Расшифрованный код Ледового человека: От кого мы произошли, или Семь дочерей Евы
Шрифт:
Глава IV
ОСОБЫЙ ПОСЛАННИК
Митохондрии — это мельчайшие образования, которые есть в каждой живой клетке. Они располагаются не в ядре клетки, крохотном мешочке в центре клетки, в котором находятся хромосомы, а вне его — в заполняющей клетку среде, которая называется цитоплазмой. Работа, которую выполняют в клетке митохондрии, состоит в том, чтобы помогать клетке, используя кислород, получать энергию. Чем деятельнее клетка, тем больше энергии ей требуется, тем, стало быть, больше митохондрий она содержит. Клетки активных тканей, например, мышечной, нервной, а также клетки мозга содержат до тысячи митохондрий каждая.
Каждая митохондрия ограничена двойной мембраной, внутри сложнейшей мембранной структуры находятся все ферменты, участвующие в конечном этапе кислородного обмена. Это то место, где горючее, которое мы поставляем в организм в виде пищи, сгорает в море кислорода. Здесь нет языков пламени, а кислород здесь находится в растворенном виде, однако происходящие здесь процессы вполне сопоставимы с тем, что происходит в газовой горелке или моторе автомобиля, и горение здесь тоже имеет место. Горючее и кислород соединяются и производят энергию. Энергия в горелках, печках и моторах имеет облик тепла и света. Когда топливо сгорает в митохондрии, она не начинает светиться, а вот тепло выделяется — часть того тепла, которое дают митохондрии, расходуется на поддержание температуры тела. Однако основной продукт — это высокоэнергетичные молекулы вещества, которое называется АТФ; оно-то используется организмом практически повсюду, от сокращения сердечной мышцы до процессов в нервных окончаниях сетчатки ваших глаз, которые сейчас читают эту страницу, и клеток вашего мозга, которые обрабатывают полученную от глаз информацию.
В глубине каждой митохондрии имеется крошечный фрагментик ДНК, мини-хромосома, длина которой очень мала — всего шестнадцать с половиной тысяч оснований. Это действительно очень мало по сравнению с хромосомами ядра, содержащими три тысячи миллионов оснований. Сам по себе факт наличия ДНК в митохондрии оказался для всех полной неожиданностью. Но к тому же она весьма необычна во всех отношениях. Начнем с того, что двойная спираль этой ДНК замкнута в окружность. Циркулярные хромосомы известны у бактерий и других микроорганизмов, но в многоклеточных организмах и тем более у человека их нет. Следующий сюрприз состоит в том, что генетический код в митохондриальной ДНК слегка отличается от кода в ДНК ядерных хромосом. Митохондриальные гены содержат код участвующих в обработке молекул кислорода ферментов, тех самых, которые трудятся в митохондрии. Однако многие гены, управляющие процессами, происходящими в митохондриях, надежно внедрены в хромосомы ядра.
В чем причина таких странностей? Современное объяснение звучит фантастично. Есть гипотеза, согласно которой митохондрии некогда были свободно живущими микроорганизмами, которые очень давно, сотни миллионов лет назад, внедрились в более развитые клетки и стали жить в них. Можно назвать их паразитами, а можно сказать, что возник симбиоз, в котором клетки и митохондрии стали полезными друг для друга. Клетки получили громадную выгоду — способность использовать кислород. Ведь с помощью кислорода можно производить гораздо больше молекул АТФ, чем без него. В свою очередь митохондрии, очевидно, сочли жизнь внутри клетки более удобной, чем самостоятельное существование в среде. Постепенно, за миллионы лет, некоторые митохондриальные гены перекочевали в ядро клетки и остались там. Это значит, что отныне митохондрии стали пленницами клеток и не могут перейти к свободному образу жизни, даже если бы захотели. Их существование в клетке узаконено и закреплено генетически. Даже сейчас можно видеть следы неудавшихся попыток обмена генами между митохондрией и ядром. Ядерные хромосомы изобилуют фрагментами — обломками митохондриальных генов, которые перебрались в ядро в ходе эволюции. Они не в состоянии принимать участия ни в какой деятельности, потому что эта их целостность нарушена. Так что они просто «сидят» там, словно молекулярные ископаемые, напоминания о неудачных перемещениях, происходивших в далеком прошлом.
Митохондрии имеют и еще одну уникальную черту. В отличие от ДНК в хромосомах ядра, которая достается нам в наследство от обоих родителей, митохондрии каждый из нас получает только от одного из родителей — от матери. Цитоплазма человеческой яйцеклетки буквально набита ими — она содержит четверть миллиона митохондрий. Клетки же спермы бедны митохондриями — их буквально несколько штук, ровно столько, чтобы сперматозоиду хватило энергии доплыть до яйцеклетки и проникнуть в нее. После успешного оплодотворения сперматозоид, доставивший к пункту назначения свой набор ядерных хромосом, больше в митохондриях не нуждается, и они отбрасываются вместе с хвостом-жгутиком. В располневшей оплодотворенной яйцеклетке теперь содержится ядерная ДНК, полученная от обоих родителей, но при этом единственные митохондрии в ее цитоплазме — те, что находились там все время, и все они попали туда от матери. Вот по этой простой причине митохондриальная ДНК всегда наследуется по материнской линии.
Оплодотворенная яйцеклетка делится раз за разом, формируя вначале эмбрион, затем плод, который в конечном итоге превращается в новорожденного младенца, и, наконец, вырастает во взрослого человека. В ходе этого процесса единственные митохондрии, которые можно обнаружить,— это копии оригинальных митохондрий из материнской яйцеклетки. Хотя митохондрии имеются во всех клетках тела и у мужчин, и у женщин, однако детям по наследству их передают только женщины, потому что только у женщин в организме развиваются яйцеклетки. Отцы передают потомству ядерные хромосомы с ДНК, но их митохондриальная ДНК к последующим поколениям не переходит.
Время от времени в ДНК, как митохондриальной, так и ядерной, происходят незапланированные изменения просто потому, что в процессе копирования при делении клеток случаются сбои и ошибки. Клетки снабжены особыми механизмами, которые отлавливают и исправляют большую часть подобных ошибок, но время от времени их бдительности оказывается недостаточно, и нарушителям удается проскользнуть. Если такие мутации возникают в клетках, из которых впоследствии разовьются яйцеклетки и сперматозоиды (такие клетки называются половыми),то они могут передаться и последующим поколениям. Мутации, возникающие в других клетках тела, называемых соматическими,из которых не будут развиваться половые клетки, не могут быть переданы дальше. Большая часть генных мутаций вообще не имеет никакого значения. Лишь изредка, если мутация поразит или выведет из строя какой-нибудь важный для жизни ген, ее удается заметить. В худшем случае такие мутации могут привести к серьезному наследственному заболеванию, о некоторых из них мы поговорим в следующей главе, но по большей части они безвредны.
Уровень возникновения мутаций в ядерных хромосомах чрезвычайно низок — грубо говоря, в норме при каждом делении клетки мутирует одно азотистое основание из тысячи миллионов. В митохондриях же контроль за ошибоками не настолько отлажен, поэтому мутации возникают примерно раз в двадцать чаще. Это означает, что в митохондриальной ДНК можно обнаружить существенно больше изменений, чем в отрезке ядерной ДНК той же длины. Другими словами, «молекулярные часы», с помощью которых мы, посредством мутаций в ДНК, можем определять время, в митохондриях тикают намного быстрее по сравнению с ядром. Это делает митохондрии даже более привлекательными в качестве инструмента для исследования эволюции человека. Если уровень мутаций был бы чересчур низким, то у подавляющего большинства людей на Земле митохондриальная ДНК была бы совершенно одинаковой, и из-за малого числа изменений было бы практически невозможно заметить происходящее со временем развитие.
А нас ждала и еще одна награда. Мутации, конечно, обнаруживаются по всей окружности митохондриальной ДНК, и Аллан Уилсон со своими студентами в «Митохондриальной ДНК и эволюции человека» изучали ее целиком. Однако имеется коротенький отрезок ДНК, где мутации особенно часты. Этот участок, длиной около пятисот оснований, назвали контрольным регионом. Ему удалось накапливать особенно большое количество мутаций благодаря тому, что, в отличие от остальной части митохондриальной ДНК, он не несет каких-то конкретных кодов. Если бы они там были, тогда повышенное количество мутаций могло повлиять на функционирование митохондриальных ферментов. Такое порой случается, если мутации поражают другие участки митохондриальной ДНК, вне контрольного региона. Некоторые редкие неврологические заболевания развиваются как раз оттого, что мутации этих генов выводят из строя важные части митохондриального механизма. Такие митохондрии из-за того, что слишком сильно повреждены, редко выживают, а следовательно, следующим поколениям они передаются лишь в исключительных случаях. Поэтому такие мутации постепенно сглаживаются и, наконец, исчезают вовсе. С другой стороны, мутации контрольного региона не исчезают именно потому, что зона не имеет никаких специфических функций. Эти мутации нейтральны. Создается впечатление, что, хотя для того, чтобы митохондрия могла правильно разделиться, этот участок ДНК должен находиться на своем месте, его собственная точная последовательность при этом большой роли не играет.
Таким образом, для нашего исследования эта ситуация просто идеальна: короткий отрезок ДНК, до отказа набитый нейтральными мутациями. Конечно, куда быстрее и дешевле считывать последовательность этого участка, всего пятьсот оснований, чем последовательность всей митохондриальной ДНК, в которой оснований, как вы помните, шестнадцать тысяч. Но окажется ли контрольный регион стабильным настолько, чтобы можно было опираться на нее в эволюционных исследованиях? Что, если контрольный регион мутирует себе напропалую в каждом поколении, да еще и с непомерно высокой частотой? В этом случае было бы практически невозможно отследить хоть какие-то закономерности на больших отрезках времени. Нам уже было понятно из работы Аллана Уилсона, что если мы хотим с помощью митохондриальной ДНК копнуть поглубже генетическую историю своего вида, Homo sapiens,то придется углубиться как минимум на 150 тысяч лет человеческой эволюции — примерно шесть тысяч поколений, считая по 25 лет на поколение. Если мутации в контрольном регионе окажутся слишком беспорядочными или бурными, будет очень трудно, чтобы не сказать невозможно, различить важные сигналы и выделить их среди всех случайных изменений на протяжении нескольких поколений. Нам необходимо было найти способ удостовериться в том, что это не так, прежде чем замахиваться на масштабное и требующее колоссальных денежных и временных затрат исследование. Каким образом проверить это и получить убедительные подтверждения?