Геном неандертальцев прочтен: неандертальцы оставили след в генах современных людей
|
Ученые, работающие в рамках международного проекта по прочтению ядерного генома неандертальца, завершили расшифровку значительного объема информации. Они выявили важнейшие гены, отличающие человека разумного от его ближайшего гоминидного сородича — неандертальца. И более того, удалось надежно подтвердить версию о скрещивании неандертальцев с древними европейцами.
В 2006 году стартовал проект по прочтению генома неандертальцев (Neanderthal genome project), о чём можно прочитать в заметке Полный геном неандертальца будет прочтен через два года («Элементы», 20.11.2006). Руководитель этого грандиозного и многообещающего проекта Сванте Пяабо (Svante Paabo) из Института эволюционной антропологии Макса Планка в Лейпциге (Max-Planck Institute for Evolutionary Anthropology) обещал доложить о результатах работы через 2 года, но как мы видим, ему потребовалось на это 3,5 года. Зато и результаты исследования стали неожиданными не только для публики, но и для самих исследователей. Несмотря на собственную предвзятость, генетики доказали, что древние сапиенсы всё-таки скрещивались с неандертальцами.
Способны были сапиенсы скрещиваться с неандертальцами или нет — этот вопрос всегда вызывал горячие споры. Находились аргументы как в пользу скрещивания, так и в пользу чистых линий; в ход шли и морфологические, и генетические критерии. Главным аргументом сторонников чистых линий было отсутствие следов гибридизации митохондриальных ДНК сапиенсов и неандертальцев. Адепты скрещивания неандертальцев и сапиенсов апеллировали, например, к изящным исследованиям дивергенции гена микроцефалина (см.: Получено генетическое подтверждение скрещивания наших предков с неандертальцами, «Элементы», 13.11.2006). Но все доводы были косвенными, и, как это всегда бывает с косвенными доводами, они только разогревали оппонентов, никого особенно не убеждая. Все ждали результатов прочтения ядерного генома неандертальцев.
Материалом исследования послужили кости из пещеры в Хорватии; возраст образцов оценили радиоуглеродным методом как 38 000 и 44 000 лет, так как образцы были извлечены из разных слоев пещеры. (Здесь отмечу, что митохондриальный анализ показал высокую идентичность образцов с разными возрастами, так что предположительно их обладатели были близкими родственниками. Тогда что же делать с определением возраста? Ученые пока не прокомментировали это противоречие.) Конкретные кости были выбраны, в частности, из-за того, что ими прежде не слишком интересовались археологи, поэтому не успели захватать их руками и внести изрядную долю собственной ДНК.
Генетикам сразу же удалось доказать, что они имеют дело не с остатками неандертальских мужчин, как предполагали археологи, а с костями трех неандерталок. Прочтения первых участков генома подталкивали исследователей к мысли, что скрещивания не было, так как никаких следов гибридизации не нашлось (см.: Геном неандертальца почти прочтен, осталось в нем разобраться, «Элементы», 17.02.2009).
И вот, наконец, реконструировано и очищено от загрязнений и ошибок 2/3 генома — это примерно 4 млрд нуклеотидов. Чтобы получить запись неандертальского генома, потребовалось выбросить из рассмотрения всю микробную составляющую материала: ясно, что именно микробы оказались наиболее многочисленными «загрязнителями» древних остатков. Эта работа оказалась исключительно трудоемкой и во многом новаторской (она подробно описана в отдельной статье в Science, см.: Targeted Investigation of the Neandertal Genome by Array-Based Sequence Capture).
Для отделения человеческой составляющей от микробной сначала воспользовались библиотеками известных микробных генов и исключили их. Затем обработали неандертальские образцы специальными ферментами, разрушающими только микробные гены. В результате в образцах осталось не так уж и много генов микроорганизмов. Далее оценивали присутствие любых маммальных генов с учетом всей имеющейся информации в современных биоинформационных библиотеках. Также генетики оценили привнос генов современных людей — всё же эти образцы побывали в руках исследователей. По митохондриальной ДНК можно судить об объеме этих загрязнений — около 1%.
Нужно подчеркнуть, что только развитие геномики и создание глобальных библиотек с доступными и унифицированными сведениями сделало подобную работу возможной. Чем внимательнее вчитываешься в методическую часть работы, тем яснее становятся фантастические возможности и ошеломительные перспективы этой новой области науки.
Геном неандертальцев и современных людей отличается на 0,16%. С одной стороны, отличия невелики. С другой, можно увидеть, какие именно отличающиеся гены составляют нашу «разумную» сущность — иными словами, какие гены имеются у современных людей, но отсутствуют и у шимпанзе, и у неандертальцев. Это гипотетические элементы, которые не унаследованы от общего предка и появились только после расхождения ветвей современного человека и неандертальца. Таких сугубо современных элементов — нуклеотидных замен в генах — нашлось 78. Некоторые из этих нуклеотидных замен могут быть нейтральными (они могли закрепиться в результате обычных демографических процессов, бутылочных горлышек и т. д.), другие же могут иметь и адаптивное значение.
Так вот, нашлось 5 таких генов, которые несли по несколько указанных нуклеотидных замен. Эти гены и, соответственно, эти мутации, очевидно, адаптивны для современных людей, иначе бы эволюция не обратила бы на них столь пристального внимания. Это гены, связанные с функциями кожи, мыслительной деятельностью, энергетическим обменом (см. статью в Science Targeted Investigation of the Neandertal Genome by Array-Based Sequence Capture).
Надо заметить, что нашлись и такие мутации, которые были у неандертальцев, но отсутствовали у человека и шимпанзе. Их функции неизвестны. Также определены гены, которые присутствуют в геноме неандертальцев в явно большем числе копий, чем у современных людей. Их назначение тоже пока неизвестно. Генетики и биоинформатики в ближайшие десять лет без работы явно не останутся.
|
Самые замечательные результаты были получены при сравнении реконструированного генома неандертальцев с генными последовательностями 5 современных людей — европейца, коренного китайца, жителя Папуа Новой Гвинеи и двух коренных африканцев из Южной и Западной Африки.
По уровню генетических различий геном неандертальца оказался больше похож на европейцев, азиатов и папуасов, чем на африканцев. Это ясно следует из результатов попарного сравнения генов неандертальцев и современных представителей разных частей света. Тут привлекались дополнительные данные по современным людям для нивелирования индивидуальных и демографических отличий. Ученые выбирали для сравнения только те гены, которые несли продвинутые варианты аллелей по сравнению с вариантами шимпанзе.
Оценивались различия между генами неандертальцев и одной из народностей, скажем европейцами, и между неандертальцами и следующей народностью, например китайцами (азиатами). Затем вычисляли различия между выбранной парой современных людей (в данном примере — между европейцами и азиатами). После оставалось оценить разницу между неандертальцами и современными людьми, с одной стороны, и выбранной современной парой, с другой. Если продвинутые гены встречаются с одинаковой частотой у неандертальцев и двух других народов и не отличаются от уровня различий между современной парой, то общий уровень различий будет равен 0. Если неандертальцы больше отличаются от одного из народов, чем от другого, то общий уровень различий отклонится от нуля в сторону пары, включающей эту народность.
Такой метод анализа применялся впервые и дал замечательные результаты. Оказалось, что продвинутых аллелей больше у неандертальцев, европейцев и азиатов и папуасов. А вот африканцы продемонстрировали меньше сходства со всеми этими выборками. Так что жители современной Евразии имеют примерно 1–4% неандертальских генов, а в геноме африканцев неандертальских следов существенно меньше.
Проведенные статистическим изыскания генетики дополнили еще одним занимательным фактом. Раньше было показано, что среди древних вариантов аллелей имеются такие, которые существенно чаще встречаются у европейцев, чем у африканцев. Всего было известно 13 таких географически капризных вариантов. Так вот выяснилось, что 10 из этих 13 вариантов имеются и у неандертальцев!
|
Эти весьма нетривиальные результаты генетики и статистики не оставляют ученым никакого другого выбора, кроме как допустить скрещивание жителей древней Европы и Азии с неандертальцами. При этом скрещивания неандертальцев с древним африканским населением не было. Предположительный сценарий мог быть следующим.
Первая встреча неандертальцев с сапиенсами могла произойти около 80 000 лет назад в Азии. К этому времени уже прошла первая волна миграции сапиенсов из Африки, а неандертальцы подошли к азиатским рубежам. Вспомним местонахождения горы Кармель — знаменитые пещеры Схул и Табун, — а также Кафзех, где чередуются остатки людей современного типа и неандертальцев. Смена антропологических находок и артефактов маркирует волны миграции современных людей и неандертальцев и указывает на время их возможной встречи.
По оценкам израильских специалистов, гипотетическое время сосуществования людей современного типа и неандертальцев в окрестностях горы Кармель могло длиться около 10 000 лет. Этого вполне достаточно, чтобы вероятность скрещивания не считать исчезающе малой. Редкие, но плодотворные встречи сапиенсов и неандертальцев оставили след в геноме современных людей. Следующая волна миграции сапиенсов из Африки в Европу началась около 50 000 лет назад. Мигранты обязательно встретили на своем тысячелетнем пути неандертальцев. Были ли часты браки между сапиенсами и аборигенами — неизвестно, но следы этих браков остались в генах современных людей.
Миграции людей по гигантским территориям Азии, расселение на острова Юго-Восточной Азии вместе с дрейфом генов среди евразийского населения обеспечили распространение неандертальского наследия. Каким бы мизерным ни было это наследие, но всё же нельзя теперь утверждать без некоторых философских оговорок, что неандертальцы полностью вымерли.
Источники:
1) Richard E. Green, Johannes Krause, Adrian W. Briggs, Tomislav Maricic, Udo Stenzel, Martin Kircher, Nick Patterson, Heng Li, Weiwei Zhai, Markus Hsi-Yang Fritz, Nancy F. Hansen, Eric Y. Durand, Anna-Sapfo Malaspinas, Jeffrey D. Jensen, Tomas Marques-Bonet, Can Alkan, Kay Prufer, Matthias Meyer, Hernan A. Burbano, Jeffrey M. Good, Rigo Schultz, Ayinuer Aximu-Petri, Anne Butthof, Barbara Hцber, Barbara Hoffner, Madlen Siegemund, Antje Weihmann, Chad Nusbaum, Eric S. Lander, Carsten Russ, Nathanie Novod, Jason Affourtit, Michael Egholm, Christine Verna, Pavao Rudan, Dejana Brajkovic, Zeljko Kucan, Ivan Gusic, Vladimir B. Doronichev, Liubov V. Golovanova, Carles Lalueza-Fox, Marco de la Rasilla, Javier Fortea, Antonio Rosas, Ralf W. Schmitz, Philip L. F. Johnson, Evan E. Eichler, Daniel Falush, Ewan Birney, James C. Mullikin, Montgomery Slatkin, Rasmus Nielsen, Janet Kelso, Michael Lachmann, David Reich, Svante Paabo. A Draft Sequence of the Neandertal Genome // Science. 7 May 2010. V. 328. P. 710–722. DOI: 10.1126/science.1188046.
2) Hernan A. Burbano, Emily Hodges, Richard E. Green, Adrian W. Briggs, Johannes Krause, Matthias Meyer, Jeffrey M. Good, Tomislav Maricic, Philip L. F. Johnson, Zhenyu Xuan, Michelle Rooks, Arindam Bhattacharjee, Leonardo Brizuela, Frank W. Albert, Marco de la Rasilla, Javier Fortea, Antonio Rosas, Michael Lachmann, Gregory J. Hannon, Svante Paabo. Targeted Investigation of the Neandertal Genome by Array-Based Sequence Capture // Science. 7 May 2010. V. 328. P. 723–725. DOI: 10.1126/science.1188046.
3) Ann Gibbons. Close Encounters Of the Prehistoric Kind // Science. 7 May 2010. V. 328. P. 680–684 (популярная статья с лирическими отступлениями).
Елена Наймарк
