• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
2883
Раздел: Биология
В поисках утраченных геномов: от неандертальца – к денисовцу

В поисках утраченных геномов: от неандертальца – к денисовцу

«В один прекрасный день мы сможем понять, что отличало новых людей от их архаичных современников, и почему среди всех приматов именно современные люди распространились по всем уголкам земного шара и трансформировали – как случайно, так и намеренно – окружающую среду в масштабе планеты. Я убежден в том, что частично ответы на этот вопрос, – возможно, самый главный в истории человечества, – спрятаны в древних геномах, которые мы секвенировали» (S. Pääbo 2014)

Геном человека, заключенный в хромосомах наших клеток, состоит примерно из 3,2 млрд нуклеотидов. При формировании зародышевой клетки в ДНК происходят мутации, благодаря которым в геноме каждой новой особи появляются от 50 до 200 нуклеотидных замещений, а их накопление приводит к тому, что двойная последовательность ДНК в клетках разных человеческих индивиду­умов сегодня отличается примерно на один нуклеотид из тысячи. Для сравнения: геномы человека и нашего ближайшего «родственника» – шимпанзе, различаются на один нуклеотид из каждой сотни.

Место каждого нуклеотида в геноме имеет свою историю, которую в принципе можно про­следить в череде поколений. Ее можно представить в виде родословного древа, на котором указаны общие предки для индивидуумов, имеющих одинаковые нуклеотиды в определенном участке геномной последовательности. Однако в действительности проследить реальную историю одного нуклеотида невозможно, и такое дерево обычно показывает усредненную картину того, как связаны большинство нуклеотидных участков в сегменте или целом геноме.

Еще до недавнего времени мы могли определять нуклеотидную геномную последовательность лишь для современных людей, чью ДНК можно выделить в хорошем состоянии из свежих тканей, например, крови. Это было настоящим разочарованием для ученых-эволюционистов, так как позволяло исследовать прошлое лишь непрямым путем, разрабатывая модели накопления мутаций и на их основе оценивая, как могли бы выглядеть общие предки.

Поэтому в течение последних 30 лет исследователи, в том числе из нашей лаборатории, разрабатывают методы преодоления этой временной ловушки путем выделения и идентификации последовательностей ДНК из археологиче­ских и палеонтологических остатков. И хотя хорошо сохранившиеся ткани древних существ находят очень редко, а прямых предков существующих сегодня организмов практически не обнаружено, этот подход дает нам возможность определять последовательности ДНК исчезнувших популяций и вымерших видов.

От митохондриальной ДНК – к ядерной

Особый интерес, безусловно, представляют ближайшие род­ственники всех современных людей – неандертальцы. Эта примитивная форма гоминин, появившаяся в Европе и западной части Азии примерно 300—400 тыс. лет назад, около 30—40 тыс. лет назад исчезла.

Споры о родстве между неандертальцами и людьми современного типа, о характере их взаимоотношений длились десятилетиями. Согласно одному из предположений, современные люди просто вытеснили неандертальцев, а вклад последних в генетическое разнообразие живущих ныне людей равняется нулю. Другие исследователи считали, что неандертальцы были непосредственными предками европейцев, и их генетический вклад в геном современных народов Европы должен приближаться к 100 %. Помимо этих крайних точек зрения существовало много других, на основании археологических и палеонтологических данных рассматривающих разную степень участия неандертальцев в формировании современных европейцев.

Случай проверить эти гипотезы впервые представился в середине 1990-х гг., когда нам выпала возможность провести анализ костей неандертальца, обнаруженных в долине р. Неандерталь (Германия) в 1856 г. К тому времени мы уже имели десятилетний опыт развития техники выделения и расшифровки небольших количеств ДНК из древних остатков пещерных медведей, мамонтов и других позднеплейстоценовых животных (Pääbo, 2014).

Мы работали с так называемой митохондриальной ДНК (мтДНК), наследственным материалом, содержащимся не в хромосомах, а в митохондриях – клеточных органеллах, отвечающих за выработку энергии. В каждой клетке содержатся сотни и даже тысячи копий мтДНК, что делает ее выделение более легким, чем ДНК ядерного генома. Кроме того, митохондриальная ДНК, в отличие от ядерной, наследуется от матери к ее потомству без каких-либо рекомбинаций и изменений. Следовательно, филогенетическое дерево, построенное на ее основе, отражает не «усредненную» историю, но прямое наследование по материнской линии.

Расшифровав наиболее изменчивую часть мтДНК, мы оценили полученные филогенетические деревья для воссоздания «истории» митохондриальной ДНК неандертальца и современных людей. Полученные результаты, с одной стороны, подтвердили уже известные факты, что мтДНК всех ныне живущих людей «сходится» к одному общему предку, жившему примерно 100—200 тыс. лет назад. С другой стороны, оказалось, что линия мтДНК неандертальца тянется от гораздо более удаленной точки в прошлом, и в этом смысле общий предок неандертальца и современного человека жил около полумиллиона лет назад (Krings et al., 1997). После этого в нашей и других исследовательских лабораториях были выделены и секвенированы последовательности мтДНК других неандертальцев, и ни один из этих образцов не попал в область вариаций мтДНК ныне живущих людей. Таким образом, в 1997 г. было выяснено, что ни один современный человек не несет мтДНК, полученную в «наследство» от неандертальца.

Многометровая толща отложений в Денисовой пещере хранит следы жизнедеятельности человека от эпохи среднего палеолита до средневековья

Однако мтДНК все же представляет собой лишь малую часть нашего генома, и полную картину нашей геномной истории можно получить только при исследовании ядерного генома. Возможности выделения полного генома из останков древних организмов появились только в начале нашего тысячелетия благодаря новым технологиям, позволяющим достаточно быстро и дешево выделять и расшифровывать нуклеотидные последовательности миллионов молекул ДНК. Что касается нашей лаборатории, то нам повезло получить от Общества научных исследований им. Макса Планка финансирование на пять лет работ по совершенствованию техники выделения ДНК из древних костных останков и создания генетических библиотек, применяемых при высокопроизводительном секвенировании ДНК.

Проанализировав множество костных человеческих останков из археологических памятников Европы, нам удалось обнаружить кости с относительно высоким содержанием ДНК неандертальцев. Из трех образцов от разных особей, обнаруженных в Хорватии, было выделено более 1 млрд коротких фрагментов последовательностей ДНК. Затем были разработаны компьютерные алгоритмы, позволяющие сравнивать и «подставлять» эти короткие фрагменты к геному современного человека с учетом искажений, появившихся в течение десятков тысяч лет в результате действия различных химических процессов. И хотя оказалось, что из всех полученных фрагментов лишь малая часть принадлежит самим неандертальцам, тем не менее в 2010 г. мы смогли идентифицировать среди последних примерно 3 млрд нуклеотидов, которым нашлось место и в геноме современного человека. Вся вместе эта ДНК покрывала более половины той части генома неандертальца, которую удалось воссоздать по полученным коротким фрагментам (Green et al., 2010).

Этих результатов оказалось достаточно, чтобы задаться вопросом, какие же генетические последствия могли иметь встречи людей современного вида и неандертальцев?

Наш предок неандерталец

 Если неандертальцы не сделали никакого генетического вклада в генофонд современных людей, геном неандертальца должен быть одинаково далек от африканцев, европейцев и людей любых других современных человеческих популяций. Если же ныне живущие европейцы несут ДНК, унаследованную от неандертальцев, то европейский геном будет меньше отличатся от неандертальского, чем африканский, так как неандертальцы никогда не жили в Африке.

 Для проверки этой гипотезы мы секвенировали геномы пяти современных человек и определили участки, в которых каждая пара геномов отличалась друг от друга. Затем было выяснено, как часто в соответствующих позициях неандертальский геном несет мутацию, характерную для пары геномов наших современников. Такой «парный» подход подсчета соответствий древних и современных геномов был связан с низким качеством расшифровки неандертальской ДНК, из-за чего мы не использовали мутации, которые не встречались в современном геноме.

Анализ показал, что ядерный геном неандертальца статистически значительно ближе к европейскому, чем к африканскому. Еще более удивительным оказался тот факт, что большее сходство с неандертальским показали и другие «неафриканские» геномы – из Китая и Новой Гвинеи. При том что неандертальцы, скорее всего, никогда не жили в Китае, не говоря уже о Новой Гвинее. Как же это могло случиться?

Предложенное нами объяснение, впоследствии подтвержденное работами нашей и других исследовательских групп, состояло в том, что смешение неандертальцев и людей современного физического типа произошло где-то на Среднем (Ближнем) Востоке. Эти люди и стали предками всех людей, живущих ныне за пределами Африки, и вместе с ними гены неандертальцев попали в те географические регионы, где последние никогда не бывали.

В результате сегодня любой человек, имеющий неафриканских предков, несет в своем геноме 1–2 % генов неандертальского происхождения. Можно определить даже возраст этого компонента, так как благодаря обычной рекомбинации генов в каждом последующем поколении фрагменты ДНК неандертальского происхождения делились на более мелкие части (Sankararaman et al., 2012). Это подтверждено результатами исследования генома из ископаемых останков человека современного вида, жившего примерно 40 тыс. лет назад, в геноме которого обнаружили гораздо более крупные фрагменты неандертальской ДНК, чем в геноме ныне живущих людей (Fu et al., 2014).

На самом деле смешение неандертальцев и современных людей, очевидно, произошло в рамках не только одной популяции и не только на Среднем (Ближнем) Востоке. Однако в 2010 г. это было наиболее простым объяснением полученных данных; более глубокому пониманию во многом препятствовало уже упомянутое низкое качество неандертальской ДНК. Но все изменилось с началом нашего сотрудничества с российскими археологами из Института археологии и этно­графии СО РАН (Новосибирск), положившим начало многим новым фундаментальным и оригинальным исследованиям эволюции человека.

Родом из Сибири

Одной из наиболее важных находок, сделанной во время раскопок на Денисовой пещере на Горном Алтае под руководством академика РАН А. П. Деревянко и д. и. н. М. В. Шунькова, была кость пальца ноги гоминина, найденная в 2010 г. В этом случае для выделения ДНК и создания генных библиотек была применена разработанная в нашей лаборатории новая суперчувствительная методика, благодаря которой из мелкой косточки удалось получить почти в 50 раз больше ДНК, чем из трех более крупных костей, с которыми мы работали при анализе первого неандертальского генома. Эта особь также оказалась неандертальцем, а его геном был секвенирован на порядок лучше, чем большинство расшифрованных геномов живущих ныне людей (Prüfer et al., 2014).

Денисова пещера около 300 тыс. лет надежно хранит древнюю историю Алтая

Имея такую высококачественную геномную информацию, можно уже выявить различия между двумя генными «наборами», которые особь получила от своих родителей, и таким образом оценить степень их родства и вообще оценить уровень генной изменчивости в популяции, к которой они принадлежали. И в этом смысле неандерталец из Денисовой пещеры показал неожиданный результат: оказалось, что геномы его отца и матери содержали длинные идентичные фрагменты, т. е. они были близкими родственниками, возможно, двоюродными братом и сестрой (полусибсами). Если в будущем удастся получить неандертальские геномы такого же высокого качества, можно будет проверить, насколько типичной была подобная ситуация для неандертальцев.

Этот неандертальский геном из Денисовой пещеры был также использован для оценки той части наследственности у ныне живущих людей, которая была унаследована от неандертальцев. Полученные результаты подтверждают, что все люди за пределами африканской Сахары несут 1–2 % ДНК неандертальца. Эта часть в Восточной Азии несколько выше, чем в Европе, что предполагает вторичное скрещивание между неандертальцами и современными людьми в процессе колонизации Азии (Vernot, Akey, 2015).

Рассчитать, когда это произошло, несложно. Вспомним, что все мы получили от каждого родителя по половине своей ДНК, по четверти – от каждого дедушки и каждой бабушки, примерно по 12 % – от каждого из прародителей и так далее. Расчеты показывают, что от каждого нашего предка шесть поколений назад мы получили по 1,5 % своего генома. То есть именно то количество ДНК, которое мы унаследовали от неандертальца. Это может означать, что неандерталец был нашим предком всего шесть (!) поколений назад. Однако из-за рекомбинации («перетасовки») генов, которая происходит при формировании зародышевой клетки, неандертальская ДНК распределена в гораздо более мелких фрагментах по сравнению с фрагментами ДНК, полученными от наших прямых предков в шестом колене. Всего же, по очень приблизительной оценке, среди наших современников «рассредоточено» примерно 40 % полного генома неандертальца.

Студенты исследуют пещерный грунт на стационаре «Денисова пещера» под руководством профессора А. К. Агаджаняна (Палеонтологический институт РАН, г. Москва)

Однако высококачественный геном неандертальца – это не един­ственный дар, который Денисова пещера принесла человечеству. В 2008 г. в восточной галерее пещеры была обнаружена небольшая часть фаланги мизинца ребенка. Мы рады, что нам выпала честь работать с этой находкой. Сначала нам удалось получить геном низкого качества (Reich et al., 2010), а позже, с усовершенствованием технологии, – геном высокого качества, где каждая позиция была перекрыта более 30 раз подстановками коротких фрагментов ДНК (Meyer et al., 2012).

Сравнение этого генома с другими известными геномами поразило: оказалось, что он не принадлежал ни человеку современного вида, ни неандертальцу. Да, эта человеческая особь имела общего предка с неандертальцем, но эта предковая популяция была в четыре раза старше, чем старейшая известная предковая популяция для живущих ныне людей! После обсуждения с академиком А. П. Деревянко и коллегами эту новую группу гоминин было решено назвать денисовцами. Денисовец стал первым гоминином, описанным на основании геномной последовательности, а не морфологических характеристик, как обычно. И хотя останки денисовцев вне Денисовой пещеры пока не найдены, мы можем узнать их историю, как и истории других групп, по их геномам.

Компьютерная томография фаланги пальца палеолитического человека из Денисовой пещеры: проксимальная, дорсальная и латеральная проекции соответственно

Так, оказалось, что жители тихоокеанского бассейна (например, австралийские аборигены и жители Папуа) имеют в своем геноме около 5 % денисовских генов, что дает основания считать, что у предков этих людей и денисовцев было общее потомство (Reich et al., 2011). Кроме того, примерно 0,2 % своего генома унаследовали от денисовца и люди, сейчас населяющие материковую часть Азии (Skoglund, Jakobsson, 2011; Prüfer et al., 2014).

Сравнивая два высококачественных генома из Денисовой пещеры – неандертальца и денисовца, можно проследить случаи обмена генами между этими двумя группами, а также другие случаи притока генов, которые по-разному повлияли на представителей этих гоминин. Сейчас мы можем выделить по крайней мере два таких дополнительных случая притока генов к денисовцам: от восточных неандертальцев и от неизвестного гоминина, который отделился от общего генетического древа около миллиона лет назад (Prüfer et al., 2014). Исследования последних лет также показали, что ранние представители людей современного анатомического вида скрещивались с неандертальцами при своем появлении в Европе (Fu et al., in press).

Гены в наследство

На основе всех этих палеогенетических данных вырисовывается довольно сложная картина. Во-первых, в эволюционной истории человечества имели место неоднократные случаи обмена генами между представителями разных групп гоминин. Во-вторых, хотя подобный обмен зачастую был ограничен, в позднем плейстоцене генофонд большинства (а скорее всего, всех групп) гоминин представлял открытую систему, что позволяло генетическим вариациям передаваться от одной группы к другой. Имели ли эти генетические вариации функциональное значение? Насчет этого мы пока знаем немного, однако ниже я приведу несколько показательных примеров из исследований, проведенных различными научными группами за последние годы.

Сванте Паабо в Центре коллективного пользования «Геохронология кайнозоя», созданном в ИАиЭТ СО РАН при участии Института ядерной физики и Института геологии и минералогии СО РАН

Чтобы понять, какую функциональную роль играют в современном человеческом геноме неандертальские генетические варианты, нужно знать, какие гены несут эти вариации наиболее часто. Сам факт, что они так часто встречаются сегодня, свидетельствует в пользу их «полезности». К генам, у которых неандертальские варианты встречаются со статистически высокой частотой, относятся, к примеру, гены кератинов – структурных протеинов кожи и волос (Vernot, Akey, 2014; Sankararaman et al., 2014). Вполне возможно, что скоро мы узнаем о каких-то особенностях морфологии или функции кожи и волос у наших современников из Европы или Азии, которые были унаследованы ими от неандертальцев.

На сегодня известны неандертальские варианты и генов, отвечающих за те или иные аспекты метаболизма. Например, европейцы статистически несут больше неандертальских вариаций генов, участвующих в катаболизме, чем азиаты (Khrameeva et al., 2014). Пока неизвестно, как конкретно работают эти генетические варианты, но, я надеюсь, скоро мы это узнаем.

 Еще один интересный факт: унаследованный от неандертальцев вариант гена, кодирующего белок, ответ­ственный за транспортировку липидов сквозь клеточную мембрану, встречается в 35 % случаев в Восточной Азии и у американских индейцев. Этот вариант, кстати, связан с повышенным риском развития диабета 2-го типа (SIGMA Consortium, 2014). Может показаться странным, что неандертальский вариант гена, повышающий риск заболевания, встречается с такой повышенной частотой в определенной популяции. Вероятно, эта вариация, вызывающая диабет у современных людей с обильным питанием, могла давать преимущество в ситуации хронической нехватки еды. Эта адаптация неандертальцев к голоду оказалась «востребована» и у людей современного вида.

На схеме, показывающей генетические контакты между некоторыми архаичными и современными группами людей, человек современного вида представлен африканской (Afr), европейской (Eur), азиатской (Asia) и меланезийской (Mel) популяциями. Неандерталец представлен неизвестной популяцией (Х), которая внесла свой генетический вклад в неафриканское население, а также неандертальским геномом с русской части Кавказа (Mez), Хорватии (Vin) и Денисовой пещеры (Alt). Денисовцы представлены неизвестной популяцией (S), внесшей вклад в геном людей Тихоокеанского региона и популяцией Горного Алтая (N). Еще один «неизвестный человек» представлен видом гоминид, который отделился от общего ствола в период между 1 и 4 млн лет назад и внес свой вклад в геном денисовца. Для всех случаев генетического обмена, известных на сегодня, указаны примерные доли привнесенных частей генома. По: (Prüfer et al., 2014)

Недавние исследования показали, что наряду с неандертальцами и денисовцы внесли свой функциональный вклад в генофонд современного человечества. Так, люди, живущие в высокогорном Тибете, генетически адаптированы к низкому содержанию кислорода в воздухе. Основной вариант соответствующего гена, отвечающего за количество красных кровяных телец, встречается у 80 % населения Тибета и очень редко в других районах Азии. И этот ген, вероятно, является «наследством» от денисовца, благодаря которому жизнь на Тибете стала возможной (Huerta-Sánchez et al., 2014). Есть также указания, что и варианты генов, ответственных за работу иммунной системы, защищающей нас от инфекционных болезней, мы получили от денисовцев и неандертальцев (Abi-Rached et al., 2011).

Итак, согласно последним данным палеогенетики, денисовцы, неандертальцы и, возможно, другие архаичные группы, населявшие Евразию в течение сотен тысяч лет, неоднократно встречались и скрещивались с людьми современного типа. Это дало современным людям возможность получить от этих архаичных популяций варианты генов, хорошо приспособленных к местным природным условиям. Подобное явление, называемое у других видов организмов адаптивной интрогрессией (Hedrick, 2013), могло стать важным фактором, способ­ствующим колонизации новых природных ниш людьми современного вида (Racimo et al., in press).

Тот факт, что гены передавались не только от денисовцев и неандертальцев к людям современного вида, но и между разными группами гоминин, говорит о том, что все они не были закрытыми генетическими системами. Это была «метапопуляция», т. е. сеть популяций, включающая неандертальцев, денисовцев, людей современного вида и другие группы, которые участвовали в нерегулярном, а иногда и в постоянном обмене генами (Pääbo, in press). В такой метапопуляции варианты генов могли перераспределяться либо непосредственно от одной группы к другой, либо опосредованно через группы, контактировавшие между собой.

Все эти результаты поддерживают мысль, высказанную академиком Деревянко еще в 2005 г.: «Дорогие коллеги, не обижайте неандертальцев, пожалуйста. Они были среди наших предков!» (Derevianko, 2005). Анализ геномов из Денисовой пещеры свидетельствует, что такое уважительное отношение к нашим возможным предкам не только является правильным, но и должно быть распространено на денисовцев, а возможно, и на других древнейших представителей подсемейства, в которое входит и современный человек.

Литература

Abi-Rached L. et al. The Shaping of Modern Human Immune Systems by Multiregional Admixture with Archaic Humans // Science. 2011. Vol. 334, N 6052. P. 89–94.

Green R. E. et al. A Draft Sequence Neanderthal Genome // Science. 2010. Vol. 328. P. 710–722.

Derevianko, A. P. The Middle to Upper Paleolithic Transition in Eurasia: Hypotheses and Facts. Novosibirsk: Izdat. IAET SB RAS, 2005. P. 5–19.

Fu Q. et al. Genome sequence of a 45,000–year-old modern human from western Siberia // Nature. 2014. Vol. 514. P. 445–449.

Hedrick P.W. Adaptive introgression in animals: examples and comparison to new mutation and standing variation as sources of adaptive variation // Molecular Ecol. 2013. Vol. 22. P. 4606–4618.

Huerta-Sánchez E. et al. Altitude adaptation in Tibetans caused by introgression of Denisovan-like DNA // Nature. Vol. 512, N 7513. P. 194–197.

Khrameeva E. et al. Neanderthal ancestry drives evolution of lipid catabolism in contemporary Europeans // Nature Communications. 2014. Vol. 5. Doc. 3584.

Krings M. et al. Neandertal DNA sequence and the origin of modern humans // Cell. 1997. Vol. 90. P. 19–30.

Meyer M. et al. A High-Coverage Genome Sequence from an Archaic Denisovan Individual // Science. – 2012. – Vol. 338. – P. 222–226.

Pääbo S. Neanderthal Man. Search of Lost Genoms. Basic Books, N.Y., 2014. 288 p.

Pääbo S. The diverse origins of the human gene pool //Nat. Rev. Genet. 2015. Vol. 16. N 6. P. 313—314.

Prüfer K. et al. The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai, Mountains // Nature. 2014. Vol. 505. N 7481. P. 43–49.

Racimo F. et al. Evidence for archaic adaptive introgression in humans //Nat. Rev. Genet. 2015. Vol. 16. N 6. P. 359—371.

Reich D. et al. Genetic history of an archaic hominin group from Denisova cave in Siberia // Nature. 2010. Vol. 468. P. 1053–1060.

Reich D. et al. Denisova admixture and the first modern human dispersals into Southeast Asia and Oceania // The American J. of Human Genetics. 2011. Vol. 89. P. 516–528.

Sankararaman S. et al. The date of interbreeding between neandertals and modern humans // PLoS Genet. 2012. Vol. 8. doi: 10.1371/journal.pgen.1002947

Sankararaman S. et al. The genomic landscape of Neanderthal ancestry in present-day humans // Nature. 2014. Vol. 507. P. 354–357.

Skoglund P., Jakobsson M. Archaic human ancestry in East Asia // Proceedings of the National Academy of Sciences of USA. 2011. Vol. 108. P. 18301–18306.

Vernot B., Akey J. M. Resurrecting surviving Neandertal lineages from modern human genomes // Science. 2014. Vol. 343. P. 1017–1021.

Vernot B., Akey J. M. Complex history of admixture between modern humans and neandertals // Am. J. Hum. Genet. 2015. Vol. 56. P. 448–453.

 Williams et al. The SIGMA Type 2 Diabetes Consortium // Nature. 2014. Vol. 506. P. 97–101.

Автор благодарит академика РАН А. П. Деревянко и д.и.н. М. Н. Шунькова (Институт археологии и этнографии СО РАН, Новосибирск), которые ведут работы на Денисовой пещере, за долговременное и продуктивное сотрудничество; Общество научных исследований им. Макса Планка (Германия) за постоянную поддержку и Российскую академию наук за поддержку исследовательской работы в Сибири

Подробнее об этом

Статьи

Материалы

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!

comments powered by HyperComments
#
профессор, директор департамента эволюционной генетики

Институт эволюционной антропологии общества Макса Планка