Аллан Уилсон: Пионер молекулярной эволюции и изучения происхождения человека.

Введение

Новозеландский биолог Аллан Чарльз Уилсон (англ. Allan Charles Wilson FRS AAA&S; 18 октября 1934 – 21 июля 1991) был профессором биохимии в Калифорнийском университете в Беркли, пионером в применении молекулярных методов для изучения эволюционных изменений и восстановления филогений, а также оказал революционное влияние на изучение эволюции человека. Он был одной из наиболее значимых фигур в биологии послевоенного периода; его работы привлекали значительное внимание как в академической среде, так и за её пределами. Он – единственный новозеландец, удостоенный стипендии Макартура. Наиболее известен он экспериментальным подтверждением концепции молекулярных часов (совместно с аспирантом Винсентом Сарихом), теоретически предложенной Линусом Полингом и Эмилем Цукеркандлом, революционными открытиями в области молекулярной антропологии высших приматов и эволюции человека, а также так называемой гипотезой о митохондриальной Еве (совместно с аспирантами Ребеккой Л. Канн и Марком Стоункингом).

Ранние годы и образование

Аллан Уилсон родился в Нгаруавахиа, Новая Зеландия, и вырос на семейной молочной ферме в Хельветии, Пукекохе, примерно в тридцати двух километрах к югу от Окленда. В местной воскресной школе жена пастора была впечатлена интересом юного Аллана к эволюции и посоветовала его матери отдать его в элитную среднюю школу King’s College в Окленде. Там он преуспел в математике, химии и спорте. Уилсон уже проявлял интерес к эволюции и биохимии, но планировал стать первым в семье, кто поступит в университет, изучая сельское хозяйство и животноводство. Он познакомился с профессором Кэмпбеллом Перси Макмиканом, пионером новозеландской науки о животных, который предложил Уилсону поступить в Университет Отаго на юге Новой Зеландии для углубленного изучения биохимии, а не ветеринарии. В 1955 году Уилсон получил степень бакалавра в Университете Отаго, специализируясь как в зоологии, так и в биохимии. Физиолог птиц Дональд С. Фарнер встретил Уилсона еще во время его учебы в Отаго и пригласил его в Вашингтонский государственный университет в Пульмане в качестве аспиранта. Уилсон принял предложение и в 1957 году получил степень магистра зоологии в WSU под руководством Фарнера, где исследовал влияние фотопериода на физиологию птиц. Затем Уилсон переехал в Калифорнийский университет в Беркли для проведения докторских исследований. Семья полагала, что он уедет лишь на два года. Однако Уилсон остался в Соединенных Штатах и в 1961 году получил докторскую степень в Беркли под руководством биохимика Артура Парди за работу по регуляции биосинтеза флавина у бактерий. С 1961 по 1964 год Уилсон проходил постдокторскую стажировку под руководством биохимика Натана О. Каплана в Университете Брандейса в Уолтеме, штат Массачусетс. В лаборатории Каплана, работая с лактат- и малоатдегидрогеназами, Уилсон впервые познакомился с зарождающейся областью молекулярной эволюции. Нейт Каплан был одним из первых пионеров, применивших молекулярно-биологические данные для решения филогенетических задач, подход, который Уилсон позже успешно использовал при изучении эволюции человека и родственных связей приматов. После Брандейса Уилсон вернулся в Беркли, где организовал собственную лабораторию в отделе биохимии и оставался там до конца жизни.

Allan Wilson was born in Ngāruawāhia, New Zealand, and raised on his family's rural dairy farm at Helvetia, Pukekohe, about twenty miles south of Auckland. At his local Sunday School, the vicar's wife was impressed by young Allan's interest in evolution and encouraged Allan's mother to enroll him at the elite King's College secondary school in Auckland. There he excelled in mathematics, chemistry, and sports. Wilson already had an interest in evolution and biochemistry, but intended to be the first in his family to attend university by pursuing studies in agriculture and animal science. Wilson met Professor Campbell Percy McMeekan, a New Zealand pioneer in animal science, who suggested that Wilson attend the University of Otago in southern New Zealand to further his study in biochemistry rather than veterinary science. Wilson gained a BSc from the University of Otago in 1955, majoring in both zoology and biochemistry. The bird physiologist Donald S. Farner met Wilson as an undergraduate at Otago and invited him to Washington State University at Pullman as his graduate student. Wilson obliged and completed a master's degree in zoology at WSU under Farner in 1957, where he worked on the effects of photoperiod on the physiology of birds. Wilson then moved to the University of California, Berkeley, to pursue his doctoral research. At the time the family thought Allan would only be gone two years. Instead, Wilson remained in the United States, gaining his PhD at Berkeley in 1961 under the direction of biochemist Arthur Pardee for work on the regulation of flavin biosynthesis in bacteria. From 1961 to 1964, Wilson studied as a post doc under biochemist Nathan O. Kaplan at Brandeis University in Waltham, Massachusetts. In Kaplan's lab, working with lactate and malate dehydrogenases, Wilson was first introduced to the nascent field of molecular evolution. Nate Kaplan was one of the very earliest pioneers to address phylogenetic problems with evidence from protein molecules, an approach that Wilson later famously applied to human evolution and primate relationships. After Brandeis, Wilson returned to Berkeley where he set up his own lab in the Biochemistry department, remaining there for the rest of his life.

Карьера и научные вклады

Уилсон присоединился к факультету биохимии Калифорнийского университета в Беркли в 1964 году и был повышен до полного профессора в 1972 году. Вместе со своим студентом Винсентом Сарихом он показал, что эволюционные взаимоотношения человеческого рода с другими приматами, в особенности с человекообразными обезьянами (людьми, шимпанзе, гориллами и орангутанами), можно установить на основе молекулярных данных, полученных от ныне живущих видов, а не исключительно из ископаемых останков вымерших существ. Их метод микрокомплементной фиксации (см. систему комплемента) измерял силу иммунной реакции между антигеном (сывороточным альбумином) одного вида и антителом, выработанным против того же антигена у другого вида. Известно, что сила реакции антиген-антитело тем выше, чем ближе родство видов: их инновация заключалась в количественном измерении этой силы для множества пар видов в виде "иммунологического расстояния". Когда эти расстояния были сопоставлены со временем расхождения пар видов с хорошо установленной эволюционной историей, данные показали, что молекулярные различия увеличиваются линейно со временем, что получило название "молекулярных часов". Используя эту калибровочную кривую, можно было определить время расхождения пар видов с неизвестной или неясной ископаемой историей. Наиболее спорным было то, что их данные указывали на то, что время расхождения между людьми, шимпанзе и гориллами составляет порядка 3–5 миллионов лет, что значительно меньше принятых палеоантропологами оценок в 9–30 миллионов лет, основанных на ископаемых гоминидах, таких как Рамапитек. Эта теория "недавнего происхождения" человека и обезьян оставалась предметом споров до открытия окаменелостей "Люси" в 1974 году, которые были окончательно датированы в 1992 году в пределах 3,22–3,18 миллионов лет. Уилсон и другая аспирантка, Мэри Клэр Кинг, впоследствии сравнили несколько линий генетических доказательств (иммунология, различия в аминокислотной последовательности и электрофорез белков) для определения времени расхождения человека и шимпанзе и показали, что все методы сходятся в том, что эти два вида имеют более 99% сходства. Учитывая значительные различия в организации этих двух видов при отсутствии существенных генетических различий, Кинг и Уилсон предположили, что различия между видами обусловлены не различиями в структурных генах, а регуляцией этих генов, то есть временем и способом сборки почти идентичных продуктов генов в процессе эмбриогенеза и развития. В сочетании с гипотезой "молекулярных часов" это резко контрастировало с общепринятым мнением о том, что большие или меньшие различия в организации обусловлены большим или меньшим количеством генетических расхождений. В начале 1980-х годов Уилсон еще больше поколебал и уточнил традиционное антропологическое мышление своей работой с аспирантами Ребеккой Канн и Марком Стоункингом над так называемой гипотезой "Митохондриальной Евы". В своих усилиях по выявлению информативных генетических маркеров для отслеживания эволюционной истории человека он сосредоточился на митохондриальной ДНК (мтДНК) – генах, находящихся в митохондриях, органеллах в цитоплазме клетки вне ядра. Благодаря своему расположению в цитоплазме мтДНК передается исключительно от матери к ребенку, отец не вносит никакого вклада, и в отсутствие генетической рекомбинации определяет женские линии в эволюционных масштабах времени. Поскольку она также быстро мутирует, можно измерять небольшие генетические различия между особями внутри вида и между близкородственными видами с помощью картирования генов с помощью рестрикционных эндонуклеаз. Уилсон, Канн и Стоункинг измерили различия между многими особями из разных континентальных групп людей и обнаружили, что люди из Африки демонстрируют наибольшие межпопуляционные различия, что согласуется с африканским происхождением человеческого рода (недавнее африканское происхождение современных людей или гипотеза "Из Африки"). Данные также указывали на то, что все живущие люди имеют общего предка по материнской линии, жившего в Африке всего несколько сотен тысяч лет назад. Этот общий предок получил широкую известность в средствах массовой информации и популярной культуре как Митохондриальная Ева. Это имело, к сожалению, ошибочное толкование, что в то время жила только одна женщина, в то время как возникновение общего предка является необходимым следствием теории популяционной генетики, и Митохондриальная Ева была бы лишь одной из многих людей (мужчин и женщин), живших в то время. Его пережили жена, Леона Уилсон (умерла в 2009 году), и двое детей: Рут (1961–2014) из Ист-Лансинга, штат Мичиган, и Дэвид (родился в 1964 году) из Сан-Франциско. Центр закрылся в конце 2015 года, когда правительство прекратило его финансирование. В 2008 году Films Media Group выпустила 41-минутный документальный фильм о его жизни под названием "Аллан Уилсон, Эволюционист: Биохимик, Биолог, Гигант Молекулярной Биологии".

Wilson joined the UC Berkeley faculty of biochemistry in 1964, and was promoted to full professor in 1972. With his student Vincent Sarich, he showed that evolutionary relationships of the human species with other primates, in particular the great apes (humans, chimpanzees, gorillas and orangutans), could be inferred from molecular evidence obtained from living species, rather than solely from fossils of extinct creatures. Their microcomplement fixation method (see complement system) measured the strength of the immune reaction between an antigen (serum albumin) from one species and an antibody raised against the same antigen in another species. The strength of the antibody antigen reaction was known to be stronger between more closely related species: their innovation was to measure it quantitatively among many species pairs as an "immunological distance". When these distances were plotted against the divergence times of species pair with well established evolutionary histories, the data showed that the molecular difference increased linearly with time, in what was termed a "molecular clock". Given this calibration curve, the time of divergence between species pairs with unknown or uncertain fossil histories could be inferred. Most controversially, their data suggested that divergence times between humans, chimpanzees, and gorillas were on the order of 3~5 million years, far less than the estimates of 9~30 million years accepted by conventional paleoanthropologists from fossil hominids such as Ramapithecus. This 'recent origin' theory of human/ape divergence remained controversial until the discovery of the "Lucy" fossils, in 1974, definitively dated in 1992 as between 3.22 and 3.18 million years. Wilson and another PhD student Mary Claire King subsequently compared several lines of genetic evidence (immunology, amino acid differences, and protein electrophoresis) on the divergence of humans and chimpanzees, and showed that all methods agreed that the two species were >99% similar. Given the large organismal differences between the two species in the absence of large genetic differences, King and Wilson proposed that it was not structural gene differences that were responsible for species differences, but gene regulation of those differences, that is, the timing and manner in which near identical gene products are assembled during embryology and development. In combination with the "molecular clock" hypothesis, this contrasted sharply with the accepted view that larger or smaller organismal differences were due to large or smaller amounts of genetic divergence. In the early 1980s, Wilson further disturbed and refined traditional anthropological thinking by his work with PhD students Rebecca Cann and Mark Stoneking on the so called "Mitochondrial Eve" hypothesis. In his efforts to identify informative genetic markers for tracking human evolutionary history, he focused on mitochondrial DNA (mtDNA) – genes that are found in mitochondria organelles in the cytoplasm of the cell outside the nucleus. Because of its location in the cytoplasm, mtDNA is passed exclusively from mother to child, the father making no contribution, and in the absence of genetic recombination defines female lineages over evolutionary timescales. Because it also mutates rapidly, it is possible to measure the small genetic differences among individual within species and between closely related species by restriction endonuclease gene mapping. Wilson, Cann, and Stoneking measured differences among many individuals from different human continental groups, and found that humans from Africa showed the greatest inter individual differences, consistent with an African origin of the human species (the Recent African origin of modern humans or "Out of Africa" hypothesis). The data further indicated that all living humans shared a common maternal ancestor, who lived in Africa only a few hundreds of thousands of years ago. This common ancestor became widely known in the media and popular culture as the Mitochondrial Eve. This had the unfortunate and erroneous implication that only a single female lived at that time, when in fact the occurrence of a coalescent ancestor is a necessary consequence of population genetic theory, and the Mitochondrial Eve would have been only one of many humans (male and female) alive at that time. He was survived by his wife, Leona Wilson (died in 2009), and two children, Ruth (1961 2014), of East Lansing, Michigan, and David (born 1964), of San Francisco. The Centre closed at the end of 2015 when the Government stopped funding it. A 41 minute documentary film of his life entitled Allan Wilson, Evolutionary: Biochemist, Biologist, Giant of Molecular Biology was released by Films Media Group in 2008.