W poszukiwaniu  genów człowieczeństwa
 biologia molekularna na tropie ewolucji człowieka
Autor: Paweł Golik
Pytania dotykające problemu biologicznej natury człowieka, jego
miejsca w świecie przyrody i jego (ewentualnej) w nim wyjątkowości,
od stuleci należały do najgłębiej nurtujących badaczy i filozofów.
Współczesne spojrzenie na te zagadnienia sięga w przeszłość czasów
Linneusza (1707 1778), który tworząc swe dzieło Systema Naturae
(1735) nie zawahał się umieścić człowieka wśród zwierząt, w jednym
rodzaju z małpami człekokształtnymi, takimi jak szympans. W
kolejnym stuleciu Karol Darwin (1809 1882) jednoznacznie stwierdził,
że nasz gatunek powstał w drodze działania doboru naturalnego przez
stopniowe nagromadzanie zmian, tak samo jak wszystkie inne gatunki
zwierząt i roślin.
Darwinowskie spojrzenie na ewolucję człowieka rozwijało się wraz z
rozwojem nauki o mechanizmach ewolucji. Współczesny
ewolucjonizm, w znacznym uproszczeniu, jest wynikiem dwóch
wielkich syntez  pogodzenia darwinizmu z klasyczną genetyką i
genetyką populacji (tzw. syntetyczna teoria ewolucji, pierwsza połowa
XX wieku), oraz połączenia ewolucjonizmu z biologią molekularną
(ewolucja molekularna, druga połowa XX wieku), które pozwoliło
wejrzeć w mechanizmy zmienności i selekcji na poziomie sekwencji
DNA i kodowanych przez nie białek. Rozwijająca się już w bieżącym
stuleciu genomika  nauka badająca informację genetyczną zawartą w
genomach organizmów w ujęciu całościowym  dostarczyła wielkiego
bogactwa danych, z których dla zagadnienia pochodzenia człowieka
najważniejsze było poznanie sekwencji DNA genomu ludzkiego (2000)
i genomu naszego najbliższego żyjącego krewnego  szympansa
(2005). Porównanie tych dwóch genomów niesie nadzieję na odkrycie
śladów tego, jak dobór naturalny kształtował nasz gatunek. Zanim
jednak przyjrzymy się dotychczasowym wynikom takiego porównania,
warto w skrócie przedstawić to, co współczesna genetyka mówi o
historii Homo sapiens.
1
Ostatni wspólny przodek ludzi i szympansów zamieszkiwał Afrykę
około 5 milionów lat temu. Już ponad 2 miliony lat temu
przedstawiciele ewolucyjnej linii człowieka, tacy jak Homo erectus,
opuścili Afrykę i zasiedlili Eurazję i Oceanię. Przeprowadzona pod
koniec XX wieku analiza DNA mitochondrialnego (niewielkiej
cząsteczki DNA, którą u zwierząt potomstwo dziedziczy wyłącznie od
matki, co ułatwia analizę historyczną) żyjących obecnie mieszkańców
Ziemi wykazała, że nasz ostatni wspólny przodek (w tym przypadku w
linii matczynej, lecz wyniki póz
niejszych analiz dla dziedziczonego
przez synów od ojców chromosomu Y dały podobne wyniki)
zamieszkiwał Afrykę zaledwie około 200 tysięcy lat temu, a wędrówkę
na pozostałe kontynenty nasi bezpośredni przodkowie zaczęli około 70
tysięcy lat temu. Zasiedlaniu kolejnych kontynentów przez tych,
stosunkowo niedawnych, migrantów towarzyszyło wypieranie
poprzednich mieszkańców. Wśród tych, którzy przegrali konkurencję z
naszymi przodkami był też, jak wynika to z najnowszych badań
kopalnego DNA, neandertalczyk. Neandertalczycy zamieszkiwali Azję i
Europę jeszcze około 30 tysięcy lat temu, obok przedstawicieli Homo
sapiens. Trwającą od wielu lat debatę, czy neandertalczyk był, choćby
w części, naszym przodkiem rozstrzygnęło, umożliwione przez postępy
metod badania DNA ze szczątków kopalnych, poznanie niemal
kompletnej sekwencji jego genomu. Wyniki tych analiz sugerują, że
neandertalczycy stanowili odrębną, boczną odnogę naszego drzewa
ewolucyjnego, a w genach współczesnych ludzi nie ma śladów, które
świadczyłyby o mieszaniu się tych dwóch linii.
To, że wszyscy współcześni ludzie wywodzą się z jednej, niewielkiej
populacji, która stosunkowo niedawno w szybkim tempie
rozprzestrzeniła się na cały świat ma bardzo interesujące
konsekwencje. Najprawdopodobniej to właśnie z tego powodu
zróżnicowanie genetyczne naszego gatunku jest bardzo niewielkie.
Może się to wydać zaskakujące, ale najbardziej nawet odlegli od siebie
genetycznie ludzie różnią się między sobą około pięciokrotnie mniej,
niż dwa szympansy z różnych regionów Afryki.
Analizy genetyczne pozwalają na odtwarzanie historii populacji
ludzkich. Wiemy dzięki nim, kiedy zasiedlane były poszczególne
kontynenty i jakie są stosunki pokrewieństw pomiędzy ich
mieszkańcami. Co ciekawe, wyniki tych analiz bardzo dobrze
pokrywają się z rezultatami porównywania różnych języków i
odtwarzania ich ewolucji  między genetycznym drzewem rodowym a
drzewem pokrewieństwa języków istnieje bardzo duża zgodność.
Naturalnie nasuwa się zatem pytanie  jakie cechy naszego gatunku
umożliwiły nam tak szybką i skuteczną ekspansję na praktycznie całą
planetę. Antropologia dostarcza bardzo wielu odpowiedzi, z których
większość wskazuje na wyjątkowość naszej kultury i cywilizacji, która
dzięki bardzo skutecznemu i ukierunkowanemu systemowi
gromadzenia i przekazywania informacji, zapewnionemu przez język,
rozwija się w tempie znacznie przekraczającym ograniczenia ewolucji
biologicznej. Cywilizacja, narzędzia i język są najbardziej znaczącymi
atrybutami naszego gatunku. Oczywistym jest więc, że chcielibyśmy
wiedzieć, jak atrybuty te powstały, i czy w naszym genomie są jakieś
ślady świadczące o wyjątkowości Homo sapiens.
Od dawna zastanawiano się, czy w trakcie ewolucji człowieka pojawiły
się w jego genomie jakieś wyjątkowe geny, które odpowiadają za te
kluczowe dla naszego gatunku cechy  czy istnieją  geny
człowieczeństwa . Możliwość poznania odpowiedzi na takie pytania
pojawiła się wraz ze zbadaniem sekwencji genomu człowieka oraz
szympansa. Czy porównując oba genomy udało się  gen
człowieczeństwa zidentyfikować?
Często spotykane w popularnych tekstach sprowadzanie różnic między
genomami do procentowej wartości podobieństwa niewiele w istocie
wnosi, zwłaszcza że nie ma sposobu pozwalającego na jednoznaczne
obliczenie takiej wartości. Wspomnijmy jedynie, że różnice między
genomem człowieka a szympansa są stosunkowo niewielkie, jedynie
około dziesięciokrotnie większe niż zróżnicowanie genomów różnych
ludzi. Wśród trzech miliardów par zasad składających się na genom
człowieka (genom szympansa ma bardzo podobną wielkość)
znajdziemy około 35 milionów (nieco ponad 1%) takich, które nas
różnią, do tego doliczyć należy około 5 milionów miejsc, gdzie zaszło
wstawienie lub wypadnięcie większego fragmentu DNA. Gdy
porównamy kodowane przez genom białka, podobieństwo staje się
jeszcze bardziej uderzające  29% wszystkich białek ma u człowieka i
szympansa identyczną sekwencję aminokwasów, a przeciętne ludzkie
białko różni się od szympansiego odpowiednika zaledwie dwoma
aminokwasami.
2
Gdzie zatem wśród tych różnic szukać śladów ewolucji człowieka?
Najbardziej oczywistą byłaby sytuacja, w której pojawił się w naszym
genomie gen, lub grupa genów, których nie posiadają szympansy i
inne zwierzęta. Nie można też wykluczyć tego, że w linii prowadzącej
do człowieka pewne geny obecne u naszych krewnych zaniknęły.
Można też spodziewać się, że w genach obecnych i u nas, i u naszych
krewniaków, zachodziły w toku ewolucji mutacje, które zmieniły ich
funkcję na tyle, by nadać nam właściwe naszemu gatunkowi cechy.
Istotną rolę z pewnością odegrały też zmiany w mechanizmach
regulacyjnych, które decydują o tym, kiedy i jak bardzo dany gen jest
aktywny.
Poszukiwania nowych genów specyficznych dla genomu człowieka nie
przyniosły przełomowych odkryć. Znaleziono wprawdzie grupę genów,
zwanych Morpheus, w której dochodziło do wielu duplikacji
(podwojeń), przez co niektóre z nich występują wyłącznie w genomie
człowieka, trudno jednak dopatrywać się w nich klucza do
szczególnych cech naszego gatunku. Funkcja tych genów pozostaje
wciąż w znacznej mierze niezbadana, przypuszcza się, że mogły one
odegrać pośrednią rolę w ewolucji, kontrolując stabilność genomu i
tempo zachodzących w nim zmian.
W trakcie ewolucji człowieka doszło też do utraty pewnej liczby
genów. W porównaniu z szympansami (i większością innych ssaków)
mamy wyraz
nie uboższy repertuar receptorów węchowych. Utrata
obecnego u szympansa genu keratyny �hHaA wpłynęła na inną
(znacznie delikatniejszą) strukturę naszych włosów. Strata innych
genów zmieniła właściwości biochemiczne powierzchni naszych
komórek, wpływając głównie na interakcje z patogenami, takimi jak
wirusy i bakterie. Trudno jednak w tych różnicach dopatrywać się
zmian najistotniejszych z punktu widzenia naszej ewolucji.
Klucz do zrozumienia ewolucyjnej drogi naszego gatunku tkwić musi
zatem w mutacjach zmieniających sekwencję genów obecnych
zarówno w naszym genomie, jak i u naszych krewnych ze świata
zwierząt. Zidentyfikowanie takich mutacji nie jest jednak trywialne.
Sekwencje zmieniają się bowiem nieustannie w trakcie ewolucji i w
ogromnej większości genów odnajdziemy przy porównywaniu różnych
genomów szereg zmian. Do analizy należy więc zaprząc bardziej
wyrafinowane modele matematyczne. Zmiany w większości genów
gromadzą się stopniowo i w jednostajnym tempie  mutacje szkodliwe
są szybko eliminowane przez dobór naturalny (nie są więc
obserwowane), obserwuje się natomiast mutacje neutralne (nie
wpływające w istotny sposób na funkcję) i mutacje korzystne (bardzo
szybko przez dobór utrwalane). Najciekawsze z naszego punktu
widzenia będą te sytuacje, gdy w jakiejś grupie organizmów, w tym
przypadku w linii prowadzącej do człowieka, tempo gromadzenia
zmian znacząco odbiega od jednostajnego tempa obserwowanego w
pozostałych gałęziach drzewa ewolucyjnego. Oznacza to bowiem, że to
na te właśnie geny dobór naturalny działał u naszych przodków w
szczególny sposób.
Wśród około 25 tysięcy genów znajdujących się w naszym genomie,
takie znaczące odchylenia od jednostajnego tempa gromadzenia
zmian, sugerujące specyficzne działanie doboru naturalnego w linii
człowieka, stwierdzono w około pięciuset. Przyspieszoną ewolucję
wykryto też w wielu obszarach regulatorowych, które choć same nie
kodują białek, to kontrolują działanie innych genów. Wiele spośród
tych genów koduje białka zaangażowane w działanie układu
odpornościowego, kontrolę procesu zapłodnienia i podziałów komórki,
a także metabolizm substancji przyjmowanych w pokarmie. Ich
przyspieszona ewolucja może odzwierciedlać zmiany w niszy
ekologicznej człowieka  inną, niż u szympansa dietę, inny zestaw
patogenów itp. Wśród genów o przyspieszonej u człowieka ewolucji
znaleziono jednak również wiele takich, których zmiany mogły w
bardziej fundamentalny sposób przyczynić się do powstania
szczególnych cech naszego gatunku.
Do najciekawszych należy gen FOXP2. Aktywny jest podczas rozwoju,
głównie w centralnym układzie nerwowym, a kodowane przezeń białko
należy do grupy czynników transkrypcyjnych  białek regulujących
transkrypcję (odczytywanie) innych genów. O funkcji FOXP2 u
człowieka wnioskować możemy dzięki opisaniu w 2001 r. bardzo
rzadkiej choroby genetycznej wywoływanej przez mutacje w tym
genie. Chorzy na tę chorobę (zaliczaną do rozwojowych dyspraksji
werbalnych) nie są praktycznie zdolni do posługiwania się mową,
mimo że nie cierpią na zaburzenia słuchu, a ich krtań i struny głosowe
wykształcone są prawidłowo. Zaburzenia dotyczą zarówno
wypowiadania, jak i rozumienia słów, a także zdolności
wykorzystywania reguł gramatycznych, nie towarzyszy im jednak
bardzo znaczące obniżenie inteligencji. Jest to więc zaburzenie
specyficznie dotykające wrodzonych zdolności językowych człowieka.
Gen FOXP2 występuje również u innych zwierząt, a jego sekwencja
jest bardzo mocno konserwowana w ewolucji  białko myszy i
szympansa różni się zaledwie jednym aminokwasem. Tymczasem u
człowieka, już po oddzieleniu się linii naszych przodków od przodków
szympansów, pojawiły się dwie kolejne zmiany aminokwasowe,
ewolucja tego białka bardzo zatem znacznie przyspieszyła. Szybka
ewolucja genu FOXP2 w połączeniu z objawami towarzyszącymi jego
mutacjom u ludzi nasuwają atrakcyjną hipotezę, że jest to jeden z
głównych genów warunkujących niezwykle rozbudowane zdolności
językowe człowieka. FOXP2 nazywa się nawet niekiedy  genem
mowy , choć należy pamiętać, że z pewnością nie jest on jedynym
czynnikiem warunkującym rozwój tej niezwykle złożonej funkcji
naszego umysłu. Bardzo interesujący wynik dało zbadanie genu FOXP2
w odtworzonym na podstawie kopalnego DNA genomie
neandertalczyka  jego sekwencja jest taka sama, jak u ludzi
współczesnych. Można zatem stwierdzić, że pod tym względem
neandertalczycy także mieli predyspozycje do wykształcenia złożonego
systemu języka.
Innym interesującym genem, którego ewolucja przyspieszyła w linii
człowieka jest MYH16, kodujący jedno z białek z grupy miozyny,
nadające siłę mięśniom. Miozyna kodowana przez MYH16 aktywna jest
głównie w mięśniach twarzoczaszki, np. takich, które poruszają
szczękami. Mutacje, które zaszły ponad 2,5 miliona lat temu u
przodków człowieka, znacznie osłabiły muskulaturę twarzoczaszki. Siła
naszych szczęk jest niewielka w porównaniu z szympansami, badacze
spekulują jednak, że takie osłabienie twarzoczaszki umożliwiło szybki
rozrost mózgoczaszki, a w konsekwencji  wygospodarowanie miejsca
dla dużego mózgu, typowego dla człowieka.
Ślady działania doboru naturalnego przyspieszającego ewolucję
odnaleziono też w wielu innych genach, których produkty
zaangażowane są w rozwój centralnego układu nerwowego. Należy do
nich np. prodynorfina  prekursor endogennych substancji (opioidów i
neuropeptydów) przekazujących sygnały między komórkami
nerwowymi. Warte wzmianki są także geny ASPM i mikrocefaliny,
których funkcję poznano, podobnie jak dla FOXP2, dzięki znajomości
chorób genetycznych wywołanych przez ich mutacje. W przypadku
tych dwóch genów mutacje powodują mikrocefalię  ciężki wrodzony
niedorozwój mózgowia, a zwłaszcza kory mózgowej. Nietrudno
połączyć szybką ewolucję genów kodujących białka sterujące
rozwojem mózgu z kształtowaniem przez dobór naturalny
charakterystycznych cech naszego gatunku  inteligencji pozwalającej
na stworzenie cywilizacji i kultury.
Poza tymi przykładami znanych jest jeszcze wiele innych genów o
podobnej charakterystyce zmian ewolucyjnych, dla wielu z nich wciąż
nie poznaliśmy funkcji. Można przypuszczać, że w miarę postępów
poznawania funkcji genów człowieka odnajdziemy jeszcze wiele
przykładów takich sekwencji, których ewolucja przyczyniła się do
rozwoju człowieczeństwa.
3
Na zakończenie tego krótkiego przeglądu warto jeszcze przyjrzeć się
wspomnianym już sekwencjom niekodującym (czyli nie będącym
genami sensu stricte), których ewolucja u przodków człowieka
wskazuje na silne i ukierunkowane działanie doboru naturalnego.
Ciekawym przykładem jest HAR1 (z ang. Human Accelerated Region 1,
czyli obszar o przyspieszonej ewolucji u człowieka 1). W obszarze tym
kodowana jest krótka cząsteczka RNA, która jednak nie jest matrycą
do syntezy białka. Najnowsze odkrycia biologii molekularnej (w tym
nagrodzone Nagrodą Nobla w 2006 r. prace Andrew Fire a i Craiga
Mello) pokazały, że takie cząsteczki mogą być kluczowymi
regulatorami, kontrolującymi działanie wielu genów. Innym
przykładem jest sekwencja HACNS1, należąca do tzw. enhancerów
(wzmacniaczy), czyli fragmentów DNA wzmacniających odczytywanie
innych genów. Sekwencja ta występuje u wszystkich kręgowców
lądowych, jednak analiza zmienności wykazała, że w linii prowadzącej
do człowieka ewoluowała czterokrotnie szybciej, niż w pozostałych
gałęziach drzewa. Dzięki wyrafinowanym eksperymentom
przeprowadzonym w transgenicznych myszach, u których pod kontrolą
ludzkiego i szympansiego HACNS1 umieszczono tzw. gen reporterowy,
dający łatwy do wykrycia produkt, stwierdzono, że podczas gdy
wszystkie warianty tej sekwencji są aktywne podczas rozwoju
zarodkowego w obszarach oka, ucha i gardzieli, to jedynie zmieniony
ludzki wariant jest dodatkowo wyraz
nie aktywny w zawiązkach dłoni i
stóp. Autorzy tych bardzo niedawnych (2008 r.) badań spekulują, że
HACNS1 może odpowiadać za charakterystyczne tylko dla człowieka
cechy dłoni (np. przeciwstawny kciuk) i stóp (duże i stosunkowo mało
chwytne stopy, stanowiące stabilną podstawę dla poruszania się na
dwóch kończynach).
Garść podanych powyżej przykładów wyraz
nie uzmysławia, że nie
możemy mówić o jednym, czy nawet o kilku  genach
człowieczeństwa . Nie ma w ludzkim DNA jednego wyróżnionego
obszaru, o którym moglibyśmy powiedzieć, że kryje klucz do
biologicznej istoty naszego gatunku. Wyniki badań genomiki
porównawczej jasno wykazują, że za ewolucję cech składających się
na człowieczeństwo odpowiadało stopniowe gromadzenie szeregu
niewielkich zmian w wielu różnych genach. Jest to więc obraz
zasadniczo zgodny z modelem ewolucji nakreślonym 150 lat temu
przez Karola Darwina. Mimo iż od czasu opublikowana  O powstawaniu
gatunków... nasza wiedza na temat mechanizmów dziedziczności,
zmienności i selekcji niezmiernie wzrosła, to sformułowane przez
Darwina stwierdzenie, że różnice między człowiekiem a innymi
zwierzętami mają charakter ilościowy, a nie jakościowy nie tylko się
nie zdezaktualizowało, ale znalazło w wynikach najnowszych badań
jeszcze mocniejsze wsparcie. Jesteśmy częścią świata natury, a
procesy ewolucyjne, które kształtowały nasz gatunek przebiegały
według tych samych mechanizmów, co te, które ukształtowały naszych
bliższych i dalszych krewniaków. Można zatem powiedzieć, że nasz
gatunek owszem, jest wyjątkowy  dokładnie tak, jak wyjątkowy i
niepowtarzalny jest każdy inny gatunek istot żywych.
Piśmiennictwo
Zainteresowany zagadnieniami ewolucji molekularnej Czytelnik
znajdzie więcej szczegółowych wiadomości w następujących
polskojęzycznych publikacjach:
* T. A. Brown. Genomy (nowe wydanie), Wydawnictwo Naukowe PWN,
Warszawa 2009.
* P. Węgleński (red.) Genetyka molekularna, wydanie nowe,
poprawione. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2006
Doc. dr hab. Paweł Golik - jest pracownikiem naukowym Instytutu
Genetyki i Biotechnologii na Wydziale Biologii Uniwersytetu
Warszawskiego.
Res Humana nr 3/2009, s. 25-30