Прочитаний мітохондріальний геном Гейдельберзького людини: предки неандертальців виявилися родичами денисовців по материнській лінії • Олександр Марков • Новини науки на "Елементи" • Генетика, Палеонтологія, Антропологія

Прочитаний мітохондріальний геном Гейдельберзького людини: предки неандертальців виявилися родичами денисовців по материнській лінії

Мал. 1. вгорі: Череп №5 з печери Сіма де лос Уесос (Sima de los Huesos Cranium 5). внизу: Стегнова кістка, з якої була витягнута ДНК. Фото з сайту www.antropogenez.ru (джерело: J. L. Arsuaga, 2010. Terrestrial apes and phylogenetic trees) і з обговорюваної статті в Nature

Новітні методи палеогенетікі дозволили реконструювати мітохондріальний геном людини, що жила 400 тисяч років тому в печері Сіма де лос Уесос на півночі Іспанії. Це рекордна старовину: до сих пір не вдавалося отримати ДНК з людських кісток старше 100 тисяч років. Древніх європейців з Сіма де лос Уесос зазвичай відносять до виду Homo heidelbergensis і вважають предками неандертальців, оскільки у них є ряд специфічних неандертальських ознак. Однак ДНК, виділена з стегнової кістки, виявилася більш схожа з мітохондріальними геномами людей з Денисової печери, ніж з неандертальських. Одне з можливих пояснень полягає в тому, що споріднені архаїчні варіанти мтДНК проникли в популяції предків неандертальців і денисовців в результаті схрещування з реліктовими місцевими племенами Homo erectus.

Палеогенетіка проникає все далі в глиб часів

Методи палеогенетіческіх досліджень продовжують розвиватися з вражаючою швидкістю. Ще недавно здавалося, що вже до кісток старше 100 тисяч років палеогенетіка точно ніколи не добереться.Але ось і цей рубіж подолано: описані фрагменти ДНК тварин і рослин з вічної мерзлоти віком до 800 тисяч років і навіть повний ядерний геном викопного коня віком 560-780 тисяч років, теж з вічної мерзлоти (L. Orlando et al., 2013. Recalibrating Equus evolution using the genome sequence of an early Middle Pleistocene horse. Доступна повна версія статті).

У вересні 2013 року був опублікований повний мітохондріальний геном печерного ведмедя з Сіма де лос Уесос, що жив близько 400 тис. Років тому (J. Dabney et al., 2013. Complete mitochondrial genome sequence of a Middle Pleistocene cave bear reconstructed from ultrashort DNA fragments. доступна повна версія статті). Тим самим було доведено, що ДНК може зберігатися сотні тисячоліть не тільки у вічній мерзлоті.

Звичайно, така збереження можлива тільки в окремих унікальних місцезнаходження. Сіма де лос Уесос (Sima de los Huesos, "яма кісток") в Сьєрра-де-Атапуерка – ділянку розгалуженою карстової печери, розташований на глибині 30 м під поверхнею землі і в 500 м від найближчого виходу. Там завжди одна і та ж температура (10,6 ° C) і майже стовідсоткова вологість. Крім кісток ведмедя, рисі, лисиці, вовка, дикої кішки, дрібних куницевих і гризунів, в Сіма де лос Уесос знайдені останки понад 30 осіб (рис. 1; див. Докладний опис місцезнаходження на сайті "антропогенез.ру"). Можливо, мертвих людей і хижаків цілеспрямовано скидали в цю яму люди, які жили на більш високому рівні печери,хоча не виключений і варіант природного скупчення мертвих тіл під дією водних потоків.

Людей з Сіма де лос Уесос традиційно відносять до виду Homo heidelbergensis. Від різних популяцій цього виду, широко розселилися по Старому Світу, відбулися пізні види Homo: Сапиенси в Африці, неандертальці в Європі і денисовців в Азії. У будові черепів і зубів іспанської популяції є кілька типових неандертальських ознак, тому людей з Сіма де лос Уесос вважають імовірними предками неандертальців.

Як відокремити давню ДНК від сучасних забруднень?

Археологи і палеогенетікі з Іспанії та Німеччини повідомили про успішну реконструкції майже повного мітохондріального геному одного з представників цієї давньої популяції. Для цього їм довелося подолати безліч труднощів і придумати нові методи очищення і аналізу крихітних фрагментів ДНК, що збереглися в кістках.

ДНК витягли з стегнової кістки (рис. 1), причому для отримання достатньої кількості генетичного матеріалу довелося витратити майже два грами кістки (це дуже багато, якщо врахувати, що в кожній клітині присутні сотні примірників мітохондріальної ДНК).Але головна трудність була не в нечисленності збережених шматочків ДНК, а в сильній забрудненості зразків фрагментами ДНК сучасної людини. Як-не-як кістки були викопані ще в 1990-і роки, і люди до них торкалися (тому працювати з печерним ведмедем було простіше: у сучасній ведмежою ДНК мало шансів проникнути в копалини кістки).

Щоб відокремити шматочки ДНК древньої людини від сучасних людських і бактеріальних забруднень, вчені застосували кілька хитромудрих "фільтрів", які використовувалися в різних комбінаціях. По-перше, були відкинуті ділянки ДНК довжиною понад 45 нуклеотидів: малоймовірно, щоб такі довгі фрагменти могли зберігатися так довго. По-друге, автори скористалися тією обставиною, що однонітевиє кінці обривків древньої ДНК з часом накопичують характерні посмертні мутації (Ц замінюється на Т в результаті спонтанного дезамінування цитозину). Велика кількість таких мутацій можна вважати "сертифікатом автентичності" стародавнього фрагмента ДНК (рис. 2). Кожен шматок порівнювали з людським мітохондріальних геномом, і якщо виявлялося, що на кінцях обривка занадто мало цитозин замінилося тимін, такий уривок не враховувався при реконструкції.

Мал.2. Один з статистичних тестів, використаних при розробці критеріїв для фільтрації результатів секвенування. По горизонтальній осі – довжина виділених фрагментів ДНК (в нуклеотидах), по вертикальній – частота замін Ц на Т в кінцевих ділянках фрагмента (в порівнянні з мтДНК сучасної людини). Видно, що чим коротше фрагмент, тим вище частота замін. Це означає, що частка древніх фрагментів ДНК максимальна серед коротких уривків, тоді як довгі фрагменти – в основному результат пізніших забруднень. Малюнок з обговорюваної статті в Nature

В якості "зразка" для виловлювання фрагментів мітохондріального геному спочатку використовували мтДНК сучасної людини. Однак досить швидко вчені помітили, що прочитувані шматочки стародавньої ДНК найточніше збігаються з мітохондріальних геномом НЕ сапієнса і не неандертальця, а денисівська людина. Після цього поряд з сапіентних зразками стали використовувати також і Денисовском. По-різному комбінуючи методологічні підходи та критерії відбору даних, автори в результаті зібрали три трохи розрізняються реконструкції мітохондріального геному давньої людини з Сіма де лос Уесос.У найповнішому з трьох варіантів вдалося відновити 16 302 нуклеотидних позицій, що становить 98% мітохондріального геному.

Чи можуть батьки неандертальців бути родичами денисовців?

Вивчення всіх трьох одержані варіантів впевнено підтвердило несподіваний і дивовижний висновок про те, що людина з Сіма де лос Уесос по своїй мітохондріальної ДНК ближче до денисовців, ніж до неандертальців і сапієнсів (рис. 3). Іншими словами, денисовців є його найближчими родичами по прямій материнській лінії. Тим часом, як уже говорилося, морфологія і географія свідчать на користь того, що кістки з Сіма де лос Уесос належать предкам неандертальців.

Мал. 3. Еволюційний дерево мтДНК гомінідів. Горизонтальна довжина гілок відображає кількість нуклеотидних відмінностей. Сама верхня гілочка відповідає людині з Сіма де лос Уесос. Видно, що його найближчій ріднею є люди з Денисової печери (Denisovans). Неандертальці по мтДНК ближче до сапієнс, ніж до денисовців і людям з Сіма де лос Уесос. У вибірці сапієнсів присутні як сучасні, так і копалини представники нашого виду.Той факт, що гілка, відповідна людині з Сіма де лос Уесос, вийшла коротше всіх інших, відповідає древньому віком цієї знахідки і підтверджує працездатність методу «молекулярних годин». Цифрами показані приблизні датування (в тисячах років) чотирьох точок на дереві, отримані за допомогою цього методу. За малюнком з обговорюваної статті в Nature

Як пояснити цей дивний результат? Можна, звичайно, припустити, що гейдельбергськие люди з Сіма де лос Уесос насправді є близькою ріднею денисовців, а до неандертальців не мають прямого відношення. Але такий варіант малоймовірний: для цього довелося б допустити і паралельне поява неандертальських рис у неспоріднених груп європейців, і проживання справжніх предків неандертальців з родичами денисовців на одній території без схрещування, та й з даними по ядерних геномам (див. Нижче) такий варіант дуже важко узгодити. Чи є більш правдоподібне пояснення?

По-перше, не можна забувати, що мтДНК сама по собі не дає повного і адекватного уявлення про родинні зв'язки. Для цього потрібно отсеквеніровать ядерний геном. Ніхто поки не знає, чи вдасться це зробити коли-небудь.Мітохондріальна ДНК передається тільки по материнській лінії і розмножується клонально, не беручи участь в статевому процесі і не рекомбініруя, тобто не обмінюючись гомологічними ділянками. В силу цих особливостей на еволюцію мітохондріального геному сильний вплив робить генетичний дрейф, тобто випадкові коливання частот зустрічальності тих чи інших варіантів (гаплотипов).

По-друге, необхідно мати на увазі, що Денісовська мтДНК, виділена з корінного зуба чоловіки і фаланги мізинця дівчинки, сама по собі досить загадкова. Вона розповідає зовсім іншу генеалогічну історію, ніж ядерні геноми. Судячи з ядерним геномам, денисовців – найближчі родичі неандертальців, причому ті й інші – досить близька рідня сапієнсів (див .: Прочитаний ядерний геном людини з Денисової печери, "Елементи", 23.12.2010; Геном денисівська людина отсеквенірован з високою точністю, "Елементи ", 06.09.2012). Однак за своєю мтДНК денисовців дуже далеко відстоять і від сапієнсів, і від неандертальців (див .: Людина з Денисової печери виявився не сапієнс і не неандертальцем, "Елементи", 27.03.2010). Оскільки ядерні геноми – набагато більш надійна основа для реконструкції родинних зв'язків, доводиться визнати,що мтДНК у двох людей з Денисової печери – не "рідна", а привнесена шляхом віддаленої гібридизації.

Відомо чимало випадків, коли епізодична міжвидова гібридизація приводила до того, що в популяції якогось виду широко поширювалася чужа мтДНК (див., Наприклад: Z. Boratyński et al., 2011. Introgression of mitochondrial DNA among Myodes voles: consequences for energetics?). Швидше за все, саме це і сталося з популяціями гейдельбергских людей – предками неандертальців і денисовців, які прийшли близько 0,5-0,4 млн років тому в Європу та Азію (в той час як їх родичі, предки сапієнсів, залишалися в Африці). Ці прийшлі популяції, ймовірно, схрещувалися з древнім місцевим населенням – пізніми представниками Homo erectus (Еректуси вперше вийшли з Африки і почали розселятися по Євразії дуже давно – 1,8 млн років тому). Можливо, предки денисовців і неандертальців отримали архаїчний варіант мтДНК від азіатських і європейських еректусів (включаючи такі форми, як H. antecessor, Чиї кістки віком близько мільйона років знайдені неподалік від Сіма де лос Уесос, див .: Люди прийшли в Європу більше мільйона років тому, "Елементи", 02.04.2008). У мігруючих групах гейдельбергских людей, можливо, переважали чоловіки (так часто буває при міграціях людських племен), які час від часу брали в дружини місцевих жінок – еректусів.

Згодом архаїчні гаплотипи мтДНК могли в результаті дрейфу загубитися у неандертальців (чия мтДНК вказує на близьку спорідненість з сапиенсами – в повній відповідності з "показаннями" ядерного генома) і закріпитися у денисовців (судячи з того, що у обох вивчених індивідів денисівська людина виявлений саме цей , архаїчний варіант мтДНК).

Зрозуміло, можливі й інші інтерпретації. Наприклад, цей древній варіант мтДНК міг бути присутнім в предковой популяції H. heidelbergensis ще до того, як вона підрозділі на попередників сапієнсів, неандертальців і денисовців; згодом цей гаплотип зберігся у деяких денисовців і попередників неандертальців в Європі, а в інших популяціях загубився. Одного-єдиного мітохондріального геному людини з Сіма де лос Уесос явно недостатньо для впевнених висновків, але варіант з гібридизацією поки видається найбільш імовірним.

"Молекулярні годинник" для датування викопних кісток

Ще один важливий результат полягає в тому, що підтвердилася працездатність нового палеогенетіческого методу датування викопних кісток, заснованого на принципі "молекулярних годин" (див. Molecular clock).Про перший застосуванні цього методу розказано в новини Геном денисівська людина отсеквенірован з високою точністю, "Елементи", 06.09.2012. За кількістю генетичних відмінностей, накопичених з часу життя останнього загального предка сапієнсів і денисовців, був визначений можливий вік Денисовском індивідів: 75 тисяч років (хоча традиційні методи датування давали вік 30-50 тисяч років).

Тепер цей метод спробували використовувати для датування кісток з Сіма де лос Уесос. Те, що він в принципі має право на існування, видно з того, що гілка, відповідна людині з Сіма де лос Уесос, на генеалогічному дереві вийшла коротше всіх інших (рис. 3). Цього і слід було очікувати, оскільки даний індивід жив набагато раніше за всіх вивчених неандертальців, денисовців і сапієнсів. Втім, зрозуміло, що точність у такій датування не може бути високою: якби молекулярні годинник працював ідеально, всі гілки, що відповідають сучасним людям, мали б строго однакову довжину і дерево в нижній правій частині виглядало б обрізаним, як по лінійці. Перевагою методу є те, що він повинен працювати незалежно від того, чи маємо ми справу з "чужими" (привнесеними) мтДНК або з "рідними".

Так чи інакше, найбільш ймовірний час життя людини з Сіма де лос Уесос по молекулярним годинах – 370-400 тисяч років тому (з ймовірністю 95% воно знаходиться в інтервалі від 150 до 640 тисяч років тому). Саме чудове, що таку ж оцінку – близько 400 тисяч років – дав і аналіз мтДНК печерного ведмедя з того ж місцезнаходження! Це вже змушує ставитися до цього методу з меншим скепсисом. Традиційні методи датування знахідок з Сіма де лос Уесос теж дали досить розпливчасті результати: від 325 до 660 тисяч років тому.

Час поділу мітохондріальних ліній сапієнсів і неандертальців, певне тим же методом, становить 440-530 тисяч років (що цілком розумно і добре узгоджується з іншими даними). Остання загальна праматір людей з Сіма де лос Уесос і денисовців (по прямій жіночій лінії) жила, судячи з тими ж даними, 650-760 тисяч років тому. Мітохондріальна прародителька обох груп (Сіма де лос Уесос / денисовців і неандертальці / сапиенси) жила 830-1040 тисяч років тому. Судячи з поважного віку, вона ставилася ще до виду H. erectus.

Але, звичайно, найяскравішим і значним результатом є сам факт прочитання ДНК Гейдельберзького людини, що жила сотні тисяч років тому.Це дозволяє сподіватися, що розвиток палеогенетікі принесе ще чимало дивовижних відкриттів.

джерело: Matthias Meyer, Qiaomei Fu, Ayinuer Aximu-Petri, Isabelle Glocke, Birgit Nickel, Juan-Luis Arsuaga, Ignacio Martínez, Ana Gracia, José María Bermúdez de Castro, Eudald Carbonell & Svante Pääbo. A mitochondrial genome sequence of a hominin from Sima de los Huesos // Nature. Published online 04 December 2013.

Див. Також про успіхи палеогенетікі неандертальців і денисовців:
1) Повний геном неандертальця буде прочитаний через два роки, "Елементи", 20.11.2006.
2) Палеогенетіческіе дані розширили ареал неандертальців на 2000 км на схід, "Елементи", 09.10.2007.
3) Геном неандертальця майже прочитаний, залишилося в ньому розібратися, "Елементи", 17.02.2009.
4) Геном неандертальців прочитаний: неандертальці залишили слід в генах сучасних людей, "Елементи", 10.05.2010.
5) Людина з Денисової печери виявився не сапієнс і не неандертальцем, "Елементи", 27.03.2010.
6) Прочитаний ядерний геном людини з Денисової печери, "Елементи", 23.12.2010.
7) Геном денисівська людина отсеквенірован з високою точністю, "Елементи", 06.09.2012.

Олександр Марков


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: