Эволюция людей: неандерталец в родословной

Последняя из удивительных животных, похожа на лошадь с головой зебры и крупом осла — квагга (Equus quagga quagga) — умер в 1883. Прошло века и исследователи опубликовали почти 200 нуклеотидов. Эти обрывки ДНК — первые секреты генетики, добытые из организма, который уже давно умер — показали, что квагга самом деле была отдельным подвидом горной зебры (Equus zebra).

Важнее другое: тогда ученые доказали, что анализ остатков уже не будет оставаться единственным способом исследовать древний жизни. «Если удастся доказать, что длительное сохранение ДНК — распространенное явление,- отметили в своей статье [1] генетики Рассел Хигучи (Russell Higuchi) и Аллан Уилсон (Allan Wilson) из Университета Калифорнии, Беркли, и их коллеги, то в выигрыше будет ряд отраслей наук, включительно с палеонтологией, эволюционной биологией и археологией».

Сначала прогресс шел рывками. Различные точки зрения относительно подлинности исследований древней ДНК подпитывали раскол внутри отрасли и глубокий скептицизм за ее пределами. Однако споры стихли, благодаря строгости лабораторий, граничащая с паранойей, и технологиям секвенирования, которые позволяют исследователям определить и исключить возможность загрязнения современной ДНК.

Полученные результаты вызвали настоящий взрыв исследований древних геномов. Прошлого года, ученые смогли расшифровать два древнейших на тот момент геномы: лошади, похороненного в канадской вечной мерзлоте почти 700 000 лет назад , и древнего родственника современного человека, который нашел свой конец в испанской пещере почти 400 000 лет назад . Показали и последовательность генов неандертальца, такую же полную и точную, как и любого человека наших дней, а также геном сибирского мальчика, который связал коренное население Северной Америки с Европейцами .

Прорыв стал возможным благодаря технологическим улучшением в выделении, секвенирования и интерпретации, поврежденных временем нитей ДНК в таких древних остатках, как кости, зубы и волосы. Ученые-первопроходцы получают ДНК из все более старых и разрушенных остатков, что дает нам знание людей и других животных, которые жили много лет назад. А теперь древние ДНК должны переместиться из чистых боксов специалистов лабораторий археологов, генетиков популяций и других ученых. Через тридцать лет после того, как квагга стала первой на этом пути, Nature решил исследовать будущее этой области.
Геном возрастом миллион лет

Людовик Орландо (Ludovic Orlando), эволюционный биолог из Университета Копенгагена, ни на что особенное не ожидал, когда начинал секвенировать ДНК из кости ноги лошади в возрасте от 560 000 до 780 000 лет. Эту кость нашел в вечной мерзлоте канадского Юкона его коллега, Эске Віллерслев (Eske Willerslev), еще в 2003 году. Тогда он спрятал ее к морозильной камере, в ожидании лучшей технологии, которая позволила бы прочитать разрушенную ДНК кости. (В морозильных камерах лабораторий исследование древних ДНК полно подобных образцов, «отложенных на потом»).

Однажды воскресным вечером 2010 года Виллерслев позвонил Орландо и сообщил, что время, наконец, пришло. Орландо усомнился: «Я начинал этот проект с искренним желанием доказать, что это невозможно»,- говорит он.

Секвенировать древнюю ДНК означает бороться со временем. После того, как организм умирает, длинные нити ДНК рвутся на все меньшие кусочки, в чем им способствуют специальные разрушающие энзимы. Низкие температуры несколько подавляют этот процесс, однако со временем нити становятся настолько короткими, что информации в них не очень много.

Для того чтобы прочитать геном лошади, Орландо пришлось собирать воедино частицы ДНК, из которых еще можно было получить какую-то пользу: здесь ему пригодилась сильная энзимная обработка, которая экстрадировала их и готовила к секвенированию. Орландо и его команда обнаружили, что в результате подготовки большое количество фрагментов была потеряна. Однако после нескольких настроек экспериментального протокола, например, снижение температуры экстракции, исследователи получили в десять раз больше обрывков ДНК, чем в прошлый раз — и сделали черновой вариант старейшего из исследуемых геномов.

Используя подобный подход, Сванте Паабо (Svante Pääbo), генетик из Института Макса Планка по эволюционной антропологии в Лейпциге, Германия, и его команда обратили внимание на останки возрастом 400 000 лет из пещеры Сима-де-лос-Уесос на севере Испании, которая, возможно, была могильной ямой близких родственников современных людей — гоминид. В этой яме кости хранились при постоянной низкой температуры, что замедлило разрушения ДНК. «Если бы кто-то мог подсказать гоминидам, где им оставлять свои остатки, то, наверное, выбрал бы именно это место»,- говорит Матиас Мейер (Matthias Meyer), молекулярный биолог из одного из Паабо института, который возглавлял данное исследование.

В декабре прошлого года команда доложила о почти 16 300 расшифрованных основ с митохондриального генома человека с Сима-де-лос-Уесос (митохондрии — структуры внутри клеток, которые вырабатывают энергию). Данная последовательность показала неожиданный связь между остатками по Сима-де-лос-Уесос и денисовцами, архаичной группой людей, которых команда Паабо обнаружила в Алтайских горах современной России — то есть за тысячи километров от этого места. Мейер и его коллеги надеются улучшить свой метод настолько, чтобы получить часть или весь геном ядра человека из Сима-де-лос-Уесос. «Такая возможность должна быть,- говорит Меер.- Я не успокоюсь, пока это не будет сделано».

Когда (не если) кто-то сможет получить геном арктической животные, похороненной в вечных снегах свыше 1 миллион лет — сейчас это исключительно вопрос времени, говорит Мейер. Однако он и Паабо хотят раздвинуть границы древнего ДНК исследования видов гоминин из более теплых мест, как остатки Homo erectus, общего предка людей и неандертальцев, найденные в Азии. Орландо добавляет, что исследователям может повезти в использовании новых технологий для исследования таких остатков, которые до сих пор вызывали неприятное чувство потери — например, из египетских мумий или Homo floresiensis, небольшой человека, которая жила по крайней мере, 18 000 лет назад и остатки которой были найдены в пещере индонезийского острова Флорес. «Это открывает нам огромное количество мест, где скрывается множество важных историй, например, страны Ближнего Востока или тропики»,- говорит ученый.
Призраки в коде

Несколько лет назад Дэвид Рейх (David Reich) нашел призрака. Рейх, генетик популяций в Гарвардской медицинской школе в Бостоне, штат Массачусетс, и его команда реконструировали историю Европы, используя геномы современных людей, когда заметили связь между северными европейцами и коренным населением Америки. Они предположили, что ныне вымершее население в северной Евразии смешивалось с предками, как европейцев, так и сибирской группы, которая впоследствии мигрировала в Америку. Рейх называет такие группы «популяциями-привидениями».

Популяции-призраки — продукт статистических моделей, и поэтому их нужно рассматривать с осторожностью, когда не хватает генетических данных от окаменелостей, говорит Карлос Бустаманте (Carlos Bustamante), популяционный генетик из Стэнфордского университета в Калифорнии. «В каких случаях мы определяем то, как артефакт статистики, а в каких — понимаем, что это настоящее биологическое событие?».

Иногда такие статистические призраки приобретают плоти. В прошлом году команда Виллерслева доложила о геном от остатков возрасте 24 000 лет, которые назвали «мальчиком со стоянки Мальта». Результаты показали, что этот мальчик, найденный в центральном Сибири, был представителем популяции, связанной с современными коренными американцами и современными европейцами, что совпадало с предсказаниями Рейха 2013). «Это выдающаяся находка»,- говорит он.

Популяции-призраки также иногда всплывают в древней ДНК. Во время анализа высококачественного генома неандертальца и денисовца, команда ученых под руководством Рейха и Монтгомери Слаткіна (Montgomery Slatkin) из Университета Калифорнии, Беркли, заметила кое-что интересное: современные африканцы из местности к югу от Сахары теснее связаны с неандертальцами, чем с денисівцями. Однако данные с других древних геномов указывают на то, что две архаичные группы имеют одинаковую связь с современными африканцами. После рассмотрения всех вариантов, ученые пришли к выводу, что, возможно, наткнулись на еще одну популяцию-призрака.

Эту головоломку можно решить, теоретизировали они, если денисовцы смешивались с определенным видом, который вышел из Африки примерно более 1 миллиона лет назад и відщепився от общего предка с людьми, неандертальцами и денисовцами. Денисовцы-потомки могли унаследовать последовательности ДНК, которых нет у современных африканцев, что объясняет, почему неандертальцы кажутся более близкими родственниками африканцев.

Команда Рейха анализирует генетические следы у людей с ДНК денисовцев, чтобы установить, когда именно денисовцы смешивались с этим странным народом — такая информация может сузить диапазон окаменелостей, которые могут ему принадлежать. Изучены в лаборатории Паабо геномы, преимущественно остатков из Симы-де-лос-Уесос, также могут дать некоторые подсказки.

Рейх — не единственный, кто ищет призраков. Крис Стрінґер (Chris Stringer), палеоантрополог из Музея естествознания в Лондоне выдвинул гипотезу, что 900 000-летний гоминин Homo antecessor, о котором мы знаем из окаменелостей, найденных вблизи от Симы-де-лос-Уесос, может быть представителем подобной популяции-призрака. Если она смешивалась с предками денисовцев и гоминин из Сима-де-лос-Уесос, то это может объяснить связь между двумя группами остатков. Чтобы проверить гипотезу нужна неуловимая ядерная ДНК из останков из Симы-де-лос-Уесос. Однако Рейх надеется, что Паабо и его команда смогут ее получить. «Они и раньше делали чудеса в своей лаборатории, поэтому им может повезти и на этот раз».
Внутренний неандерталец

«Нам не обязательно нужны кости, чтобы найти древнюю ДНК»,- говорит Джош Эки (Josh Akey), генетик популяций из Университета Вашингтона в Сиэтле. «Остатки древних ДНК могут быть в геноме современных народов».

Если популяции ранних людей скрещивались с неандертальцами и денисовцами, то их потомки должны были нести в себе короткие фрагменты ДНК архаичных людей. Такие исследователи, как Эки, начали каталогизировать эти сегменты, чтобы изучить из них биологию древних людей. В отличие от охоты за популяциями-привидениями, которая зависит от статистических популяционных моделей, такой подход позволяет исследователям определить особые области генома, полученные в результате скрещивания.

В январе независимые команды под руководством Эки и Рейха  собрали значительную часть — почти 20% и 40% соответственно — генома неандертальца из частиц, которые прятались в геноме сотен живых людей. Их исследование указывало, что некоторые европейцы и азиаты получили гены, которые участвуют в образовании кожи и волос, от неандертальцев — возможно, еще позволяло им адаптироваться к холодному климату, ибо давало толщу кожу, больше волосинок и менее пор. Однако гигантские клубы современных геномов лишены наследства неандертальцев, следовательно, многие гены неандертальцев могли оказаться губительными для современных людей. Команда Эки обнаружила одну такую область вблизи гена FOXP2, связанного с языком и речью. «Здесь чрезвычайно убедительные доказательства того, что в результате скрещивания часть исчезла»,- говорит он

Эти открытия были лишь началом. Команды Эки и Рейха обнаружили, что геном восточных азиатов имеют, в среднем, чуть больше ДНК неандертальцев, чем люди европейского происхождения. Эки считает это возможным доказательством того, что неандертальцы скрещивались с древними людьми, по крайней мере в двух случаях: один раз с предками всех евразийцев, а позже с популяцией, которая была общим предком исключительно восточных азиатов. По мнению Эки люди скорее всего имеют генетические следы и других уже вымерших видов, включительно с теми, которые скрещивались с предками людей в местности к югу от Сахары.
Древняя ДНК для массового потребителя

В течение большей части прошлых 30 лет метод PCR или чувствительности к цепи полимеразы, который используют для усиления древней ДНК, делал ее чувствительной к загрязнению. Главные игроки в отрасли часто относились к результатам аутсайдеров с подозрением, и даже некоторым из них присвоили звание «PCR-полиции». Однако в последние годы палеогеномика стала областью интереса лабораторий таких профессионалов, как Паабо, где есть экспертиза и деньги, чтобы получить и исследовать сотни окаменелостей и в результате найти те несколько, которые дадут достаточно ДНК на изучение последовательности всего генома.

Это порождает изменения. Новые процедуры означают, что теперь исследователи смогут с большой надежностью получить ДНК из большинства старых образцов, а затем секвенировать только те части генома, которые их интересуют. «Я до сих пор удивлен, что в мире на это способны только несколько лабораторий,- говорит Йоханнес Краузе (Johannes Krause), палеонтолог из Университета Тубинген, Германия, который провел большую часть работы с геномом денисовцев лаборатории Паабо.- Это не очень интересует современную науку».

Постепенно в отрасль приходят новые ученые. «Если я смог, то сможет любой»,- шутит Бустаманте. Его исследования сначала было сосредоточено на родословной современных популяций людей. Потом, несколько лет назад, ему позвонили по поводу мумии.

Международная команда секвенировала геном Оцци — тела в возрасте примерно в 5 300 лет с ледников Тирольских Альп, где его нашли в 1991 году. Исследователи спросили Бустаманте, может ли он растолковать им родословную этого человека. Объединив усилия, ученые показали, что Оцци был теснее связан с людьми, которые сейчас живут в Сардинии и Корсике, чем с жителями центральной Европы — это доказывает, что население Европы во времена его жизни сильно отличались от сегодняшних.

С того времени Бустаманте погрузился в мир древних ДНК. Его команда секвенирует образцы, по которым прослеживается график прибытия земледельцев в Болгарию, трансатлантическая работорговля и одомашнивания собак. Его группа разрабатывает инструменты, которые сделают секвенирования древних ДНК дешевле и проще. «Мы хотим демократизировать эту отрасль»,- говорит Бустаманте.

Его лаборатория все больше интересуется такими аспектами истории человечества, как зарождения сельского хозяйства или история индийского полуострова, поэтому теперь, часто оптом, анализируют остатки менее разреженные, чем дефицитные образцы неандертальцев, которые впервые привели его в эту отрасль.

В прошлом году Рейх входил в команду ученых, которая доложила об анализе митохондриальной ДНК с 364 образцов останков европейцев от 5 500 до 1 550 лет с целью определения больших сдвигов населения в Европе времен неолита. Древние геномы также позволят решить давние вопросы о том, когда и как люди одомашнили таких животных, как собаки, крупный рогатый скот и птица. Исследования 2013 года  18 митохондриальных геномов древних волков и собак, например, указало на то, что европейские охотники и собиратели одомашнили волков из популяции, которая сейчас вымерла.

Исследователи также возвращаются к вопросам, которые стали причиной возникновения этой области 30 лет назад. Приблизительно в то же время, когда команда Орландо начала секвенировать геном 700 000-летнего коня, вниманию ученых попал и другой, гораздо моложе образец ткани квагги.
Попытка секвенировать полный геном квагги — часть проекта, призванного понять эволюционную взаимодействие между живыми и вымершими лошадьми, зебрами и ослами, а также выявить генетическую подоплеку определенных черт. «Я думал, что классно будет исследовать и самый старый образец, и самый первый, от которого начались все исследование древних ДНК,- говорит Орландо.- Это показывает, насколько сильно развилась наша отрасль за это время».

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники

Добавить комментарий