Молекулярная и фенотипическая дивергенция приматов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.15, кандидат биологических наук Тетушкин, Евгений Яковлевич

• Тетушкин, Евгений Яковлевич
• кандидат биологических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Тетушкин, Евгений Яковлевич

Обозначения и сокращения.

Введение.

Глава 1. Темпы эволюции молекул и организмов.

1.1. Первоначальные гипотезы.

1.2. Пуассоновская модель молекулярных часов.

1.3. Способы проверки гипотезы молекулярных часов.

1.4. Нейтралистская модель молекулярных часов.

1.5. Селекциопистские модели молекулярных часов.

1.6. О точности молекулярных часов.

1.7. Молекулярная и фенотипическая дивергенция.

1.7.1. Предыстория вопроса.

1.7.2. "Эволюция на двух уровнях" по Уилсону.

1.7.3. Концепция коэволюции молекул и морфологий.

1.7.4. "Закон спринтера и стайера".

1.7.5. О связи генетических и фенотипических расстояний.

1.7.6. Динамика скоростей эволюции организмов.

Глава 2. Темпы молекулярной эволюции приматов.

2.1. Возникновение дилеммы.

2.2. Темпы эволюции аминокислотных последовательностей.

2.3. Темпы эволюции нуклеотидных последовательностей.

2.4. Динамика накопления мутаций.

2.5. Факторы, влияющие на темпы молекулярной эволюции.

2.5.1. Частота мутаций.

2.5.2. Скорость фиксации мутаций.

2.5.3. Относительный вклад разных факторов.

2.6. Темпы геномной эволюции.

Глава 3. Генетические расстояния по белковым маркёрам.

3.1. Электрофоретическое изучение белков мартышек и макаков.

3.1.1. Материал и методика.

3.1.2. Описание электрофоретических фенотипов.

3.2. Генетические расстояния по частотам электроморф.

3.2.1. Генетические расстояния Нея.

3.2.2. Сравнение генетических расстояний.

3.3. Антигенные и аминокислотные расстояния.

Глава 4. Дивергенция морфофеномов.

4.1. Данные о пропорциях тела приматов.

4.2. Показатель расстояния и методы кластеризации.

4.3. Результаты кластерного анализа.

Глава 5. Генетическая и фенотипическая дивергенция.

5.1. Сравнение генетических и фенотипических расстояний.

5.2. Темпы эволюции на двух уровнях организации.

5.3. Генетическая и традиционная систематика.

Глава 6. Генетический полиморфизм и эволюция обезьян.

6.1. Постановка вопроса.

6.2. Изменчивость по локусу

6.3. Внутривидовая изменчивость электрофоретических маркеров генов мартышек и макаков.

6.4. О причинах различий в генетической изменчивости мартышек и макаков.

6.5. О причинах различий в генетической изменчивости азиатских и африканских обезьян.

Глава 7. Дифференциация человечества.

7.1. Генетические и фенотипические расстояния между расами.

7.1.1. Постановка вопроса.

7.1.2. Материалы и методы.

7.1.3. Результаты сопоставления дендрограмм.

7.2. Генетика и происхождение рас.

7.2.1. Понятие расы и генетическое разнообразие человечества.

7.2.2. ДНК-маркеры, дифференциация «рас» и происхождение человека.

7.2.3. Генетика и эволюция «расоводиагностических признаков».

7.2.4. Существуют ли расы человека?.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Молекулярная и фенотипическая дивергенция приматов»

Одна из ключевых задач современной эволюционной генетики состоит в том, чтобы объединить на общей концептуальной основе теорию молекулярной эволюции с теорией эволюции фенотипов (феномов). Её решение предполагает глубокое понимание сущности генетических основ эволюции, которое может быть достигнуто только в результате заметного прогресса в изучении организации генома, механизмов морфогенеза и связи между эволюционными изменениями информационных молекул и количественных признаков. Настоящее исследование посвящено феноменологическому анализу такой связи на примере эволюции приматов.

Проблема соответствия между молекулярной и фенотипической (точнее, феномной) эволюцией возникла в 1960-е годы вместе с молекулярной эволюционной генетикой. Тогда же были высказаны первые предположения относительно характера такой связи. Они были сформулированы в известной работе Цукеркандла и Полинга (Zuckerkandl, Pauling, 1965) в виде двух альтернативных гипотез. Согласно первой, получившей название гипотезы молекулярных часов, скорость накопления мутационных замен приблизительно постоянна и не зависит от темпов фенотипической эволюции. Согласно второй, темпы эволюции информационных макромолекул изменяются с изменением темпов феномной эволюции. В те же 1960-е годы появились первые работы, в которых проводились сравнения молекулярно-генетических и феномных различий между таксонами разного ранга. Однако эти исследования, продолжавшиеся и после 1960-х годов, не внесли существенного вклада в теорию рассматриваемого вопроса.

В последующие десятилетия первая из упомянутых гипотез наиболее активно разрабатывалась Кимурой и его последователями в рамках выдвинутой им теории нейтральности. Кимура считал, что молекулярная и фенотипическая эволюция отличаются по темпам и по форме: если первая протекает с постоянной скоростью и консервативна по форме, то вторая неравномерна и носит приспособительный характер. Последняя книга покойного Кимуры, написанная на японском языке, посвящена проблеме взаимосвязи нейтральной эволюции на молекулярном уровне и адаптивной эволюции на фенотипическом уровне (см. некролог: ТакаЬа1а, 1995). Иную точку зрения отстаивают Гудмэн и некоторые другие авторы, которые рассматривают молекулярную эволюцию как часть организмепной эволюции и говорят о коэволюции генетических молекул и морфологического фенотипа. Обе эти концепции нередко дополняются представлением, что в основе фенотипической эволюции лежат главным образом изменения в регуляторных участках генома, влияющие на экспрессию групп генов и обладающие комплексным системным эффектом.

Так или иначе, существует обоснованное мнение, что эволюция на разных уровнях организации живого характеризуется специфическими закономерностями. Эти закономерности определяются особенностями действия факторов эволюции на соответствующие признаки. Так, например, белки и кодирующие их гены, по-видимому, испытывают большее влияние случайного дрейфа и существенно меньшее естественного отбора, чем морфологические структуры. В результате, наряду с мозаичной эволюцией признаков одного уровня — в данном случае разных макромолекул или морфологических признаков — должна наблюдаться и действительно наблюдается межуровневая мозаичность эволюционных преобразований информационных молекул, с одной стороны, и морфофенотипических признаков — с другой.

Цель настоящей работы состояла в том, чтобы сопоставить темпы дивергенции приматов на молекулярном и организменном уровнях организации. Для её достижения предполагалось провести комплексный анализ эволюции таксонов этого отряда по белковым маркерам генов, с одной стороны, и морфометрическим характеристикам — с другой. Одним из теоретических оснований, послуживших исходным пунктом при выполнении данной работы, было предположение, которое один из основателей синтетической теории эволюции, эволюционный цитогенетик Стеббинс назвал законом зайца и черепахи" (Stebbins, 1983) и которое мы называем "законом спринтера и стайера". Из него следует, что корреляции между молекулярными и фенотипическими расстояниями для недавно дивергировавших таксонов должны быть, как правило, выше, чем для давно дивергировавших таксонов. В наших работах на эту тему, часть из которых вышла еще до упомянутой публикации Стеббипса, мы исходили именно из такого интуитивно правдоподобного предположения; это была одна из рабочих гипотез, с которой мы приступили к данной работе. Предполагалось, что кривая зависимости фенотипической дивергенции от генетической с ростом последней выходит на плато.

В последние годы наблюдается оживление интереса к проблеме связи между молекулярной и фенотипической эволюцией, объясняемое появлением предпосылок для ее решения. С одной стороны, образовался постоянно растущий массив информации о геномах, с другой — появились базы данных о феномах, т.е. формализованные описания фенотипов отдельных видов. Об актуальности выбранной темы свидетельствует, например, то обстоятельство, что проект "Геномы приматов" предлагается дополнить проектом "Феномы приматов" (Varki et al., 1998; и др.). В настоящее время уже осуществляется несколько подобных феномных проектов, охватывающих и виды млекопитающих (см. обзоры: Bard, 2005; Mabee et al., 2007; Mailman et al., 2007) . Сопоставление результатов таких парных проектов поможет прояснить генетические основы организменной эволюции. Это одно из самых важных направлений современной биологии (Тетушкин, 2008; см. Заключение). Таким образом, тема диссертации, сформулированная ещё в «догеномную эру», оказалась в русле новейших тенденций развития эволюционной генетики (геномики).

Приматы были выбраны в качестве объекта этого исследования ввиду, во-первых, их хорошей изученности на всех уровнях организации, во-вторых, их большого феномного разнообразия, в-третьих, в связи с тем, что их молекулярная систематика в ряде существенных деталей отличается от традиционной и, в-четвертых, потому, что они включают человека, эволюционно-генетическое изучение которого с помощью сравнительных подходов и методов представляет очевидный и особый интерес.

В соответствии с целью исследования, первоначально были поставлены три основные задачи:

1) провести электрофоретическое изучение белков некоторых обезьян, рассчитать, на основе собственных и литературных данных, соответствующие генетические расстояния и проанализировать, в свете полученных результатов, феномен "парадоксального" сходства белковых маркеров генов гоминоидов;

2) проанализировать зависимости между генетическими и морфологическими расстояниями с применением корреляционного и кластерного анализа;

3) вычислить и сопоставить величины изменений генетических молекул и количественных морфометрических признаков на разных этапах филогенеза человека и других приматов.

Было впервые показано, что генетические расстояния по электрофоретическим маркерам генов между таксонами приматов в среднем существенно меньше, чем между столь же отдаленными, в систематическом отношении, таксонами неприматов (Тётушкин, 1981, 1983а). Автор первым продемонстрировал, что средние генетические расстояния между относительно близкими родами узконосых приматов прямо пропорциональны средним морфологическим расстояниям (Тётушкин, 1979а) и что значения корреляций между расстояниями этих двух типов зависят от глубины дивергенции таксонов: чем меньше дивергенция — тем сильнее корреляция (Тётушкин, 19896). Впервые, с помощью линейного программирования, были вычислены и сопоставлены длины ребер филогенетических деревьев, отражающих соответственные эволюционные изменения по молекулярным и морфологическим признакам приматов (Тётушкин, 19896). На основе этого сравнения сделан ряд важных выводов относительно темпов молекулярной и фенотипической эволюции на разных этапах филогенеза и в разных филогенетических линиях отряда приматов.

Интегрирующей идеей, объединяющей материалы этой диссертации, служит концепция мозаичной эволюции. Квазинезависимая дивергенция на молекулярном уровне, с одной стороны, и организменном — с другой, составляющая предмет данного исследования, была названа нами «межуровневой мозаичпостью». В диссертации проанализированы закономерности такой мозаичности в ходе эволюции приматов. Выявленные феноменологические зависимости между дивергенцией на двух уровнях организации получат всеобъемлющее объяснение только тогда, когда будут выяснены каузальные связи между геномами и феномами. С другой стороны, изучение подобных зависимостей, в частности предпринятое в данной работе, помогает установлению таких связей. Происходящий сейчас переход к «широкогеномным» и феномным сравнениям таксонов открывает новые перспективы в этой области исследований.

Структура диссертации отличается от традиционной. Она определяется логикой развития темы, которая требует анализа широкого спектра источников из разных областей биологии.

Заключение диссертации по теме «Генетика», Тетушкин, Евгений Яковлевич

выводы

1. Молекулярные часы на ранних этапах филогенеза приматов «спешат», а на поздних, особенно у гоминоидов, — «отстают». Скорость накопления мутаций определяется рядом взаимодействующих факторов, важнейшим из которых является длина поколения.

2. Таксоны высших приматов разного ранга — от видов одного рода до близких семейств —■ по электрофоретическим маркерам генов сходны на уровне популяций, подвидов и близкородственных видов неприматов. Генетические расстояния между этими таксонами, включая гоминоидов, соответствуют их иерархии.

3. В филогенезе приматов иммунологические часы на основе белков сыворотки крови, как правило, идут синхронно с часами, основанными на аминокислотных последовательностях секвенированных, в основном внутриклеточных, белков. В линии гоминид вторые часы «отстают» от первых.

4. Таксономическое значение пропорций тела приматов невелико. Различия по ним отражают как общие генетические различия, так и, в большей степени, различия по размерам тела и типам локомоции.

5. Генетические расстояния между относительно близкими родами, принадлежащими к одним и тем же подсемействам узконосых приматов, пропорциональны различиям в их морфологии. Значения корреляций между генетическими и морфологическими расстояниями находятся в обратной зависимости от глубины дивергенции сравниваемых таксонов.

6. Существуют значительные диспропорции в длинах ребер минимальных по общей длине деревьев, построенных по генетическим расстояниям, с одной стороны, и фенотипическим — с другой. Сопоставление ребер этих деревьев подтверждает гипотезу шимпанзоидного предка гоминид и свидетельствует в пользу гипотезы тарзиморфного предка высших приматов.

7. Традиционная систематика приматов в общих чертах, за некоторыми исключениями, согласуется с их молекулярной филогенетикой.

8. Средняя генетическая изменчивость африканских обезьян, в частности, по высокополиморфному локусу Т£ значительно ниже средней генетической изменчивости азиатских обезьян, что согласуется с гипотезой азиатского происхождения некоторых африканских обезьян.

9. Характер дивергенции больших рас человека по пропорциям тела, не являющимся расоводиагностическими признаками, сходен с характером их дифференциации по молекулярным маркерам: выделение негроидного ствола в обоих случаях предшествует расхождению европеоидов и монголоидов. Гипотеза о первоначальном разделении человечества на евро-африканскую и азиатско-океанийскую группы популяций не находит подтверждения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Со времени появления статьи Кинг и Уилсона (King, Wilson, 1975а), побудившей нас начать эту работу, прошло более 30 лет. Эволюционная генетика ушла далеко вперед, а на рубеже веков ещё и породила эволюционную геномику, которая изучает эволюционный процесс не по отдельным локусам, а на основе сравнительного анализа геномов. Сформировалась также такая дисциплина как эволюционная биология развития ("evo-devo", как её называют в англоязычной литературе), изучающая причинные связи между эволюционной изменчивостью генов и морфологических структур. Что нового привнесли эти перемены в наше понимание проблемы «эволюции на двух уровнях организации»?

В 2005 г. было опубликовано эссе «Эволюция на двух уровнях: о генах и форме» (Carroll, 2005; русск. перевод: Кэрролл, 2007), посвященное 30-летнему юбилею статьи Кинг и Уилсона (King, Wilson, 1975а). В нем рассматривается, с современных позиций, вопрос об относительном вкладе изменений регуляторных и кодирующих последовательностей в эволюционную изменчивость морфологических признаков. Автор приводит аргументы в пользу положения о том, что основной вклад в эволюцию анатомических структур вносят мутации регуляторных последовательностей; иными словами, он подтверждает главный тезис чествуемой «классической статьи».

Здесь требуются пояснения. В «классической статье» (King, Wilson, 1975а) действительно высказывалось предположение, что «основные биологические различия между человеком и шимпанзе» возникли в результате «регуляторных мутаций». О природе этих мутаций почти ничего не говорилось, поскольку о ней тогда ничего не было известно. Отмечалось только, что они приводят к «изменениям в механизмах, контролирующих экспрессию генов». Некоторые из таких изменений, полагали авторы статьи, могут быть вызваны хромосомными перестройками. Кинг и Уилсон противопоставляли регуляторные мутации точковым мутациям в генах, кодирующих белки. По их высказанному тогда мнению, для проверки «гипотезы о том, что организменные различия между особями, популяциями и видами обусловлены главным образом регуляторными различиями», нужны новые методы.

В упомянутой современной интерпретации этих идей (Carroll, 2005) под кодирующими последовательностями имеются в виду преимущественно гены факторов транскрипции, а под регуляторными последовательностями — цис-регуляторные элементы (то есть промоторы, энхансеры, сайленсеры, инсуляторы). Думаю, что такое «осовременивание» концепции, сформировавшейся в 1970-х годы, не вполне корректно. Изменения последовательностей обоих типов влияют на экспрессию генов и, согласно приведенному определению, относятся к регуляторным мутациям. В «классической статье» в качестве последовательностей первого типа рассматриваются в основном гены «белков домашнего хозяйства» и транспортных белков. В данной диссертации под термином кодирующие последовательности тоже подразумеваются нуклеотидные последовательности любых структурных генов.

Кэрролл, в сущности, сравнивает влияние одних регуляторных мутаций (в кодирующих генах) с влиянием других регуляторных мутаций (в некодирующих последовательностях). Какие аргументы легли в основу сделанного им вышеприведенного вывода? Исходный пункт его теоретических рассуждений — тезис о решающем влиянии плейотропии на относительный вклад тех или иных генетических механизмов в эволюционную изменчивость морфологических признаков. Считается, что фиксация мутаций, воздействующих на формообразование, зависит от их плейотропных эффектов: чем больше эти эффекты — тем больше снижается приспособленность и усиливается интенсивность отбора против мутантов. У многоклеточных организмов точковые мутации в структурных генах, например, кодирующих факторы транскрипции, проявляют свое действие, если они не нейтральны, во всех тканях, где экспрессируются эти гены. Необходимые в конкретных ситуациях морфологические сдвиги могут быть достигнуты как в результате изменений определенных кодирующих, так и некодирующих последовательностей. Однако мутации в дуплицированных цис-регуляторных элементах имеют избирательное, более локальное проявление и поэтому сопровождаются меньшими плейотропными эффектами. Заметим, что мысль об ограничении плейотропии через дифференциацию организации развивалась Серебровским еще в 1930-х гг. (Серебровский, 1973). Сходную мысль об «устранении явлений плейотропизма», сопряженных с геномными корреляциями, высказывал Шмальгаузен. Он считал, что «наиболее быстрый темп эволюции мозаичного организма» может быть обеспечен только при его максимальной мозаичности (Шмальгаузен, 1982, с. 208).

Рассмотрение соответствующих эмпирических данных, которых пока немного, вроде бы подтверждает эти теоретические построения. Получены убедительные результаты, свидетельствующие, что приобретение, потеря или изменение ряда морфологических и физиологических признаков никак не связаны с мутациями кодирующих генов и обусловлены исключительно изменениями в модульных цис-регуляторных элементах (см. ссылки в эссе Carroll, 2005; Gumucio et al., 2002). Вместе с тем существуют не менее убедительные примеры влияния на морфологические признаки мутаций в кодирующих последовательностях. Однако аминокислотные замены в белках с широким спектром плейотропных эффектов, как правило, отсеиваются стабилизирующим отбором и поэтому не вносят вклада в морфологическую изменчивость. К тому же высказывается мнение (Гомпел и др., 2008), что за развитие организма отвечает не более 10% его структурных генов. Остальные, возможно, не влияют на процесс формообразования.

Пока у нас нет оснований принимать изложенную точку зрения за истину в последней инстанции. Ней (Nei, 2007), например, не согласен с тем, что морфологическая эволюция обусловлена преимущественно мутациями в регуляторных последовательностях, поскольку ни Уилсон, ни его последователи в данном вопросе не представили достаточных доказательств своей правоты. Напротив, он считает, что накапливается все больше и больше данных, свидетельствующих о важном эволюционном значении мутаций структурных генов, придерживаясь при этом гипотезы больших генных эффектов (major gene effect hypothesis), которая первоначально была сформулирована Кимурой (Kimura, 1968).

В своих построениях Ней (Nei, 1987) отталкивается от дилеммы, порожденной теорией нейтральности Кимуры. Мутации и генетический дрейф — важнейшие факторы молекулярной эволюции, рассуждает он. Однако в фенотипической эволюции значительную роль, очевидно, играет естественный отбор, поскольку большинство морфологических и физиологических признаков хорошо приспособлены к среде обитания организмов. Ней задается вопросом: как совместить эти два обобщения? По его мнению, существуют две возможности для такого совмещения. Во-первых, можно предположить, что нейтральные аллели не являются строго нейтральными (гипотеза Оты, о которой упоминалось в гл. 1) и что именно их совокупное действие определяет адаптивную изменчивость организмов. Ней назвал такое предположение гипотезой малых генных эффектов (minute gene effect hypothesis). Во-вторых, можно согласовать эти обобщения, предположив, что существуют особые, адаптивные мутации, составляющие небольшую часть всех невредных мутаций, и что приспособленность организмов определяется такими адаптивными мутациями. Это и есть, по терминологии Нея, гипотеза больших генных эффектов. Первая гипотеза, предложенная Лэттером (Latter, 1972; см. ссылку у Nei, 1987), получила формальное обоснование в трудах Кимуры (см. Kimura, 1983) и Милкмэна (Milkman, 1982; см. ссылку у Nei, 1987). Кимура, судя по всему, склонялся ко второй гипотезе (Kimura, 1983, р. 142-143; Кимура, 1985, с. 170-171).

Авторы недавней обстоятельной сводки по этому вопросу (Hoekstra, Coyne, 2007) также подвергли сомнению представление о ведущей эволюционной роли мутаций в цис-регуляторных участках. Оно не подтверждается эмпирическими данными: преобладающее большинство изученных, с эволюционно-генетической точки зрения, случаев морфологической и физиологической адаптации организмов обусловлены аминокислотными заменами в белках. Теоретические аргументы в пользу тезиса об определяющей роли цис-регуляторных мутаций также неубедительны. Этот тезис, возможно, и справедлив, но пока не доказан. Весьма неожиданным оказалось то, что эволюция транскриптома носит нейтральный характер: большинство межвидовых различий в генной экспрессии — селективно нейтральны или почти нейтральны (Khaitovich et al., 2004). Согласно другому исследованию, проведенному на приматах, предположительно не менее 5% различий по экспрессии генов обусловлено отбором (Hsieh et al., 2003).

Непрерывно изменяющаяся ситуация в эволюционной генетике заставляет переосмыслить цель этой диссертационной работы. Приведенная во введении ее формулировка — «сопоставить темпы дивергеиции приматов на молекулярном и организменном уровнях организации» — наполняется все новым и новым содержанием. Нетрудно заметить, что она имеет непосредственное отношение к проблеме связи между генетической и фенотипической изменчивостью — главной для эволюционной генетики и эволюционной биологии вообще. Закономерности, соединяющие генотипические и фенотипические преобразования, должны, по мысли Левонтина (1978), лежать в самой основе логической структуры теории эволюционной (популяционной) генетики. Однако, как отмечал тот же Левонтин, эволюционная динамика трансформаций генотипов и фенотипов описывается в рамках разных теоретических структур с использованием разного понятийного аппарата. Ныне ситуация меняется, хотя и очень медленно (см. Тетушкин, 2008).

Перспективы решения этой и других фундаментальных проблем эволюционной генетики связаны с развитием биологии систем, возродившейся недавно в новом качестве (Hood, 2003; Hiesinger, Hassan, 2005; Benfey, Mitchell-Olds, 2008; см. Моисеев, 1990; Тетушкин, 2008; Энгельгардт, 1984). Именно в ней воплощаются упомянутые интегративные тенденции в геномную и постгеномную эры. Современная биология систем является прямым порождением геномики и других "омик": транскриптомики, протеомики, интерактомики, метабономики, феномики (Ge et al., 2003). Она интегрирует данные всех этих "омик". Левонтин писал, что "развитие теории фенотипа и фенотипических трасформаций следует, как это сделал Фишер в 1918 г., начинать с генов" (Lewontin, 1980). Уточним в духе времени: её развитие следует начинать не с генов, а с геномов. Выяснение вклада разных генетических сетей и метаболических путей в формирование фенотипов обоснованно отнесено, наряду с изучением механизмов эволюционной изменчивости, к числу самых важных задач геномики (Collins et al., 2003). Геном, а точнее эпигеном определяет феном (полный набор возможных фенотипов) через транскриптом (полный набор транскриптов), протеом (полный набор белков), интерактом (полный набор взаимодействий между макромолекулами), локализом (информацию о месте и времени локализации генных продуктов в клетках и экспрессии генов в онтогенезе) и метабоном (почти полный набор метаболитов организма), зависящий от метаболома (почти полного набора метаболитов в клетках) (Hiesinger, Hassan, 2005). Фенотип системы представляет собой эмерджентное свойство взаимодействий всех компонентов этой системы, испытавшей влияния внешних факторов. Поэтому эволюцию организмов можно рассматривать как процесс преобразования сложных самоорганизующихся сетей, состоящих из относительно самостоятельных блоков — функциональных модулей (Ge et al., 2003; Vespignani, 2003; Weitz et al., 2007). Заметим, что речь идет не о перетасовке отдельных участков генов и геномов, что называют иногда модульной эволюцией (Тиходеев, 2005), а об изменениях отдельных фрагментов и топологической архитектуры сетей взаимодействий. Одним из препятствий на пути реализации подобных подходов к изучению эволюции являются трудности с получением точного формализованного описания фенотипов и феномов. Но они постепенно преодолеваются в ходе выполнения международных феномных проектов, создаваемых по образу и подобию геномных проектов (Уаг1а е1 а1., 1998; ВосЬпег, 2003; Рге1тег, БаЬаШ, 2003).

Таким образом, тема диссертации, сформулированная нами ещё в «догеномную эру», оказалась в русле новейших тенденций развития эволюционной биологии. Конечно, используемые нами молекулярные данные, основанные большей частью на сравнениях белков, не столь информативны, как те, что основаны на сравнениях современных геномных маркеров. Однако на сегодня именно эти данные наиболее полно характеризуют генетическое разнообразие, как отряда приматов, так и многих других таксонов надвидового ранга. К тому же было показано, что 80% белков даже столь близких видов как человек и шимпанзе отличаются, по крайней мере, одной аминокислотной заменой (С1агко е1 а1., 2005). Не исключено, что некоторые из таких замен приводят к фенотипическим сдвигам.

Разумеется, столь широко очерченная цель исследования не могла быть достигнута в рамках одной диссертационной работы. Во введении было специально оговорено, что тематика нашей диссертации ограничена феноменологическим анализом связи между молекулярной и фенотипической дивергенцией приматов. Изучение каузальных связей между эволюцией на этих двух уровнях началось совсем недавно и пока не носит систематического характера; у нас не было и нет материальных и иных возможностей для подключения к этим исследованиям. В нашей работе сделаны определенные, посильные шаги к поставленной цели и намечены перспективы дальнейшего продвижения в выбранном направлении.

При выполнении первой задачи (см. Введение) было впервые показано (Тётушкин, 1981, 1983а), что генетические расстояния по электрофоретическим маркерам генов между таксонами приматов в среднем существенно меньше, чем между столь же отдаленными, в систематическом отношении, таксонами неприматов. Генетические расстояния между таксонами приматов соответствуют иерархии этих таксонов. Например, полученное нами генетическое расстояние между мартышками и макаками, представляющими не очень близкие роды подсемейства мартышковых, оказалось значительно меньше генетического расстояния между человеком и шимпанзе, которые в традиционной систематике относятся к разным семействам. Это означает, что широко цитировавшееся заключение о «парадоксально большом» генетическом сходстве человека и шимпанзе (King, Wilson, 1975) не корректно. По электрофоретическим белковым маркерам генов гоминиды и понгиды демонстрируют сходство на уровне видов, принадлежащих к разным семействам отряда приматов.

При выполнении второй задачи было показано, что средние генетические (иммунологические) расстояния между относительно близкими, в пределах семейств и подсемейств узконосых, родами прямо пропорциональны средним морфологическим расстояниям между этими родами (Тётушкин, 1979а). Наибольшие значения корреляций между расстояниями этих двух типов наблюдались у узконосых, объединяющих виды, которые дивергировали в среднем позже, чем виды из других, более древних, таксономических групп отряда приматов (Тётушкин, 19896). Эти результаты согласуются с «законом спринтера и стайера» (см. введение и гл. 1). Таким образом, в нашей работе получено первое, и пока единственное, подтверждение справедливости этого закона, сформулированного, как уже было сказано, одним из создателей синтетической теории эволюции Стеббинсом (Stebbins, 1983).

В ходе решения третьей задачи, впервые, с помощью линейного программирования, были вычислены и сопоставлены длины ребер филогенетических деревьев, отражающих соответственные эволюционные изменения по молекулярным и морфологическим признакам (Тетушкин, 19896). На основе такого сравнения сделан ряд важных выводов, касающихся темпов молекулярной и фенотипической эволюции на разных этапах филогенеза и в разных филогенетических линиях отряда приматов. Выявлены значительные различия в динамике эволюционных изменений на молекулярном и организменном уровнях организации.

Новизну перечисленных результатов следует оценивать в контексте того времени, когда они были получены. Однако и сейчас они не потеряли своей теоретической значимости. Более того, вопросы, разрабатываемые в нашей диссертации, приобретают все большую и большую актуальность, поскольку они связаны с фундаментальными и до сих пор не решенными проблемами генетики и теории эволюции. Важнейшая из них, как уже отмечалось, — это проблема связи между геномной и феномной эволюцией.

Оживление интереса к этой ключевой для всей эволюционной биологии проблеме объясняется появлением долгожданных предпосылок для ее решения. С одной стороны, образовался постоянно растущий массив информации о геномах, с другой — появились базы данных о феномах (см., например, обзор: Bard, 2005); под «феномом» обычно понимается полное фенотипическое описание отдельных видов (см. Freimer, Sabatti, 2003; Mahner, Kary, 1997).* Выявленные нами феноменологические зависимости между дивергенцией на двух уровнях организации получат всеобъемлющее объяснение только тогда, когда будут выяснены каузальные связи между геномами и феномами. С другой стороны, изучение подобных зависимостей у разных групп организмов будет способствовать установлению таких связей. Происходящий сейчас переход к «широкогеномным» и полногеномным сравнениям таксонов, в частности приматов (Sikela, 2006; Pennisi, 2007), открывает новые перспективы в этой области исследований.

Помимо задач, первоначально поставленных в плане исследования, в этой работе были получены ответы и на другие вопросы. Так, на основе логического анализа крайне противоречивых данных по эволюции белков и ДНК, опубликованных во множестве источников, мы пришли к выводу о реальности замедления молекулярной эволюции в линии гоминоидных предков человека. Заметим, что эта старая гипотеза подвергалась и подвергается сомнению целым рядом авторитетных авторов. Кроме того, в связи с проверкой данной гипотезы было проведено сравнение темпов эволюции внутриклеточных и сывороточных белков с использованием метода «сверки часов», предложенного в этой работе.

Была продемонстрирована синхронность хода часов, основанных на этих белках; исключение составила линия ближайших предшественников человека, где было выявлено относительное замедление скоростей изменения внутриклеточных белков (Тетушкин, 1979а).

С целью реконструкции эволюционной истории видов узконосых, были вычислены показатели их генетической изменчивости, в частности, по высокополиморфному локусу трансферрина. Гетерозиготность азиатских обезьян оказалась, в общем и целом, выше гетерозиготности африканских обезьян. Мы предположили (Тётушкин, 1986), что это объясняется, главным образом, азиатским происхождением некоторых африканских обезьян; предки последних, возможно, утратили часть своего разнообразия в ходе длительных миграций. Гипотеза об азиатской прародине ряда африканских обезьян, отвергавшаяся почти всеми палеоприматологами, на наш взгляд имеет право на существование. С этой гипотезой согласуются и результаты широкогеномных сравнительных исследований, свидетельствующие о «северном» происхождении всего надотряда ЕиагсИопи^НгеБ, который включает приматов (\УПс1тап е1 а1., 2007).

В свое время мы обратили внимание на то, что традиционные расовые классификации, принятые отечественными антропологами, противоречат генеалогиям человеческих популяций, основанным на классических генетических маркерах. Нами была проведена кластеризация этнотерриториальных групп человека по некоторым пропорциям тела (Тётушкин, 1989а). Полученные группировки соответствовали, правда, в самых общих чертах, характеру дивергенции по белковым маркерам. Из результатов кластеризации по обеим группам признаков следовало, что выделение негроидного ствола предшествовало расхождению европеоидов и монголоидов. Таким образом, было показано, что фенотипическая дивергенция крупных внутривидовых подразделений — больших рас — соответствует их генетической дивергенции по белковым маркерам.

Интегрирующей идеей, объединяющей материалы этой диссертации, служит концепция мозаичной эволюции. Квазинезависимая дивергенция на молекулярном уровне, с одной стороны, и организменном — с другой, составляющая предмет данного исследования, была названа нами (Tëtushkin, 1987) «межуровневой мозаичностью». В гл. 5 мы проанализировали закономерности такой мозаичности в ходе эволюции приматов. Отмечены значительные неравномерности фенотипической эволюции, контрастирующие с относительным постоянством темпов молекулярной эволюции. По своим экзофенотипам виды отряда кластеризуются, главным образом, в соответствии с присущими им особенностями локомоции.

Различия в скоростях эволюции признаков обусловлены модульностью организмов. Именно модульность служит причиной независимого развития и эволюции разных частей фенотипа (Müller, 2007; Wagner et al., 2007). Различные элементы внутри одного модуля недостаточно индивидуальны и не способны к независимой эволюции, но при этом не зависят от других модулей (Brakefield, 2007). Сравнительная морфометрия по отдельным системам признаков свидетельствует не о геномных различиях, а о функциональном значении этих систем признаков. Одна из таких систем, имеющих относительно самостоятельное функциональное значение, —- "признаки головы". Классическая сравнительная морфология приматов основана в значительной мере на краниологических и одонтологических признаках и поэтому, в частности, не вполне отражает общие генетические различия между таксонами. Возможно, что модульность организмов обусловлена, по крайней мере в некоторых случаях, модульностью цис-регуляторных участков и дифференциальной экспрессией факторов транскрипции. Однако «обычные» структурные гены, очевидно, тоже принимают определенное участие в детерминации фенотипических признаков. На внутривидовом уровне, как показывает анализ дифференциации человечества, фенотипические различия определяются экологическими адаптациями и генетическим дрейфом.

Недавно один из основоположников молекулярной эволюционной генетики Ней сформулировал «новую мутационную теорию фенотипической эволюции» (Nei, 2007), зачатки которой можно отыскать в его же книге, вышедшей 20 годами ранее (Nei, 1987). Он пытается возродить, основываясь на достижениях последнего времени, мутационизм Моргана. Морган принимал во внимание роль естественного отбора, что отличает его от другого выдающегося генетика Бэтсона — тоже убежденного сальтациониста, который не придавал естественному отбору существенного значения. Однако мутации не могут быть движущей силой фенотипической эволюции; в этом случае существовал бы тесный параллелизм в дивергенции на молекулярном и организменном уровнях, поскольку оба этих процесса определялись бы случайными событиями. В нашей работе, равно как и в ряде других работ, такой параллелизм не обнаружен. Поэтому основная движущая сила эволюции — это все-таки естественный отбор.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Тетушкин, Евгений Яковлевич, 2009 год

1. Айала Ф. Введение в популяционную и эволюционную генетику. - М.: Мир, 1984.-230 с.

2. Алексеев В.П. География человеческих рас. М.: Мысль, 1974. - 351 с.

3. Алексеев В.П. Становление человечества. М.: Политиздат, 1984. - 462 с.

4. Алексеева Т.П. Географическая среда и биология человека. М.: Мысль, - 1977. 302 с.

5. Алтухов Ю.П. Биохимическая генетика популяций и эволюция // Молекулярные механизмы генетических процессов. — М.: Наука, 1982. -С. 89-112.

6. Алтухов Ю.П., Рычков Ю.Г. Генетический мономорфизм видов и его возможное биологическое значение // Журн. общ. биологии. 1972. - Т. 33, №3,-С. 281-300.

7. Анисимов В.Н. Современные представления о природе старения // Успехи совр. биологии. 2000. - Т. 120, вып. 2. - С. 146-164.

8. Анненков Г.А. Белки сыворотки крови приматов. М.: Медицина, 1974.- 147 с.

9. Анфинсен К. Молекулярные основы эволюции. — М.: ИЛ, 1962. 228 с.

10. Бабков В.В. Московская школа эволюционной генетики. — М.: Наука, 1985 -,216 с.

11. Балановская Е.В., Рынков Ю.Г. Этническая генетика: этногеографическое разнообразие генофонда народов мира // Генетика. — 1990.-Т. 26, N 1.-С. 114-121.

12. Башкиров В.П. Пропорции тела как расовотаксономический признак // Сов. антропология. 1957. - № 1. - С. 61 -73.

13. Белозерский А.Н., Спирин A.C. Состав нуклеиновых кислот и систематика // Изв. АН СССР, серия биол. 1960. - № 1. - С. 64-81.

14. Биган Д. Планета человекообразных // В мире науки. 2003. - № 11. - С. 68-77.

15. Блан М. Генетическая эволюция человека // Генетика и наследственность. М.: Мир, 1987. - С. 116-137.

16. Блэкит Р.Э. Морфометрический анализ // Теоретическая и математическая биология. М.: Мир, 1968. - С. 247-273.

17. Боуэн Д. Четвертичная геология. М.: Мир, 1981. - 272 с.

18. Брук С.И., Чебоксаров H.H. Расы человека // Народы мира. М.: Советская энциклопедия, 1988. - С. 16-25.

19. Бунак В.В. Род Homo, его возникновение и последующая эволюция. — М.: Наука, 1980.-328 с.23.26.29,30,31