Генетический апокалипсис: как «эгоистичные гены» могут уничтожить целые виды

«Одна скромная научная лаборатория способна уничтожить жизнь на планете», — заявил американский биолог Кевин Эсвельт.

И добавил:

Теоретически генный драйв можно использовать как биологическое оружие… и я не знаю, как его остановить.

Технология генного драйва, о котором пойдет речь в этой статье, действительно, может стереть с лица Земли целый биологический вид за считанные месяцы.

Причем особенно Эсвельт опасался, что создание генной лаборатории даже не требует гигантских ресурсов — апокалипсис может устроить и небольшой коллектив биологов, даже по небрежности.

И это не сценарий фантастического фильма. Это реальность, с которой человечество столкнулось совсем недавно, когда обнаружило: внутри каждого живого существа идёт настоящая война. Эволюционная война между собственными генами.

Представьте: ваша ДНК — это не гармоничная симфония, где каждая нота на своём месте. Это поле битвы, где молекулы борются за выживание, используя ваше тело как полигон.

Некоторые из них настолько «эгоистичны», что готовы погубить весь организм, лишь бы скопировать себя побольше. И самое страшное: эти генетические паразиты могут уничтожить не только вас, но и весь ваш вид.

Добро пожаловать в мир эгоистичных генов — место, где биология превращается в триллер.

Что такое эгоистичные гены

В 1976 году британский биолог Ричард Докинз перевернул представление об эволюции одной фразой: «Мы — машины для выживания генов».

Докинз предложил смотреть на живые организмы не как на венец творения, а как на временные контейнеры, которые гены используют для размножения.

Вы думаете, что живёте для себя? Ваши гены так не считают, — парадоксально заметил ученый.

Эгоистичные гены — это участки ДНК, которые действуют исключительно в собственных интересах. Им плевать на ваше здоровье, на выживание вида, на экосистему. Их единственная цель — скопировать себя как можно больше раз. И если для этого придётся сломать несколько хромосом, убить половину потомства или вызвать вымирание популяции — что ж, такова цена успеха.

В нормальной ситуации каждый ген передаётся потомству с вероятностью 50%. У вас две копии каждого гена (одна от мамы, одна от папы), и при размножении каждая имеет равные шансы попасть в следующее поколение. Так работают законы Менделя, которые мы все учили в школе (это упрощенная трактовка, есть 1% генов, которые не подчиняются этой математике, но в большинстве случаев система работает именно так).

Эгоистичные гены плюют на эти законы. Они используют механизм, который учёные называют мейотическим драйвом. Вместо честных 50% такой ген передаётся 99% потомству. Как? Он просто убивает конкурентов.

Классический пример — гаплотип t у домовых мышей. Этот ген встроен в 17-ю хромосому и работает по принципу «яд-противоядие».

Когда самец-носитель производит сперматозоиды, гаплотип t синтезирует белки, которые парализуют жгутики всех сперматозоидов без этого гена. Они просто перестают двигаться. А сперматозоиды с геном t получают «противоядие» и спокойно плывут к яйцеклетке. Результат? 99% потомства наследует этот ген вместо положенных 50%.

Ну и что, возможно этот ген как то эффективен для выживания вида, вот он и получил эволюционное преимущество, скажете вы.

Проблема в том, что мышата, получившие две копии этого гена (от обоих родителей), просто погибают на ранней стадии развития. А самцы с одной копией часто бесплодны. Ген распространяется как пожар, но при этом косит собственных носителей.

Прыгающие гены: паразиты внутри вашей ДНК

Но мейотический драйв — ещё цветочки. Познакомьтесь с транспозонами — мобильными генетическими элементами, которые составляют почти половину вашего генома.

Транспозоны работают как вирусы внутри клетки. Они копируют себя, встраиваются в случайные места генома, разрывают функциональные гены и вызывают мутации. Организм тратит энергию на их репликацию, а взамен получает… старение, рак, наследственные болезни.

Самое многочисленное семейство «прыгающих генов» — LINE-1. В вашем геноме больше 500 тысяч копий этого элемента, и около 80-100 из них до сих пор активны. Когда LINE-1 «прыгает» в новое место, он может:

• Разорвать критический ген (так возникает 10% случаев гемофилии)
• Вызвать хромосомные перестройки
• Активировать онкогены и спровоцировать рак
• Нарушить работу мозга (у больных шизофренией LINE-1 особенно активны)

Парадокс в том, что без этих «паразитов» эволюция шла бы черепашьим шагом. Транспозоны создают генетическое разнообразие, которое помогает видам адаптироваться.

Но цена этой адаптации — постоянный риск генетической катастрофы.

Так что же, природа нашла баланс? Не совсем. Потому что иногда эгоистичные гены выходят из-под контроля. И тогда начинается настоящий апокалипсис.

Реальные примеры вымирания из-за «взбесившихся» генов

Теория — это хорошо. А есть ли доказательства, что эгоистичные гены реально убивают виды? О да! И эти примеры заставляют волосы вставать дыбом.

Африканские бабочки: один самец на 200 самок

В Африке живут бабочки Acraea encedon, заражённые бактерией Wolbachia. Эта бактерия передаётся только через самок, поэтому самцы для неё бесполезны. И что делает бактерия? Убивает всех самцов на личиночной стадии.

Гены бактерии эволюционируют так, чтобы максимизировать своё распространение, даже если это убивает вид.

Вольбахия передаётся только через самок, поэтому её гены «отобрали» стратегию: убивать всех самцов, чтобы гарантировать, что все оставшиеся самки будут заражены и распространят паразита.

При этом, бактерия сама себе роет могилу — если бабочки не будут размножаться, то и бактерия погибнет.

Результат: соотношение полов один к двумстам. Сто самок на одного самца. Популяция держится на волоске — если с единственным самцом что-то случится, вся колония обречена. И вид в любой момент может исчезнуть.

Эта история показывает, что гены «думают» только о собственной копии, а не о благе организма или вида.

Дрозофилы: смертельная рулетка полов

У плодовых мушек всё ещё интереснее. На X-хромосомах дрозофил встроено целое семейство генов мейотического драйва — Dxl-гены. Они производят белок, убивающий сперматозоиды с Y-хромосомой. Результат: самец производит почти исключительно дочерей.

Казалось бы, популяция должна коллапсировать? Не тут-то было. Эволюция ответила появлением генов-супрессоров — молекулярных «телохранителей», которые блокируют работу драйверов. Теперь в геноме каждой мухи идёт вечная война: драйверы пытаются убить Y-хромосому, супрессоры их останавливают.

Эта битва длится миллионы лет и стоит виду огромных ресурсов. Зачем мухе нужна эта система «яд-противоядие»?

Да ни за чем. Никакой пользы.

Просто эгоистичные гены нельзя полностью уничтожить — они возникают снова и снова через мутации.

Такое происходит в мире насекомых, но у человека сейчас появилась способность создавать подобное искусственным образом.

CRISPR: когда человек создаёт генетическое оружие

В 2015 году учёные Имперского колледжа Лондона совершили прорыв, который одновременно восхитил и ужаснул научное сообщество. Они создали генный драйв — искусственный эгоистичный ген, способный распространиться через весь вид за 10-20 поколений.

Что такое генный драйв простыми словами

Генный драйв — это «вирус в ДНК», который распространяется не как обычный ген, который передаётся 50% потомству, а — 99% потомству (о таких примерах в природе я рассказывал выше).

Когда вы получаете один генный драйв от родителя, он автоматически копирует себя на вторую копию хромосомы, которую вы получили от другого родителя — в результате все ваши дети получают этот ген, а их дети тоже, и так дальше.

Самое опасное — генный драйв можно запрограммировать так, чтобы он кодировал бесплодие или отравлял половые клетки определённого пола, и тогда целый вид вымрет за 10-20 поколений (для комаров, к примеру, это всего один год). Если у бабочек в природе такой генный механизм появился случайным образом, то в созданный целенаправленно в лаборатории он может быть опаснее. Потому что, созданный по науке, будет работать без сбоев.

Как работает искусственная технология генетического драйва

Технология основана на системе CRISPR/Cas9 — молекулярных «ножницах», которые режут ДНК в нужном месте. По шагам выглядит так:

1. Вы берёте комара и встраиваете в его геном модифицированный ген с системой CRISPR
2. Этот комар спаривается с обычным диким комаром
3. В зародыше система CRISPR находит «нормальную» версию гена на хромосоме дикого родителя и разрезает её
4. Клетка чинит разрыв, копируя информацию с соседней (модифицированной) хромосомы
5. Обе копии гена становятся модифицированными
6. Потомство наследует изменённый ген со 100% вероятностью

Процесс повторяется в каждом поколении. Вот так, через 10-20 поколений этот ген и «заразит» всю популяцию.

Сейчас такой генный драйв думают, как использовать на пользу. Я недаром привел в пример комаров — так можно уничтожать популяции малярийных комаров в Африке. Представьте, например, что модифицированные комары передают ген, вызывающий бесплодие у самок.

Только вот есть и обратная сторона. Этот ген малярийные комары передадут и другим видам, которые малярию не переносят. И если все эти комары вымрут, то начнут вымирать виды, что ими питаются.

Личинками комаров питаются рыбы, пауки, водные насекомые. Взрослых комаров едят птицы, летучие мыши, стрекозы. Исчезновение комаров запустит каскад вымираний.

Но самая страшная опасность кроется в том, что гены могут не зацикливаться внутри вида, а передаваться другим, совсем неродственным видам.

Горизонтальный перенос: кошмар становится реальностью

Гены могут «перепрыгивать» с одного вида на другой, игнорируя видовые барьеры.

Что произойдёт, если генный драйв случайно передастся на бабочек? На пчёл? На всех насекомых?

Ген, вызывающий бесплодие, универсален для многих видов. Если он распространится через горизонтальный перенос, планета может остаться без опылителей. Результат — коллапс растительных популяций, голод среди травоядных, вымирание хищников. А людям придется потратить огромное количество ресурсов на создание искусственной системы опыления с помощью дронов.

Почему невозможно отменить драйв

Самое жуткое в генных драйвах — их нельзя остановить, если процесс запущен.

Кевин Эсвелт, который разрабатывает технологию генетического драйва (с его цитат я начал эту статью), метко заметил:

«Запустить генный драйв — это как выпустить новый высокоинвазивный вид. Оба будут распространяться везде, где смогут выжить. И отменить это невозможно».

Если драйв вырвется из лаборатории случайно или будет запущен злоумышленником, человечество окажется беззащитным. Нет кнопки «отмена». Нет противоядия. Единственный способ остановить драйв — физически истребить всех носителей. А если ген уже распространился на несколько видов через горизонтальный перенос?

Технология создания генного драйва настолько проста, что её можно реализовать в обычной лаборатории за 5-10 тысяч долларов. Не нужна огромная научная база, не нужны годы исследований.

Это означает, что угроза исходит не только от стран или корпораций. Любой биолог с образованием и амбициями может создать генетическое оружие. Враждебное государство может разработать драйв, снижающий IQ населения противника. Террористическая группа — запустить ген, вызывающий бесплодие. Фанатик-одиночка — уничтожить сельскохозяйственные культуры.

Эгоистичные гены были в природе всегда, но занимали весьма скромную нишу.

Но вот впервые за 3.8 миллиарда лет истории жизни один вид — наш с вами — получил инструменты, способные запустить генетический апокалипсис намеренно. Технология настолько проста, что её невозможно «закрыть в сейфе», как ядерное оружие. Она доступна любому, у кого есть базовая лаборатория и знания.

Единственная защита — осознанность. Международные соглашения. Этика.

Потому что если мы запустим неправильный ген, обратного пути не будет. И тогда эгоистичные гены, созданные человеком, завершат то, что природа начала миллионы лет назад.