Генетична складність і взаємопов’язаність показують, що багато ознак є значно складнішими, ніж вважалося раніше.

Я викладав генетику людини на рівні коледжу й був розчарований, дізнавшись, що в підручнику, яким я користувався протягом десяти років аж до 2017 року,¹ помилково стверджувалося застаріле, нині спростоване уявлення про те, що окремі поширені зовнішні ознаки є результатом експресії одного гена. Було досліджено низку наведених прикладів та встановлено, що на прояв усіх них впливають кілька генів. Серед цих прикладів було відібрано та узагальнено десять. Це відкриття підтверджує той факт, що для появи нових ознак, навіть тих, які здаються простими, потрібен цілий набір генів, що значно підвищує складність і знижує ймовірність виникнення цих нових ознак шляхом випадкових змін генотипу відповідно до теорії еволюції.

Учням середньої школи та студентам коледжів часто подають як незаперечну істину думку про те, що багато поширених людських зовнішніх ознак є прикладами простої регуляції одним геном.² Це підтверджується поширеними твердженнями на кшталт: «Двадцять тисяч років потому чергова мутація дала змогу волоссю на нашій голові (на відміну від шерсті мавп або волосся на тілі людини) рости без обмежень – це так званий "ген стрижки"».³ В підручнику з генетики, який використовувався в коледжі, де я викладав, окрім прикладів, обговорюваних нижче, розглядалися форма обличчя, кучерявість волосся, розмір і форма брів, довжина вій, здатність згортати язик трубочкою тощо – загалом 27 прикладів.¹ Дослідження, проведене для підготовки цієї статті, вказує на те, що багато рис, які тривалий час вважалися результатом однієї мутації або експресії одного гена, насправді виявилися похідними експресії групи генів.

Вивчаючи вплив чинників, що призводять до появи специфічних форм носа, вчені нещодавно виявили 14 різних рис обличчя, проаналізувавши близько 6000 фотографій. Два гени були пов’язані з формою ніздрів (GLI3 і PAX1), один (RUNX2) впливав на форму перенісся, а ген DCHS2, як було встановлено, впливав на те, наскільки далеко ніс виступає вперед і на кут нахилу кінчика носа.⁴ Без сумніву, існують й інші гени, що впливають на ці ознаки. Макдональд писав: «Той факт, що в підручниках і лабораторних матеріалах продовжують зберігатися ці міфи, є ганьбою для освітнього процесу в галузі біології».⁵

Значення аргументу «один ген – один білок або ознака» для еволюції можна легко пояснити на класичному прикладі годинника Вільяма Пейлі. Механічний годинник складається із сотень деталей, кожна з яких функціонує як частина взаємопов’язаного механізму. Якщо будь-яку частину механізму буде видалено, годинник не працюватиме належним чином або, найімовірніше, не працюватиме взагалі. Єдиним винятком може бути весь механізм годинника, який зазвичай утримується чотирма або шістьма гвинтами, і якщо один з них буде видалено, механізм усе ще функціонуватиме, але вібрації в місці, де був видалений гвинт, навіть незначні, можуть спричинити невелику похибку, що зрештою призведе до зношення і, як наслідок, менш точного визначення часу, а в підсумку – до поломки.

Так само, якщо більшість генетичних функцій контролюється кількома генами, то мутація, навіть якщо вона покращує певний аспект організму, найімовірніше, матиме несприятливий вплив на інші частини живої системи, оскільки, як і в годиннику, усі частини організму взаємопов’язані між собою, так само як і з іншими генами та навіть групами генів.

Ба більше, сама концепція гена тепер розмита через неочікувану генетичну складність, що проявилася в тому, що диференціальний сплайсинг інтронів може призводити до формування багатьох різних білків внаслідок однієї транскрипції гена.⁶ Класичне уявлення про те, що в геномі гени – продуценти білків є окремими сегментами ДНК, транскрибованими в одну мРНК і в одному напрямку, тепер спростоване. Нині визнано, що кілька генів перекривають один одного, займаючи одну ділянку ДНК, яка продукує кілька робочих мРНК.⁷ За оцінками, 94% генів людини виробляють більше одного продукту через альтернативний сплайсинг, створюючи білки, які інколи мають зовсім різні функції, попри те, що вони кодуються тим самим геном.⁸

Цей факт втішає тих, кого розчаровує невелика кількість генів в геномі людини: люди мають приблизно таку саму кількість генів, як і Caenorhabditis elegans – маленький прозорий хробак. В результаті експресії аналога людського гена DSCAM (Downs Syndrome Cell Adhesion Molecule) у плодової мушки Drosophila melanogaster утворюється 95 альтернативних сплайсингових екзонів і ще 38 000 ізоформ.⁹ Для порівняння, увесь геном плодової мушки містить лише 15 016 генів. Цей факт дає нам змогу побачити складну взаємопов’язаність геному.

Професор генетики Університету Делавера John McDonald задокументував 20 прикладів, зокрема схрещування рук, так звану «спаржеву сечу» [після вживання спаржі сеча може мати різкий характерний запах через сірковмісні сполуки, що утворюються під час метаболізму аспарагусової кислоти – прим. перекл.], бетурію [зміну забарвлення сечі після вживання буряка або продуктів, що містять бурякові пігменти бетаціаніни – прим. перекл.], ямочки на щоках, кучерявість волосся та довжину пальців ніг, які зазвичай використовуються як приклади істинності постулату «один ген – одна ознака» на уроках генетики в школах і коледжах.¹⁰ Було проведено пошук відповідної літератури щодо 10 найпоширеніших прикладів концепції «один ген – одна ознака», відібраних відповідно до мого досвіду викладання генетики в коледжі. Пошук показав, що 10 найпоширеніших прикладів цього міфу контролюються багатьма генами.

Приклади спростування ідеї про один контролювальний ген

Колір очей

Типовим прикладом є генетична регуляція кольору очей, тобто кольору райдужної оболонки, яка регулює кількість світла, що потрапляє в око. Вона виконує захисну функцію.¹¹ Наприклад, люди з блакитними очима часто мають проблеми з зором, оскільки відсутність коричневого пігменту в райдужці не забезпечує повного захисту сітківки від несприятливого впливу надмірної кількості яскравого світла.¹² Колір райдужної оболонки насамперед залежить від співвідношення еумеланіну, який надає темно-коричневого кольору, і феомеланіну, який надає червонуватого відтінку. Важливе значення також має розподіл меланіну в оболонці ока.¹³

Поширені колірні категорії райдужної оболонки – це блакитний, зелений, горіховий і карий. Детальніший аналіз вказує щонайменше на дев’ять значень відтінку та насиченості, а саме: (1) світло-блакитний; (2) синій; (3) синій з коричневим обідком навколо зіниці; (4) зелений; (5) зелений з коричневим кільцем навколо зіниці; (6) слабкий зелений по краях і коричневий у центрі; (7) коричневий з невеликими вкрапленнями зеленого по краях; (8) карий; і (9) темно-карий.¹⁴ Очевидно, що ці складніші поєднання потребують набагато більшої кількості генетичних даних, ніж два звичайні гени, що й було виявлено в результаті досліджень. Окрім того, колір очей також може змінюватися, особливо в ранньому дитинстві.¹⁵ Два основні гени, що беруть участь у формуванні колірних варіацій, – це HERC2 і OCA2, розташовані поруч один з одним у 15-й хромосомі, а також щонайменше 10 інших генів і складних взаємодій між ними, які впливають на колір очей.¹³

Форма мочки вуха

Поширеною вправою на уроках генетики є вивчення типів мочок вух одне одного та визначення кількості прирослих і вільних мочок. Прирослі мочки вух зливаються з боковою частиною голови, тоді як вільні мають звисаючу частину. У більшості учнів частіше трапляються саме вільні мочки, а не прирослі.

З погляду менделівської генетики, ця ознака зумовлена домінантно-рецесивною дихотомією.¹⁶ Стверджується, що ознака вільної мочки є домінантною, а прирослої – рецесивною, що передбачає просту комбінацію генів, які контролюють ці риси.¹⁷ Насправді ж мочки вух не поділяються лише на дві категорії, а точки прикріплення змінюються від верхніх частин хряща до ділянки за вухом.¹⁸

Це спостереження змусило біологів засумніватися в цій спрощеній парадигмі ще до появи сучасної геноміки. Ще в 1937 році один анатом припустив, що прикріплення мочки вуха може бути полігенною ознакою.¹⁹ В одному з нових досліджень генетики мочки вуха було проаналізовано послідовності ДНК й вимірювання мочки вуха у 74 660 людей, включно з особами європейського, латиноамериканського та азійського походження. Пов’язуючи послідовності ДНК в геномі з моделлю розвитку вуха, дослідники ідентифікували 49 ділянок генів, пов’язаних зі способом прикріплення мочки вуха. Вони також вивчили продукти експресії генів, активованих під час розвитку вуха, підтвердивши, що різні гени були розташовані в багатьох місцях геному. Автори статті дійшли такого висновку: «Ці гени дають уявлення про складну біологію розвитку вух».²⁰

Як і очікувалося, генетика, що лежить в основі цих варіацій, не є простою, але вона не є пріоритетом для досліджень, оскільки, наскільки відомо, варіації мочки вуха не пов’язані з причинами будь-яких захворювань.²¹ Висновок полягає в тому, що це «міф... нібито мочки вух можна поділити на дві чіткі категорії – вільну і прирослу – й що лише один ген з домінантною алеллю вільної мочки контролює цю ознаку».²² Сучасні методи дослідження тепер підтвердили, що «навіть саме поняття, яке визначає ген, розмите абсолютно неймовірною й несподіваною складністю».²³

Колір волосся

Іншим поширеним прикладом міфу про один ген є ідея про те, нібито рудий колір волосся зумовлений єдиною рецесивною алеллю з червоним забарвленням. Більшість досліджень поділяють колір волосся на чотири окремі категорії: блонд, рудий, шатен і брюнет. Як і колір очей, колір волосся визначається кількістю еумеланіну (темно-коричневий колір) і феомеланіну (червонуватий колір) у стрижні волосини. Кількість еумеланіну варіюється від дуже малої, що робить волосся світлим, до відносно великої, за якої утворюється смоляно-чорне волосся. Окрім того, у людей з високим вмістом феомеланіну волосся руде – від блідо-рудого (так званий «рудувато-русий» або «венеційський блонд») до вогненно-рудого та червонувато-коричневого.²⁴

Оскільки варіації рівня освітлення та відмінності у відтінках можуть впливати на сприйняття кольору волосся спостерігачами, T. E. Reed використовував рефлекторний спектрофотометр для вимірювання кількості світла різних довжин хвиль, відбитого волоссям людей, позначених як рудоволосі.²⁵ Він не виявив доказів чіткого поділу волосся на дві категорії. Натомість були виявлені проміжні кольори, які нелегко віднести до рудого або нерудого. Три найпоширеніші поліморфізми амінокислот, пов’язані з рудим волоссям, – це R151C, R160W і D294H, що свідчить про залучення значно більшої кількості генів до формування інших відтінків волосся.²⁶

Колір шкіри

Дослідження в галузі генетики людини спростували концепцію, згідно з якою колір шкіри контролюється лише кількома основними генами.²⁷ До кількох досліджень були залучені люди з континенту, що має найбільше різноманіття кольорів шкіри у світі, а саме з Африки. Одне дослідження показало, що шість основних генів пояснюють лише 30% загальної мінливості кольору шкіри,²⁸ тоді як багато інших генів відповідають за решту 70%. В іншому дослідженні вчені встановили, що загалом існує 15 різних генів, які роблять основний внесок у формування кольору шкіри.²⁹

Палець автостопника

«Палець автостопника» – так називають здатність сильно вигинати великий палець назад, утворюючи великий кут між двома сегментами кістки (мал. 1). Вважається, що існує два типи великих пальців: прямі, які не можна вигнути назад (домінантні), й «пальціМал.1 Палець автостопника автостопника» (рецесивні), і ця ознака контролюється одним геном з двома алелями. Цю ідею запропонували Гласс і Кістлер³⁰ у 1953 році, й відтоді вчителі неодноразово повторюють це твердження, яке можна було легко перевірити у великому класі, повному учнів під час уроку.

Щонайменше два дослідження спростували цей міф. Гарріс і Джозеф³¹ використали рентгенівські знімки 294 людей, щоб точно виміряти кут між першою й другою кістками великого пальця. Їхній аналіз показав безперервний розподіл варіацій і вказав на те, що у більшості людей були проміжні значення, а не лише два, як стверджує міф. В подібному дослідженні з використанням транспортира, який тримали на зовнішньому боці великого пальця для вимірювання кута нахилу, була отримана звичайна крива Гауса.³² Попри те, що «палець автостопника» часто використовується для демонстрації менделівської генетики, отримані дані спростовують це твердження: великі пальці не поділяються на дві окремі категорії, і ця ознака не контролюється одним геном.

Смак фенілтіокарбаміду

Невеликі кількості сполук фенілтіокарбаміду (PTC) або пропілтіоурацилу (PTU), якими були просочені смужки паперу, пробувалися студентами, щоб визначити, чи є смак цієї речовини гірким, чи навпаки відчувається лише смак самого паперу (у тих, хто не чутливий). Я використовував цей тест із сотнями учнів, викладаючи різні природничі науки. Ідею запропонував хімік з компанії «Дюпон» (Du Pont) А. Л. Фокс, який працював із фенілтіокарбамідом, коли його колега поскаржився на гіркий смак цієї хімічної сполуки.³³ Фокс наполягав на тому, що ця речовина без смаку, тому попросив своїх колег спробувати PTC, після чого виявив, що для деяких людей вона має неприємний запах і сильний гіркий смак, тоді як інші, як і сам доктор Фокс, вважали фенілтіокарбамід без смаку.³⁴

Guo і Reed досліджували питання смаку PTC, посилаючись на 392 джерела. Вони дійшли висновку, що спосіб, який використовується під час тестування, має величезний вплив на результат.³⁵ В ранніх дослідженнях кристали PTC наносили безпосередньо на язик, тоді як в інших використовували розчини PTC або папір, просочений PTC, який потім висушували.³⁶ Коли цей фактор враховувався, з’ясувалося, що одні й ті самі люди при одному способі тестування виявляли чутливість до смаку, а при іншому – ні.³⁷ Генетичний аналіз виявив зв’язок з поліморфізмами ДНК у 26 великих родинах генів, а варіативність сприйняття смаку була пов’язана з 7-ю хромосомою та варіаціями в 16-й хромосомі, що вказує на участь кількох генів.³⁸

Поширеним міфом є твердження, що існують лише два типи людей – ті, хто відчуває смак PTC, і ті, хто ні. Міф полягає в тому, що чутливість до смаку контролюється одним геном, який домінує над алелем, що відповідає за відсутність смаку. Насправді «після майже 70 років причина цієї мінливості, ймовірно, через велику кількість генетичних факторів, залишається загадкою».³⁹

Здатність згортати язик в трубочку

Мал.2 Приклад згортання язикаДеякі люди можуть легко згортати язик в маленьку трубочку (рис. 2), а інші – ні. Це одна з найпоширеніших ознак, яку викладачі біології використовують для демонстрації базових генетичних принципів, оскільки її можна легко перевірити. Цю ознаку описав піонер в галузі генетики дрозофіли Альфред Стертевант, який трактував згортання язика як просту двоалельну ознаку з домінантним алелем, що відповідає за здатність згортати язик, і рецесивним – за нездатність це робити.⁴⁰

Нині встановлено, що здатність згортати язик в трубочку часто є не генетичною, а набутою. Той факт, що деякі люди можуть навчитися згортати язик після першої невдалої спроби, свідчить про те, що ця ознака не є результатом простого генетичного механізму, як вважалося раніше. Додатковим доказом того, що ця ознака не є генетичною, є виявлення того, що здатність згортати язик може відрізнятися навіть у однояйцевих близнюків.⁴¹ Частка людей, які здатні згортати язик, коливається від 65 до 81%, причому жінок, які можуть це робити, трохи більше, ніж чоловіків.⁴²

Багато людей опановують цю навичку частково. Деякі можуть лише трохи згинати кінчик язика, тому їх не можна однозначно віднести ні до тих, хто вміє, ні до тих, хто не вміє.⁴³ Попри те, що численні дослідження показали: ця здатність є не генетичною, а значною мірою набутою, згортання язика в трубочку залишається популярним тестом для демонстрації менделівської генетики.⁴⁴ Хоча міф про згортання язика був спростований.

Мис вдови

У деяких людей є виступаюча V-подібна ділянка на передньому краю лоба та лінії росту волосся, яка називається «мис вдови» (рис. 3). Кажуть, що алель «миса вдови» домінує над алелем «прямої лінії» ростуМал.3 Виражена V-подібна точка в центрі передньої частини лінії росту волосся, відома як «мис вдови» волосся. Основна проблема цього твердження полягає в складності визначення того, у кого є мис вдови, а у кого його немає. Існують різні форми лінії росту волосся на лобі, тому часто робиться неточне судження. Одне дослідження, проведене серед студентів-медиків, показало, що лише 32 з 1039 осіб, тобто 3%, мали «невеликий, але помітний» мис вдови.⁴⁵ Інше дослідження за участю 360 жінок показало, що у 81% жінок був мис вдови.⁴⁶

Також слід враховувати вікові зміни. Лінія росту волосся у багатьох чоловіків й деяких жінок з часом відступає, часто повільніше в центральній частині, що створює ефект миса вдови. Таким чином, досить складно відрізнити вікові залисини від справжнього миса вдови у дорослих чоловіків. Проблема прикладу миса вдови, який використовується для ілюстрації основ генетики, полягає в міфі, ніби ця ознака контролюється одним геном з двома алелями, однак дослідникам так і не вдалося виявити відповідні гени. Макдональд зазначає, що він не знає, як виник цей міф, а також немає жодних експериментальних доказів, які б його підтверджували, попри ретельний пошук в науковій літературі.⁴⁷

Складання рук

Більшість людей надають перевагу складати руки так, що зверху опиняється або великий палець лівої руки, або великий палець правої руки. Людині, яка складає руки певним чином, інший спосіб здається дуже неприродним. В одному дослідженні приблизно половина учасників мала зверху великий палець правої руки, а інша половина – великий палець лівої руки.⁴⁸ Від часу проведення перших досліджень, понад сто років тому, не було знайдено чітких доказів того, що ця ознака відповідає домінантно-рецесивній моделі спадкування.⁴⁹

Огляд майже 100 публікацій, в яких вивчали спосіб складання рук у людей по всьому світу, показав, що більшість – від 40 до 75% – надають перевагу лівому великому пальцю зверху, й лише близько 1% становлять ті, кому байдуже.⁵⁰ Відповідно до однієї гіпотези, шульги під час складання рук частіше кладуть великий палець лівої руки зверху, а правші – правої.⁵¹ За іншою гіпотезою, ця перевага формується кожною людиною в ранньому дитинстві й закріплюється протягом багатьох років, доки інше положення не стає неприродним. Доказів того, що ця ознака є генетичною, немає.

Роздвоєне підборіддя

Мал.4 Молодий чоловік із роздвоєним підборіддямУ деяких людей є помітна ямочка або складка на передній частині підборіддя, яка називається роздвоєнням підборіддя (рис. 4). Стверджується, що ця ознака контролюється одним геном з двома алелями: один є домінантним й відповідає за роздвоєне підборіддя, а інший – рецесивним, що визначає гладке підборіддя. Однак наявні генетичні дані не підтверджують це твердження.⁵² Основна проблема полягає в тому, що багато підборідь знаходяться між «роздвоєними» й «гладкими» формами. Підборіддя мають дуже різні форми, включаючи округлі, з ямочками, вертикальні та з Y-подібними борознами.⁵³

Окрім того, з віком спостерігається значне посилення вираженості роздвоєння підборіддя: приблизно у 5% хлопчиків віком 6–10 років є роздвоєне підборіддя, тоді як вже у 10% чоловіків після 35 років воно спостерігається. Така вікова зміна також суперечить простій генетичній моделі. Окрім того, набір або втрата ваги також впливають на вираженість роздвоєння підборіддя.

Підсумки

Надмірно спрощена еволюційна парадигма, яку еволюціоністи використовують для обґрунтування свого світогляду, не підтверджується дослідженнями геному людини, які послідовно демонструють значно вищий рівень складності у формуванні цих та інших ознак, ніж вважалося раніше. Насправді дуже небагато ознак є результатом дії пари генів, і з появою нової генетичної інформації зростає також кількість різних генів, що визначають більшість ознак. На перший погляд прості ознаки виявляються дуже складними через взаємопов’язаність генетичних мереж, що функціонують у складних динамічних системах по всьому геному.

Застосувавши результати цього огляду теорії «один ген – один білок» до дослідження Гершоні і П’єтроковскі 2017 року, в якому було ідентифіковано 6500 генів, що викликають статевий диморфізм людини (і, відповідно, у чоловіків і жінок ці гени проявляються по-різному), результати не є несподіваними. Багато ознак, що визначають статевий диморфізм, які тривалий час вважалися такими, що відповідають правилу «один ген – одна ознака», насправді йому не відповідають.⁵⁴ Отже, 20 основних ознак, які, як вважається, формують статевий диморфізм людини, насправді можуть визначатися кількома сотнями генів, а не двадцятьма. Ще одним фактором є генетична плейотропія – ситуація, коли один ген впливає на дві або більше, а часто й на значно більшу кількість, на перший погляд не пов’язаних між собою фенотипічних ознак.⁵⁵