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 późniejszych 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 wyraźnie 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 wyraźnie 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 wyraźnie 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