Человек родился из инфекции
Различные производные нейраминовой кислоты, известные также как сиаловые кислоты, локализуются на поверхностях клеток в тканях всех животных, выполняя важные посреднические функции при взаимодействии клеток с соединительными тканями (например, коллагеном) и компонентами жидкой соединительной ткани (лимфой и плазмой крови). Функции диктуются способностью сиаловых кислот связывать, то есть включать или выключать, белки, циркулирующие между клеткой и внеклеточными веществами, некоторые гормоны, а также лимфоциты и эритроциты (см. врез), что делает их важным компонентом иммунитета.
В свободном виде сиаловые кислоты в организме не встречаются (за исключением, конечно, патологий), а входят в состав сложных углеводсодержащих молекулярных комплексов (гликопротеинов, олигосахаридов и др.), которые являются излюбленной мишенью патогенов – различных микроорганизмов, не только обожающих полакомиться углеводами, но и посредством них нащупывающих бреши в клеточной защите.
Миллионы лет организмы далеких общих предков людей и обезьян вырабатывали одну и ту же разновидность сиаловой кислоты – Neu5Gc, или N-гликолилнейраминовую кислоту.
Затем, приблизительно три миллиона лет назад, в части популяции обезьян произошел отбор мутаций, блокирующих энзим, ответственный за производство Neu5Gc, и запускающих синтез ее прекурсора – Neu5Ac, или N-ацетил производной нейраминовой кислоты (собственно, Neu5Gc отличается от Neu5Ac наличием одной гидроксильной группы). Возможно, как выяснила несколько лет назад та же команда из Сан-Диего, сравнившая механизм заболевания малярией у человека и шимпанзе, закреплению мутации способствовал малярийный паразит, использовавший Neu5Gc в качестве мишени, облегчающей прикрепление малярийного плазмодия к хозяйской клетке.
Примечательно, что, согласно молекулярным часам, мутация гена CMAH, приведшая 2–3 млн лет назад к утере человеком Neu5Gс-синтеза, совпадает с появлением на эволюционной сцене Homo erectus (человека прямоходящего) и Homo ergaster (человека умелого).
«Это произошло примерно в то время, когда древние гоминиды стали играть роль хищников в той эконише, которую они заняли», – рассказывает Паскаль Ганье, эволюционный биолог и профессор клеточной и молекулярной медицины Университета в Сан-Диего. «Нельзя знать наверняка, что произошло в действительности – на процесс эволюции могут одновременно влиять множество вещей, – но можно быть уверенным, что структурное изменение сиаловой кислоты автоматически спровоцировало у древних выработку иммунного ответа на Neu5Gc, которая стала восприниматься их иммунной системой как чужак, как что-то, что должно быть уничтожено.
Выработка иммунитета к Neu5Gc стимулировалась потреблением красного мяса – главного источника Neu5Gc», – отмечает Ганье.
Профессор и его коллеги полагают, что сильная иммунная реакция на Neu5Gc, антитела на которую могут наносить ущерб половым клеткам, несущим Neu5Gc, включила мощный механизм полового отбора в популяции африканских гоминид.
Биологи предположили, что антитела к Neu5Gc, синтезированные в организме самок гоминид-мутантов, атаковали Neu5Gc-положительную сперму или ткани плода, приводя к выкидышам, что снижало репродуктивные шансы самцов-носителей Neu5Gc-гена, медленно, но верно исключая их гены из оборота.
И действительно, лабораторные эксперименты, описанию которых посвящена большая часть статьи в PNAS, показали, что оказавшись в одной пробирке с человеческими антителами, сперма шимпанзе, клетки которой покрыты молекулами сахаридов с сиаловой кислотой Neu5Gc, быстро гибла. В другом эксперименте, уже с участием генов и антигенов млекопитающих одного вида, биологи скрещивали самок мышей с подавленными генами, отвечающими за сборку Neu5Gc, а также с искусственно вызванным иммунитетом к этой кислоте, с Neu5Gc-положительными самцами. И в этом случае «женские» антитела также подавляли сперму Neu5Gc-положительных самцов, а рождаемость в этой группе падала.
«Со временем такая репродуктивная несовместимость постепенно снижала численность Neu5Gc-особей и в конечном итоге полностью исключила их из популяции», – резюмирует Ганье.
«Как это ни странно, но, согласно расчетной модели, этот процесс идет быстрей, когда репродуктивная несовместимость дает лишь незначительное уменьшение приплода у отдельных особей, чем в случае стопроцентного бесплодия», – добавляет он.
Ганье отмечает, что это открытие прибавляет концепции «видообразования через инфекции», недавно казавшейся чем-то эксцентричным, больше веса. Согласно ей, инфекционные заболевания, охватывающие определенную популяцию, могут в силу иммунитетно-репродуктивной несовместимости способствовать ее эффективной изоляции и дальнейшей постепенной эволюции в отдельный вид.
В случае древних гоминид фактором, способствовавшим изоляции группы, мог стать женский иммунитет к N-гликолилнейраминовой кислоте, запустивший отрицательную селекцию Neu5Gc-гена.
Собственно, прямыми, но очень далекими наследниками Neu5Ac-позитивных генов, возникших благодаря малярийной мутации и изолированных половым отбором в отдельную группу древних гоминид, являемся и мы с вами – единственные млекопитающие, не умеющие синтезировать Neu5Gc. И наследниками более чем успешными с репродуктивной точки зрения.