Kdo jsme, odkud přicházíme a kam směřujeme

Kdo jsme

Asi každý, ať už vychází z jakýchkoliv předpokladů, připustí nápadnou podobnost lidí a vyšších primátů, zejména pak naši podobnost se šimpanzi. Nejde jen o celkovou tělesnou stavbu, ale také o různé projevy inteligence. Šimpanzi vyrábějí nástroje, což je celkem běžné i u řady jiných zvířat, navíc však vytvářejí i kulturní tradice a vedou dokonce války. U člověka je ovšem všechno řádově umocněno. Na druhou stranu je mezi námi a šimpanzi přeci jen pořádná mezera. Definování rozdílů, které ji působí, může mnohé napovědět o podstatě člověka jako biologického druhu i sociální bytosti.

Jedinečnou příležitost k analýze na kvalitativně nové úrovni přineslo přečtení úplné genetické informace – všech písmen v knize života – tedy lidského i šimpanzího genomu.¹⁾ Nedávno se navíc podařilo s pomocí nejmodernějších sekvenačních postupů²⁾ určit úplnou sekvenci – pořadí nukleotidů – mitochondriální DNA (mtDNA) a posléze i celého jaderného genomu neandertálce. Ukázalo se, že šimpanzí a lidský genom se velmi podobají (z 98,5 %), což je významně větší shoda než třeba u příbuzných druhů hlodavců – myši a potkana. Dalším překvapením bylo, že lidský genom obsahuje poměrně málo genů kódujících přímo proteiny. Očekávalo se alespoň 100 000. Skutečných 21 000 genů je v živočišné říši celkem průměrný počet. Další analýzou získaných dat bylo v lidském genomu brzy nalezeno poměrně velké množství genů s významnými strukturálními změnami ve srovnání se šimpanzem. Často jde o transkripční faktory, tedy o regulátory exprese³⁾ velkého množství dalších genů.

Pomohla nám řeč?

I přes pozoruhodné šimpanzí výkony v komunikačních schopnostech, včetně zvládnutí velkého množství symbolů znakové řeči, je lidská mluva nesrovnatelně účinnější a představuje zcela jistě evoluční novinku. Hledání genů určujících tuto vlastnost je tedy jednou z možných strategií pro objasnění otázky, kterou jsme si položili v úvodu. Podstata neuromolekulárních drah, které jsou základem jazyka, není známa, ale velký informační význam může mít poziční klonování⁴⁾ lidských neurologických vývojových vad. Pokud mutace daného genu odpovídá za poruchu určité neurální funkce, je pravděpodobné, že sekvenční variace v tomto genu mohou ovlivňovat příslušnou vývojovou cestu. Srovnání vnitrodruhové a mezidruhové variability (šimpanze a člověka) pak může posloužit k vyvození závěrů, zda příslušný gen hraje významnou roli v evoluci člověka.

Například studium primární mikrocefalie (vývojové poruchy vedoucí k redukci objemu mozku) naznačuje mechanismus, který v evoluci člověka vedl k expanzi kortexu, vnější vrstvy savčích mozků, odpovědné za jeho vyšší kognitivní funkce. Mezi geny, které ovlivňují velikost mozku, jsou významné regulátory buněčné proliferace a buněčné smrti MCPH1 (kódující mikrocefalin) a ASPM (abnormal- -spindle-like, microcephaly associated), který je důležitý pro formování vřeténka při dělení neuroblastů. Tyto geny vykazují známky pozitivní selekce v evoluci primátů.⁵⁾ Mikrocefalici ovšem mluví celkem normálně a jsou jen mírně mentálně retardovaní.

Přímější pohled na evoluci jazyka poskytují studie vývojových poruch bezprostředně zasahujících řečové schopnosti. Nejvýznamnější se jeví gen pro transkripční faktor FOXP2 (forkhead box P2). Mutace v DNA vazebné doméně FOXP2 způsobuje poruchu řeči, při které je ovlivněna schopnost jemných pohybů úst a hrtanu. Dvě klíčové záměny aminokyselin FOXP2 proteinu mohou být důvodem neschopnosti artikulace u šimpanze.⁶⁾ Z jiných významných genů jmenujme ještě MYH16, který je nutný pro vývoj žvýkacích svalů. Mutace u člověka vedla k zeslabení čelistí, které mohlo umožnit růst lidské lebky. Další nápadné odlišnosti jsou v genech ovlivňujících čich a sluch, některých genech souvisejících s imunitní odpovědí a genech spojených s reprodukcí.

Velice významné je porovnání projevů genů v různých tkáních. Zatímco třeba v játrech a v krvi nebyly zaznamenány žádné rozdíly, mozek šimpanze a člověka je na první pohled významně odlišný. V lidském mozku jako by se využívání mnoha genů zrychlilo. Navíc se v komplexu mitochondriálních genů (Complex IV – COX) odpovědných za transport elektronů nahromadilo v lidské linii výjimečně mnoho změn. Oba tyto nálezy mají jistě souvislost s energetickým metabolismem v mozku. Je ale otázkou, zda uvedené změny primárně umožnily růst mozku, nebo jsou až sekundárním důsledkem zvětšení mozku a jeho extrémní energetické náročnosti.

Potřebné haraburdí

Možná tím nejdůležitějším hnacím motorem evoluce, alespoň v některých případech, jsou oblasti mimo vlastní geny. Zprvu byly považovány za balastní DNA (zvanou v anglické literatuře junk-DNA, doslova odpad, haraburdí). Vzhledem k tomu, že geny kódující proteiny tvoří jen asi 2 % sekvencí, bylo by podivné, kdyby zbylých 98 % bylo jen přítěží. Nabízí se porovnat úroveň poznání struktury a fungování genomu s okolním vesmírem. Najednou jsme konfrontováni se skutečností, že většina genomu sestává ze sekvencí, jejichž funkce je nejasná (temná), ale vypadá to, že mají rozhodující úlohu v evoluci. Také vesmír je, zdá se, tvořen převážně temnou hmotou a energií neznámé povahy, které rozhodují o jeho osudu.

Ve struktuře genomu přece jen již začínáme něčemu rozumět. Samostatnou kapitolou by byla úloha různých typů krátkých regulačních RNA, jejichž seznam neustále roste a je zřejmé, že daleko největší část genomu je přepisována do nekódující RNA. Velmi zajímavá je také úloha retroelementů,⁷⁾ které jsou vlastně genovými parazity, nicméně se zřejmě podílejí významnou měrou na utváření nejen lidského genomu. Nedávné studie ukázaly, že zvětšení našeho genomu urychlily právě retrotranspoziční aktivity. V genetické linii vedoucí k dnešnímu člověku vzrostl za posledních 50 milionů let genom o 30 Mb (megabází) ve srovnání se šimpanzem a o 550 Mb v porovnání s lemurem. Nejméně 90 % je způsobeno novými inzercemi retroelementů. Typickými představiteli jsou u člověka L1 a Alu, které představují asi 27 % lidského genomu. Nápadné je hlavně zvýšení aktivity Alu v posledních 25 milionech let. Tyto sekvence mohou představovat významné mutageny na strukturální i genové úrovni a jejich příspěvek ke změnám fenotypu může být větší, než se dříve myslelo. Také je zajímavé, že aktivita sekvencí Alu je velmi malá v nedávno publikovaném genomu orangutana. I jiné charakteristiky jeho genomu svědčí o relativně malé evoluční dynamice.

V poslední době byly přineseny další důkazy o specifickém zrychlení evoluce některých oblastí lidského genomu nazývaných HAR (Human Accelerated Regions). Celkem bylo nalezeno 49 úseků HAR. Z toho jsou pouze dvě klasické kódující oblasti. Z nekódujících sekvencí však celých 25 % sousedí s geny, které se podílejí na embryonálním vývoji mozku. Zrychlení evoluce ilustruje oblast nazvaná HAR-1 o velikosti 118 bp (párů bází). V této sekvenci byly nalezeny dvě odlišné báze mezi kuřetem a šimpanzem, které odděluje asi 310 milionů let separátního vývoje. Jenže šimpanz a člověk se odlišil v 18 bázích, a to za pouhých 6 milionů let. Oblast HAR-1 nemá kódující proteinovou kapacitu, ale transkript se pravděpodobně může skládat do stabilní struktury RNA. HAR-1 je aktivní v průběhu 7.–19. týdne těhotenství v Cajal-Retziusových neuronech, které jsou odpovědné za vytváření šestivrstevné mozkové kůry typické pro člověka. Celkově se tedy zdá, že největší rozdíly mezi příbuznými druhy budou spočívat, alespoň v některých případech, spíše v orchestraci celého souboru genů než v jednotlivých rozdílech uvnitř genů či v jejich celkovém počtu.

Za kritické přečtení textu děkuji RNDr. Jiřímu Hejnarovi.

Pokračování ve Vesmíru 2011/9.