Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Мы хотим, чтобы пшеница была ниже, а куры – больше. Сегодня североамериканские куры, выращиваемые на мясо, в четыре раза тяжелее, чем их сородичи в 1950-х, даже при аналогичном откорме⁶. (Чтобы понять, насколько значительно это увеличение, вообразите мир, в котором человек весит в среднем 320 килограммов.) У кур бывает разная конституция, что отчасти объясняется генетикой: современные увесистые куры-переростки появились в результате последовательного отбора самых крупных особей для размножения. Кстати, упомянутое исследование Виссхера и его коллег приписало генетическим различиям около 40 % разницы в индексе массы тела – показателе соотношения массы и роста.

Сегодня, отбирая растения и животных для скрещивания, можно опираться не только на очевидные характеристики, но и на ОНП. Например, выбрав крупную курицу и крупного петуха, мы можем получить крупных цыплят, но было бы лучше, если бы увеличивающие размеры тела генетические варианты матери отличались от вариантов отца – так мы сильно повысим вероятность того, что у каждого их потомка будет целых два набора генетических предрасположенностей к крупным размерам, или, образно говоря, в геномную копилку цыплят попадут две разные несбалансированные монеты. Поэтому сейчас все чаще и чаще прибегают к сбору данных по ОНП, то есть к ОНП-генотипированию. Так, в 2019 году американская база данных молочного скота содержала генотипы 3 миллионов коров, самому старому из которых было 2 миллиона лет, а самому новому – два года⁷. Инструментарий и базы ОНП сейчас охватывают десятки сельскохозяйственных культур – от пшеницы до томатов и подсолнечника.

…и улучшить арбуз

Как мы увидели на примере человеческого роста – и это верно для многих заболеваний, о которых мы вскоре поговорим, – ОНП обладают предсказательной силой, несмотря на свою разбросанность по геному. Это удивительно, и моего краткого комментария о том, что однонуклеотидная изменчивость встречается как в гене, так и в регуляторных областях, вероятно, недостаточно. Есть еще одна причина, казалось бы, непропорционально высокой значимости ОНП для исследователя, и она заставляет вспомнить ключевое утверждение из первой главы: ДНК – это физический объект, длинная молекула, похожая на цепочку. ДНК, которую мы получили от каждого из наших родителей, объединяется в клетках, дающих жизнь нашим потомкам. В клетке – предшественнице яйцеклетки или сперматозоида нить ДНК от одного родителя оказывается рядом с нитью от другого. Белковые машины могут обменивать сегменты нитей – вырезать их из одной и вшивать в другую, смешивая таким образом два генома. В итоге каждая нить содержит генетическую информацию от обоих родителей. Случайный характер обмена – происходит ли он вообще и где именно – придает уникальность каждому сперматозоиду и каждой яйцеклетке в море возможных вариантов. Входить в состав обмениваемых сегментов могут и гены, и регуляторные области, и, конечно, ОНП. Чем ближе друг к другу расположены участки в геноме, тем выше вероятность их совместного (сцепленного) перемещения при обмене и передаче ребенку, когда яйцеклетка встретится со сперматозоидом. Следовательно, ОНП можно рассматривать не только как самоцель, но и как маркер более крупного фрагмента ДНК, который окружает его и сильнее влияет на формирование организма. Считывание этих однонуклеотидных полиморфизмов позволяет нам опосредованно добыть более детальную информацию о геноме.

Хорошей иллюстрацией значимости физической близости генов служат арбузы. Еще 10 тысяч лет назад знакомых нам арбузов не существовало. Предком современной культуры было пустынное вьющееся растение, которое давало небольшие плоды с бледно-желтой горькой мякотью. У них, впрочем, было одно ценное качество: они прекрасно удерживали воду. Древние египтяне одомашнили тыкву, отбирая в каждом ее новом поколении семена наименее горьких плодов, что в итоге придало ей ту сладость, которую мы любим сейчас. Один из генов, играющих ключевую роль в определении вкуса (степень горечи или сладости плодов зависит от его вариантов), находится рядом с геном белка, влияющего на цвет. Из-за этого при отборе более сладких плодов мякоть арбуза приобретала все более выраженный красный цвет. Селекция этой культуры с акцентом на размер, вкус, цвет, толщину корки и другие характеристики длилась несколько тысячелетий – и вот появился тот самый сладкий красный арбуз, который мы знаем сегодня⁸.

Гены, болезни и риск