данные не были скорректированы с учетом стратификации[90] популяций. Другими словами, в этих данных не учитывалось наличие систематической разницы в частотах аллелей между разными субпопуляциями одной и той же популяции – разницы, не зависящей от исследуемой характеристики. Как только результаты исследований скорректировали с учетом этого важнейшего фактора, сигнал полигенного отбора, связанного с ростом, оказался гораздо слабее.
Высокогорная гипоксия…
Возвращаясь к адаптации человека к экстремальным условиям, покинем Европу и рассмотрим пример жизни высоко в горах. На высоте 4000 метров концентрация кислорода в воздухе на 40 % ниже, чем на уровне моря. Между тем более 25 миллионов человек живут на высоте, превышающей 3000 метров: они постоянно вынуждены переносить состояние гипоксии, то есть недостатка кислорода. Конечно, на небольшой высоте тело может акклиматизироваться и до определенной степени приспособиться к разреженному воздуху благодаря действию физиологических механизмов адаптации. Но в горах все совсем по-другому. Мы знаем как минимум три популяции, живущие на большой высоте, для которых описаны генетические механизмы адаптации к гипоксии: это тибетцы в Гималаях, популяция кечуа и аймара в Андах, а также популяция амхара в Сыменских горах Эфиопского нагорья.
В ходе первого исследования тибетцев их геномы были сопоставлены с геномами популяций, живущих на небольшой высоте – таких, как