Мутации в одном и том же гене позволяют людям процветать на экстремальных высотах
Большинство людей привыкли жить на низких высотах и с трудом могут дышать на больших высотах. Но разреженный воздух не является проблемой для народа кечуа в Перу, который выжил и процветал высоко в Андах более 10 000 лет.
Теперь авторы нового исследования, опубликованного в журнале Science Advances, определили генетический вариант, который, возможно, помог этой популяции адаптироваться к жизни на необычайной высоте. Тибетцы, живущие в Гималаях, обладают разной мутацией в одном и том же гене, что позволяет предположить, что обе группы независимо развили схожие адаптации к жизни на большой высоте. Это открытие демонстрирует, как эволюция иногда может способствовать общим решениям общей проблемы.
Человеческое тело лучше всего приспособлено для жизни на уровне моря или чуть выше него, где много кислорода. Поднимитесь на высоту более 2500 метров, и вы можете страдать от высотной болезни — типа гипоксии, которая может вызвать тошноту, спутанность сознания и отек легких и мозга. Проживание на большой высоте в течение длительного времени может вызвать хроническую горную болезнь, повышая риск проблем с сердцем, инсульта и осложнений во время беременности и родов. Но некоторые группы населения, в том числе горцы Южной Америки и Тибета, могут комфортно жить и работать на высоте более 4000 метров.
Хотя эти группы имеют некоторые общие физиологические черты (например, большие легкие), некоторые из основных механизмов, которые помогают им справляться с жизнью в горах, совершенно различны. Исследование 2014 года показало, что тибетцы выработали приспособления для увеличения массы тела и увеличения производства питательных веществ, тогда как в статье 2018 года были выявлены различия в генах, связанных с развитием сердечной мышцы у андских популяций. Другие исследования показывают, что взросление в суровых условиях Анд вызывает эпигенетические изменения, которые не меняют фактическую последовательность ДНК, но могут влиять на то, как она выражается.
Еще одно важное различие между этими двумя группами заключается в том, что у некоторых жителей Анд, по-видимому, необычно высокий уровень гемоглобина в крови, что дает им столь необходимый приток кислорода, тогда как тибетцы обходятся концентрациями ниже среднего.
В 2010 году группа, в которую входил генетик Татум Симонсон из Калифорнийского университета (Калифорния) в Сан-Диего, обнаружила, что тибетские горцы обладают несколькими вариантами генов, которые позволяют им более эффективно использовать гемоглобин, тем самым повышая уровень кислорода в крови. Одним из них является уникальная версия гена под названием EPAS1, который кодирует фактор транскрипции, который «включает сотни, если не тысячи генов в ответ на низкий уровень кислорода».
Теперь члены лаборатории Симонсона секвенировали геномы 40 человек происхождения кечуа, живущих в Серро-де-Паско, Перу, городе, расположенном на высоте более 4000 метров над уровнем моря. Их анализ показал, что у некоторых жителей Анд вместо более высокого уровня гемоглобина есть еще одна версия EPAS1 — та, которая, как и тибетский вариант, связана с низким гемоглобином и более высоким насыщением кислородом.
Симонсон отмечает, что мутации, присутствующие в тибетских популяциях, происходят в некодирующих областях EPAS1 и оказывают слабое регуляторное воздействие на экспрессию гена в некоторых тканях. Однако недавно обнаруженный вариант «жестко закодирован в ДНК» и может напрямую влиять на структуру или функцию (или обе) транскрипционного фактора в каждой отдельной клетке.
Команда также проверила большие базы данных генома на наличие признаков андского варианта. Они обнаружили его у некоторых других человеческих популяций, но с чрезвычайно низкой частотой. «Этот вариант действительно очень редок и практически не существует в остальном мире», — говорит соавтор исследования Ванджун Гу из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Как ни странно, единственным другим организмом, который имеет этот вариант с высокой частотой, является латимерия западной части Индийского океана (Latimeria chalumnae) — редкий вид лопастных рыб, который существовал на протяжении сотен миллионов лет. Вполне возможно, что латимерии также развили этот вариант, поскольку некоторые виды адаптировались к условиям с низким содержанием кислорода, объясняет соавтор исследования Элайджа Лоуренс из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
В будущем исследователи надеются разработать меры, которые помогут жителям Анд, у которых есть проблемы с жизнью на большой высоте. Симонсон отмечает, что даже среди населения кечуа существуют генетические вариации, и некоторые люди подвергаются большему риску развития горной болезни. «Мы надеемся, что эта работа сможет улучшить качество жизни населения, которое мы изучаем в Перу», — говорит Симонсон. «Это их дом, и они не хотят уезжать».