Обобщив результаты генотипирования сотен тысяч людей европейского происхождения, большая международная команда генетиков и биоинформатиков выявила 74 участка генома, вариации в которых достоверно коррелируют с уровнем полученного человеком образования (который традиционно измеряется числом лет учебы). Значительная часть идентифицированных генов активно работает в мозге, особенно во время внутриутробного развития; мутации многих из них влияют на когнитивные способности. Называть эти гены «генами образования» некорректно, поскольку их связь с уровнем образования, как правило, слабая и непрямая. Тем не менее, исследование подтвердило, что применение современных аналитических методов к очень большим выборкам людей позволяет обнаружить достоверное влияние конкретных генов даже на такие признаки, которые в основном определяются средой и традиционно считаются не врожденными.
На первый взгляд может показаться, что такой признак, как уровень образования (educational attainment), традиционно измеряемый числом лет, потраченных человеком на учебу, является типичным примером ненаследственного признака, определяемого исключительно средовыми факторами (такими как материальная обеспеченность семьи, уровень развития системы образования в стране и т. д.). Но это впечатление обманчиво. Даже из общих соображений ясно, что на уровень образования вполне могут влиять также и признаки, во многом зависящие от генов. Такие, например, как когнитивные способности или открытость новому опыту (см.: Openness to experience).
Еще в 1980-е годы анализ больших выборок близнецов и их родителей показал, что уровень образования имеет высокую наследуемость. Вариабельность по этому признаку как минимум на 20% определяется генетическими различиями между людьми, а для некоторых выборок были даже получены значения наследуемости порядка 70% (A. C. Heath et al., 1985. Education policy and the heritability of educational attainment).
...В итоге удалось выявить 74 полиморфных локуса, каждый из которых с большой вероятностью действительно влияет, пусть и косвенно, на продолжительность обучения. Вклад популяционной стратификации в обнаруженные генетические эффекты, судя по результатам анализа неравновесного сцепления, не превышает 8%. Три локуса, идентифицированные в предыдущем исследовании, были повторно выявлены в новом.
Как и следовало ожидать, все эти гены влияют на уровень образования довольно слабо. Эффект каждого гена по отдельности соответствует трем — девяти неделям учебы и объясняет от 0,01 до 0,035% вариабельности по признаку «продолжительность обучения». При этом суммарный эффект всех 74 генов меньше суммы их индивидуальных эффектов.
В распоряжении авторов имелись сведения не только по продолжительности обучения протестированных индивидов, но и по ряду других фенотипических признаков. Это позволило оценить генетические корреляции (Genetic correlation), то есть то, в какой мере гены, влияющие на уровень образования, влияют также и на другие признаки (рис. 2).
Рис. 2. Генетические корреляции между продолжительностью учебы (EduYears) и другими признаками: размерами отдельных подкорковых структур и мозга в целом (Brain volume), нейропсихиатрическими заболеваниями (Neuropsychiatric), умственными способностями (Cognitive performance), невротизмом (Neuroticism), индексом массы тела (BMI) и ростом (Height). Рисунок показывает, что аллели, повышающие вероятность того, что индивид получит хорошее образование, также ассоциируются с повышенным интеллектом, большим объемом мозга, пониженной вероятностью болезни Альцгеймера и эмоциональной устойчивостью (низким невротизмом).
Получилось, что генетические варианты, способствующие долгой учебе, коррелируют также с хорошими умственными способностями (cognitive performance), большим объемом мозга (черепной коробки) и почему-то с повышенным риском биполярного расстройства. Найдены также крайне слабые, но все же достоверные положительные корреляции с риском шизофрении и ростом. Достоверные отрицательные корреляции выявлены для невротизма, риска болезни Альцгеймера, а также, судя по рисунку 2, для массы тела (хотя об этом в тексте напрямую не говорится). На размеры подкорковых структур рассматриваемые 74 гена не влияют. Эти результаты имеют предварительный характер и нуждаются в дополнительной проверке.
Функциональный спектр 74 генов оказался весьма характерным. Среди них резко повышена доля генов, участвующих в развитии и работе мозга. Мутации в них часто ведут к умственной отсталости, уменьшению объема мозга, повышают риск болезни Альцгеймера и других нарушений (типичный пример — ген TBR1). Одни из них экспрессируются в развивающемся мозге у эмбрионов, регулируя деление клеток — предшественников нейронов, миграцию молодых нейронов и рост неокортекса, другие играют роль в синаптической пластичности (в том числе в образовании дендритных шипиков и новых синапсов) в течение всей жизни. Из 37 тканей взрослого организма, учитываемых в базе данных The Genotype-Tissue Expression Project (GTEx), 13 являются компонентами центральной нервной системы, и во всех этих тканях — и только в них! — уровень экспрессии 74 генов, связанных с длительностью учебы, достоверно повышен. При этом в эмбриональном мозге он в 1,36 раз выше, чем во взрослом.
Эти результаты выглядят логично: вполне можно допустить, что индивиды с хорошо развитым мозгом будут, при прочих равных, проявлять больше склонности к учебе.
Авторы подчеркивают, что называть выявленные ими гены «генами образования» некорректно по нескольким причинам. Во-первых, уровень образования определяется средовыми факторами в большей степени, чем генетическими (это справедливо для большинства психологических и поведенческих признаков человека). Во-вторых, влияние отдельных генов на рассматриваемый признак невелико. Это, впрочем, тоже общее место в генетике поведения. В-третьих, аллельные варианты генов могут влиять на признак «продолжительность обучения» не непосредственно, а через ряд промежуточных фенотипов. Конечно, это тоже справедливо для большинства связей между генами и поведенческими признаками у приматов. Чтобы проиллюстрировать последнее соображение, авторы рассчитали на основе данных по двум из изученных ими когорт, что выявленная связь между генами и продолжительностью учебы может на 23–42% объясняться влиянием этих генов на умственные способности, а еще 7% корреляции можно списать на влияние этих же генов на личностную характеристику «открытость новому опыту».
В современных человеческих популяциях уровень полученного образования обладает высокой наследуемостью, то есть сильно зависит от генов. Выявлены десятки аллелей, влияющих на этот признак. При этом образование, как правило, отрицательно коррелирует с дарвиновской приспособленностью: образованные люди хуже размножаются. Это указывает на возможный отбор против «генов образования». Новое исследование, основанное на данных по 110 000 исландцев, родившихся между 1910 и 1975 годами, показало, что «гены образования» действительно подвергаются отрицательному отбору. Эти аллели, многие из которых коррелируют также с повышенным интеллектом, крепким здоровьем и долгой жизнью, снижают приспособленность независимо от того, реализовал ли человек обусловленную ими склонность к получению хорошего образования. Исследование подтвердило опасения о том, что эволюция современного человечества направлена в сторону ухудшения генетического базиса признаков, связанных с интеллектом.
Исследования в этой области продвигались медленно, в том числе по причинам, не имеющим отношения к науке. Тем не менее к настоящему времени накопилось немало данных, косвенно подтверждающих, что генетический базис признаков, связанных с физическим и умственным здоровьем, постепенно размывается и деградирует, особенно у жителей развитых стран. Генетики обсуждают два основных механизма такой деградации (см.: M. A. Woodley of Menie, 2015. How fragile is our intellect? Estimating losses in general intelligence due to both selection and mutation accumulation).
Первый механизм — ослабление очищающего отбора против мутаций, нарушающих работу тех или иных органов и систем организма, в том числе иммунной системы и мозга. Раньше такие мутации снижали приспособленность (их носители оставляли в среднем меньше потомства) и поэтому вычищались отбором. Однако развитие медицины, социального обеспечения и других благ цивилизации сделало эти мутации менее вредными в эволюционном смысле. Или даже вовсе безвредными (нейтральными). Поэтому они стали свободно накапливаться в генофонде. Развитие и работа коры головного мозга зависят от слаженной работы огромного количества генов, что делает наши когнитивные способности особенно уязвимыми для мутационной деградации (G. R. Crabtree, 2013. Our fragile intellect).
Второй механизм — отрицательный отбор по признакам, помогающим (или помогавшим в прошлом) добиваться успеха в жизни. Раньше такие признаки повышали дарвиновскую приспособленность, а в современном обществе, возможно, стали ее снижать — например, в силу того, что талантливые, образованные и экономически успешные люди стали откладывать рождение детей «на потом». Так, есть данные, согласно которым в США и других странах люди с высокими показателями интеллекта оставляют меньше потомства (R. Lynn, 1999. New evidence for dysgenic fertility for intelligence in the United States). Есть также основания предполагать, что в развитых странах после промышленной революции направленность отбора по признакам, связанным с социальным и экономическим успехом, сменилась на противоположную. Скажем, если раньше умелый сапожник и сметливый торговец оставляли больше потомства, чем их криворукие и бестолковые конкуренты, то начиная с XIX века всё стало наоборот (V. Skirbekk, 2008. Fertility trends by social status).
Различия между людьми по уровню образования как минимум на 30–40% объясняются генами (остальные 60–70% — результат различающихся условий среды и онтогенетического шума, см.: Developmental noise).
Оказалось, что гены, способствующие высокому уровню образования, достоверно снижают репродуктивный успех у обоих полов. Кроме того, они способствуют сдвигу начала репродукции на более поздний возраст.
Если рассчитать влияние POLYEDU на приспособленность с поправкой на EA, это влияние лишь слегка уменьшается, оставаясь высоко достоверным. Например, если взять только женщин, получивших 10-летнее образование (это обязательный минимум в Исландии), то внутри этой выборки мы увидим, что женщины с высоким POLYEDU родили меньше детей, чем женщины с низким POLYEDU, — несмотря на то, что уровень образования у всех одинаковый. Таким образом, гены, повышающие склонность к получению образования, снижают приспособленность независимо от того, реализовал человек эту склонность или нет. То же самое получается, если рассчитать влияние EA на приспособленность с поправкой на POLYEDU: образование снижает приспособленность независимо от того, насколько выражена у человека генетическая предрасположенность к образованию.
У мужчин негативное влияние POLYEDU на приспособленность тоже нельзя объяснить влиянием POLYEDU на образование. Более того, оказалось, что образование само по себе не снижает, а даже немного увеличивает репродуктивный успех мужчин! Каждый лишний год образования прибавляет исландскому мужчине в среднем по 0,011 ребенка. Таким образом, генетическая склонность к образованию снижает приспособленность мужчин вопреки тому, что образование само по себе повышает репродуктивный успех.
Из этого напрямую следует, что «гены образования», помимо своего влияния на EA, имеют и другие фенотипические эффекты, негативно сказывающиеся на приспособленности. Что же это за эффекты?
Авторы обнаружили, что POLYEDU положительно коррелирует с продолжительностью жизни, а также с целым рядом параметров, связанных с физическим здоровьем. В частности, люди с высоким POLYEDU имеют пониженный уровень триглицеридов в крови, реже страдают ожирением и меньше курят. Кроме того, POLYEDU положительно коррелирует с показателями интеллекта, такими как способность решать задачки из тестов на IQ.
Анализ выборки, включающей почти 300 тысяч неродственных друг другу жителей Великобритании с известными генотипами, позволил выявить 150 участков генома (локусов), нуклеотидные вариации в которых достоверно коррелируют с уровнем дохода. Оказалось, что «гены богатства» — это по большей части те же самые гены, для которых ранее была показана связь с интеллектом и уровнем образования. Многие из них вовлечены в работу мозга, преимущественно экспрессируются в определенных отделах мозга (лобная кора, передняя поясная кора, прилежащее ядро, мозжечок) и влияют на работу ГАМК-эргических и серотониновых нейронов. Результаты показывают, что социоэкономическое неравенство в современной Великобритании имеет в том числе и генетические корни. Люди с высокой генетической предрасположенностью к богатству позже начинают обзаводиться детьми и оставляют в среднем меньше потомков, что указывает на отрицательный отбор по «генам богатства».
Считается, что люди с высоким SEP в среднем дольше живут и меньше болеют в основном благодаря лучшему доступу к дорогостоящим ресурсам, улучшенным возможностям и мотивациям для ведения здорового образа жизни и т. п., то есть предполагается, что SEP напрямую влияет на показатели здоровья. С другой стороны, быстро накапливаются данные, указывающие на возможные генетические корреляции (см. Genetic correlation) между SEP и здоровьем (см.: W. D. Hill et al., 2016. Molecular Genetic Contributions to Social Deprivation and Household Income in UK Biobank). Иными словами, некоторые генетические варианты (аллели) могут одновременно влиять и на шансы достичь высокого социоэкономического статуса, и на риск тех или иных заболеваний.
Это выглядит логичным: например, легко себе представить, что некие аллели, влияющие на пищевое поведение или склонность к формированию зависимостей, будут одновременно и повышать вероятность нездорового образа жизни, и снижать шансы индивида добиться высокого SEP. Такое многоплановое действие одних и тех же генов на разные признаки называют плейотропией.
Прежние исследования показали наличие генетических корреляций между разными компонентами SEP, такими как уровень образования (см.: Уровень полученного образования отчасти зависит от генов, «Элементы», 16.05.2016), дохода и социальной депривации, и показателями умственного и физического здоровья, включая интеллект и продолжительность жизни (W. D. Hill et al., 2019. A combined analysis of genetically correlated traits identifies 187 loci and a role for neurogenesis and myelination in intelligence).
В итоге были идентифицированы 24 гена, связь которых с доходом подтверждается сразу несколькими независимыми подходами и, таким образом, является наиболее обоснованной. Характерно, что для 18 из этих 24 генов ранее была показана (тоже при помощи GWAS) связь с интеллектом.
Применение большого арсенала статистических методов позволило выявить ряд дополнительных интересных фактов. Оказалось, что чем сильнее статистическая связь гена с уровнем дохода, тем выше вероятность, что этот ген экспрессируется преимущественно в мозге (особенно в мозжечке, лобной коре, передней поясной коре и прилежащем ядре), а также почему-то в семенниках.
Еще одна заслуживающая упоминания статистическая закономерность состоит в том, что участки генома, содержащие снипы, ассоциированные с доходом, характеризуются повышенной консервативностью: у предков британцев на них действовал очищающий отбор, выбраковывавший большинство возникавших здесь мутаций. Это говорит о важной функциональной роли этих участков и согласуется с идеей о том, что они важны для нормальной работы мозга.
Авторы также провели для признака «доход» поиск генетических корреляций, то есть посмотрели, с какими еще фенотипическими признаками коррелируют генетические варианты, ассоциированные с доходом. Выяснилось, что «гены богатства» ассоциированы со многими показателями физического и умственного здоровья (рис. 4).
Рисунок 4 также показывает, что люди, у которых много «генов богатства», имеют в среднем более крупные головы, выше ростом, чуть больше спят и чаще бывают совами (а не жаворонками) по сравнению с людьми, у которых генетическая предрасположенность к высокому доходу выражена слабее.
С эволюционной точки зрения из показанных на рисунке 4 признаков самые интересные — это «число детей» и «возраст при рождении первого ребенка». Эти признаки напрямую связаны с дарвиновской приспособленностью. Поскольку в развитых странах ранняя смертность близка к нулю, приспособленность почти полностью определяется количеством детей (их «качество» сегодня почти не имеет значения: до зрелости доживают практически все дети, и все получают возможность создать собственную семью). Характер генетической корреляции этих двух признаков с доходом недвусмысленно указывает на отрицательный отбор по «генам богатства» у современных британцев. Люди с высокой генетической предрасположенностью к богатству в среднем позже начинают заводить детей и оставляют меньше потомков по сравнению с людьми, генетически не склонными к высоким доходам. Это значит, что «гены богатства», скорее всего, постепенно выбраковываются отбором из генофонда жителей развитых стран — точно так же, как и «гены образования» (см.: Гены, способствующие получению хорошего образования, отсеиваются отбором, «Элементы», 24.01.2017). Любопытно, что авторы вообще не обсуждают этот нюанс, предоставляя читателям самим его заметить (или не заметить) при разглядывании приведенного в статье рисунка.
Еще в 1980-е годы анализ больших выборок близнецов и их родителей показал, что уровень образования имеет высокую наследуемость.
Якобы один генетик решил выяснить, какие гены влияют на склонность есть палочками. Он попросил своих студентов сообщить, как часто они пользуются палочками во время еды. Затем он генотипировал их и провел поиск ассоциаций. Обнаружился локус, строго коррелирующий с использованием палочек. Генетик тут же опубликовал статью, в которой сообщил об открытии гена «successful-use-of-selected-hand-instruments gene» (сокращенно SUSHI). Спустя пару лет выяснилось, что SUSHI на самом деле представляет собой один из генов комплекса гистосовместимости, один из вариантов (аллелей) которого намного чаще встречается у азиатов, чем у европейцев. Разумеется, этот ген не имеет ни малейшего отношения к использованию палочек. Однако, поскольку в азиатской культуре данное поведение распространено шире, чем в европейской, GWAS показал сильную и достоверную ассоциацию, не имеющую биологического смысла (D. Hamer, L. Sirota, 2000. Beware the chopsticks gene).