Палеогеномика и принцесса-полукровка

Клещенко Е.
(«ХиЖ», 2018, №9)

pic_2018_09_18.jpg

Художник: Petra Korlevic

Изучение древней ДНК принесло новый блестящий результат. Палеогенетики из Института эволюционной антропологии общества Макса Планка — Сванте Пэабо, Вивиан Слон и их коллеги — секвенировали геном человека, фрагмент кости которого был найден в Денисовой пещере на Алтае, и выяснили, что это дочь неандерталки и денисовца. В числе соавторов статьи, посвященной этому знаменательному событию, — сотрудники новосибирского Института археологии и этнографии РАН.

Денисова пещера — для коренного населения Аю-Таш, Медвежий Камень — известное из научной литературы название получила то ли в честь старообрядца Дионисия, который в конце XVIII века жил отшельником в этой пещере, то ли в честь простого местного пастуха Дениса. Археологи заинтересовались пещерой в 1977 году. С тех пор в ней ведутся систематические исследования, выявлено более 20 культурных слоев, датированных средним плейстоценом (возраст старших — не менее 200 000 лет). В пещере найдено множество разнообразных артефактов — орудия и украшения из кости и камня, и даже плоские бусинки из скорлупы страусиного яйца! И браслет из полированного хлоритолита, явно принесенного издалека, — поблизости нет открытых месторождений этого красивого ярко-зеленого камня. И конечно, найдены костные останки гоминин. Будем называть этим собирательным словом представителей рода Homo, обитавших в Денисовой пещере. Виды это или подвиды, или какие-то иные группы мельче подвида, но крупнее расы — тут есть неясность ввиду последних открытий. Неандертальца систематики в настоящее время называют Homo sapiens neanderthalensis, нашего нового родича — Homo sapiens denisova, Homo sp. Altai или Homo sapiens subsp. Denisova.

Пока что исследована ДНК шести индивидов из Денисовой пещеры. В научной литературе их называют по месту находки, «Денисова» + номер. Есть еще статья про изучение митохондриальной ДНК денисовцев и неандертальцев (а также других видов млекопитающих), извлеченной из осадочных пород в пещере, но это отдельная тема («Science», 2017, doi: 10.1126/science.aam9695).

Итак, Денисова 2 — коренной зуб, слой 22 (очевидно, самая древняя из шести), девочка, денисовский человек. Денисова 3 — фаланга пальца, найденная в 2008 году в слое 11 (по геномным данным, она жила около 80 000 лет назад, датирование по слоям дает меньшую древность), девочка — та самая легендарная находка, первая представительница денисовских людей, идентифицированная по ДНК сотрудниками Института эволюционной антропологии — Сванте Пэабо, Йоханнесом Краузе и их коллегами («Nature», 2010, doi: 10.1038/nature08976, см. также «Химию и жизнь, 2010, 5). Денисова 4 и Денисова 8 — два зуба, оба принадлежали мужчинам-денисовцам, один найден в слое 11, другой на границе слоев 11 и 12. Денисова 5, также известная как «алтайский неандерталец», — фаланга большого пальца ноги, женщина; слой 11, возраст по геномным данным — около 120 000 лет. Эта находка сыграла важную роль в исследовании неандертальского генома («Science», 2017, doi: 10.1126/science.aao1887). И наконец, Денисова 11, или костный фрагмент DC1227 из слоя 12, девочка Денни — героиня сегодняшнего репортажа, дочь неандертальской женщины и денисовца-мужчины.

Линии неандертальцев и денисовцев разошлись не позднее 390 000 лет назад, хотя теперь понятно, что и после этого между ними происходила гибридизация, и у кроманьонцев с неандертальцами и с денисовцами тоже. Однако, как отметила Вивиан Слон, первый автор статьи, никто не ожидал, что удастся найти настолько ясное и бесспорное доказательство — потомка скрещивания в первом поколении, наполовину неандертальца, наполовину денисовца.


pic_2018_09_19.jpg

Фото: Институт эволюционной антропологии общества Макса Планка

Когда жила Денни и сколько ей было лет? Костный фрагмент Денисова 11 был найден в 2012 году, результаты его исследования опубликованы четырьмя годами позже («Scientific Reports», 2016; doi: 10.1038/srep23559, полный текст). Но для начала надо было доказать, что этот небольшой, около 2 см в длину (см. рисунок), обломок кости принадлежит именно человеку. В Денисовой пещере найдены сотни тысяч костных фрагментов, но как отыскать среди них гомининные? Мало ли кого тут люди разделывали и ели. Человеческие зубы, конечно, не спутаешь со звериными, а с кусочками трубчатых костей все не так просто. Чтобы определить их видовую принадлежность, использовали метод фингерпринта пептидов коллагена. Этот белок соединительной ткани содержится в костях всех млекопитающих и достаточно хорошо сохраняется, особенно в прохладном климате (а в Денисовой пещере прохладно круглый год). Кроме того, коллаген имеет четкие видовые вариации в аминокислотной последовательности, которые можно выявить с помощью масс­спектрометрии. Этот метод получил название ZooMS — «зооархеология по масс-спектрометрии», и он помог найти среди множества костных обломков принадлежавший представителю рода Homo.

Радиоуглеродное датирование показало, что возраст находки — более 50 000 лет, однако «более» — в данном случае понятие растяжимое. Радиоуглеродный анализ отлично работает на протяжении исторического периода, но полсотни тысячелетий — это близко к пределу его возможностей. Более точная датировка по данным генетического анализа дала около 90 000 лет.

Кстати, в том же исследовании получены данные микро-компьютерной томографии, говорящие о том, что косточка подвергалась кислотному травлению, возможно, в желудке хищника (авторы предполагают, что пещерной гиены, их там водилось много). Этот неромантический момент почему-то не упоминается в свежих новостях о дочери двух народов. Хотя, если папа-неандерталец прикончил и приволок в пещеру гиену, которая съела ребенка, сценарий фильма о древних жителях Алтая еще можно спасти…


Да, так почему ребенок? По толщине кортекса (более плотного поверхностного слоя) кости исследователи заключили, что индивиду на момент смерти было не менее 13 лет; в принципе, могло быть и больше.


Почему известно, что неандерталка — именно мать, а не отец? Это установили по исследованию митохондриальной ДНК, все в той же работе 2016 года. Полученная последовательность была абсолютно неандертальской, прекрасно кластеризовалась с другими неандертальскими мтДНК, таким образом, в происхождении матери не было ни малейших сомнений. Напомним, что мтДНК наследуется по женской линии, как и сами митохондрии — клеточные органеллы, вырабатывающие энергию; человек получает их только от мамы.


Как установили, что ребенок — девочка и что отец — денисовец? Это и есть результат новой работы, опубликованной в «Nature», — исследование уже не митохондриальной, а геномной ДНК. Такие исследования стали возможными благодаря технологиям секвенирования нового поколения (в данном случае использовались платформы MiSeq и HiSeq 2500 компании «Illumina»), которые могут читать огромное количество мелких кусочков ДНК, а также благодаря информационным технологиям, позволяющим сопоставлять прочитанные обрывки с отсеквенированными ранее (референсными) геномами. Прочитанные кусочки называются ридами. В данной работе было достигнуто покрытие 2,6 (то есть каждый нуклеотид содержали в среднем 2,6 рида); бывают покрытия и получше, но такой результат уже можно обсуждать, тем более для уникальной древней ДНК.


Так, значит, почему дочка, а не сын? Как известно, все неполовые хромосомы у людей парные, а половые — у женщин парные, ХХ, у мужчин непарные, ХY. Исходя из предположения, что ДНК всех хромосом имеет одинаковую сохранность, в образцах женской ДНК для Х-хромосомы покрытие будет таким же, как и для любой неполовой хромосомы, а у мужчины существенно меньше. Этот метод для древней ДНК надежнее, чем поиск маркеров Y-хромосомы: если эти маркеры найдутся, значит, ДНК точно принадлежит мужчине, а если не найдутся, то женщине… или мужчине, но маркер потерялся. Сравнение же покрытия неполовых и половых хромосом четко разделяет древних людей на две несмешивающиеся группы, и Денни по этому признаку попала к девочкам.

Но самые интересные результаты показало сравнение ридов с неандертальскими и денисовскими геномами: неандертальские и денисовские аллели оказались представленными примерно в равных соотношениях (38,6% неандертальских аллелей и 42,3% денисовских). В принципе, подобный результат мог наблюдаться и в том случае, если ребенок принадлежал к смешанной популяции. Однако распределение неандертальских и денисовских аллелей (в частности, высокая гетерозиготность) больше всего походило на то, которое должно было наблюдаться у гибрида первого поколения: из двух копий каждого гена одна получена от матери, другая от отца.

Что касается неандертальских аллелей, в 12% случаев они были теми же, что в геноме алтайской неандерталки (Денисова 5), которая жила в той же пещере 120 000 лет назад, то есть примерно на 30 000 лет раньше, чем Денни и ее родители, и в 19,6% — теми же, что в геноме Vindija 33.19, неандертальца из хорватской пещеры Виндия, который жил намного позднее, около 55 000 лет назад. Вывод кажется странным — Хорватия далеко от Алтая, но за десятки тысяч лет мигрирующие группы древних людей могли пройти огромные расстояния. Также установлено, что у отца-денисовца был неандертальский предок, хотя и очень давно — за сотни поколений до него. Кстати, и у знаменитой Денисова 3 обнаружена неандертальская примесь.

Таким образом, появляется все больше данных в пользу того, что межгрупповое скрещивание не было редкостью. «Неандертальцы и денисовцы, вероятно, имели не так много шансов встретиться. Но раз уж это произошло, они должны были скрещиваться часто — намного чаще, чем мы думали», — сказал Сванте Пэабо.


Какими были денисовцы? Точно не известно. Судя по найденным зубам и костным фрагментам, они больше походили на неандертальцев, чем на нас. Люди крепкого, массивного телосложения, по некоторым генетическим данным, — смуглые, темноволосые и темноглазые (по крайней мере, те, чьи геномы были исследованы). Не исключено, что они были талантливыми мастерами, если хотя бы часть найденных в тех же слоях артефактов сделана ими. Есть версия, например, что длинную иглу из птичьей кости изготовили денисовцы, а раз им понадобилась игла, то, значит, шили, нанизывали бусы… впрочем, с этой версией не все согласны. Возможно, через некоторое время мы узнаем больше — или найдем новые останки, или лучше научимся понимать тексты ДНК.


Литература

Viviane Slon, Fabrizio Mafessoni, Benjamin Vernot, Cesare de Filippo, Steffi Grote, Bence Viola, Mateja Hajdinjak, Stéphane Peyrégne, Sarah Nagel, Samantha Brown, Katerina Douka, Tom Higham, Maxim B. Kozlikin, Michael V. Shunkov, Anatoly P. Derevianko, Janet Kelso, Matthias Meyer, Kay Prüfer, Svante Pääbo. // The genome of the offspring of a Neanderthal mother and a Denisovan father. // Nature, 2018; doi: 10.1038/s41586-018-0455-x.



Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 9/2018) на с. 18 — 19.

Разные разности

03.12.2018 18:00:00

...космическая система обнаружения дневных астероидов позволит в течение 5 лет выявить не менее 3000 астероидов размером более 10 м...

...Управление по контролю продуктов и лекарственных препаратов США одобрило новый противогриппозный препарат с иным механизмом действия, чем у тамифлю и других; препарат называется ксофлюза...

...исследованы с помощью фМРТ процессы в мозге собаки, когда она слышит знакомые и незнакомые человеческие слова...


>>
30.11.2018 10:00:00

Исследователи из Индианского университета обнаружили способ выделить себя среди производителей крафтового пива: надо объявить себя зеленым пивоваром. То есть таким, который борется за экономию энергии и сохранение окружающей среды.

>>
29.11.2018 12:00:00

Сотрудник МГУ имени М.В. Ломоносова просмотрел огромное число образцов многощетинковых червей, идентифицированных как Thelepus cincinnatus и обнаружил, что перед ним представители не одного вида, а четырёх разных.

>>
27.11.2018 18:15:00

Химики из Чалмерского технологического университета (Швеция) решили запасать солнечное тепло с помощью химической энергии.

>>
06.11.2018 15:40:00

…«Science» опубликовал шесть статей, посвященных финальному этапу исследования Сатурна автоматической межпланетной станцией Кассини…

…в Японии, возможно, будет разрешено редактирование генов человеческих эмбрионов в исследовательских целях...

…британские ученые с помощью CRISPR-Cas9 ввели в геном малярийного комара Anopheles gambiae мутацию, которая делает самок бесплодными при сохранении плодовитости самцов; такая мутация может полностью уничтожить вид…

>>