научная статья по теме ДРЕВНЯЯ ДНК: ИТОГИ И ПЕРСПЕКТИВЫ (К 30-ЛЕТИЮ НАЧАЛА ИССЛЕДОВАНИЙ) Биология

Текст научной статьи на тему «ДРЕВНЯЯ ДНК: ИТОГИ И ПЕРСПЕКТИВЫ (К 30-ЛЕТИЮ НАЧАЛА ИССЛЕДОВАНИЙ)»

ГЕНЕТИКА, 2015, том 51, № 6, с. 627-643

ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ

УДК 575.1

ДРЕВНЯЯ ДНК: ИТОГИ И ПЕРСПЕКТИВЫ (К 30-ЛЕТИЮ НАЧАЛА ИССЛЕДОВАНИЙ)

© 2015 г. А. С. Дружкова, Н. В. Воробьева, В. А. Трифонов, А. С. Графодатский

Институт молекулярной и клеточной биологии Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск 630090 e-mail: graf@mcb.nsc.ru Новосибирский государственный университет, Новосибирск 630090 Поступила в редакцию 15.10.2014 г.

Эволюционная генетика вышла на новый уровень исследований благодаря возможности изучать геномы не только современных, но и древних организмов. Получение достоверных данных при работе с древней ДНК возможно только благодаря междисциплинарному взаимодействию археологов, палеонтологов, молекулярных генетиков и биоинформатиков. Несмотря на трудоемкость и дороговизну работ, результаты не перестают удивлять и позволяют не только заполнить пробелы в знании эволюционной истории различных видов, но и пересмотреть существующие представления о формировании и динамике популяций. В настоящем обзоре мы рассматриваем историю развития методов работы с древней ДНК и наиболее яркие результаты этих исследований, включая самые последние достижения.

DOI: 10.7868/S0016675815060041

Древней ДНК (ancient DNA, аДНК) называют ДНК, выделенную из археологических, палеонтологических и музейных образцов. Чаще всего это костные остатки, зубы, мумифицированные ткани, но также могут быть шерсть, перья, скорлупа яиц, зерна растений, окаменелые стволы деревьев и морские раковины. Сложность работы с аДНК обусловлена крайне низким содержанием эндогенной ДНК на фоне контаминаций ДНК древними и современными микроорганизмами, деградацией ДНК и химической модификацией оснований, приводящей к ошибкам считывания последовательности нуклеотидов. Поэтому исследования по древней ДНК тесно связаны с методологическими достижениями, решающими специфичные для этой области технические проблемы. Изучение древней ДНК является одним из методов палеогенетики — молодой и динамично развивающейся области науки на стыке молекулярной эволюционной биологии, археологии и палеонтологии. Сегодня палеогенетики восстанавливают последовательности ДНК непосредственно из палеонтологических образцов, реконструируют структуру геномов и популяций в прошлом. Несмотря на первоначальное недоверие к результатам исследования древней ДНК, на сегодняшний день результаты палеогенетики считаются вполне надежными в связи с недавними методологическими достижениями. Серия крупномасштабных исследований показала истинный потенциал древних образцов ДНК для изучения процессов эволюции, проверки моделей и гипотез, использу-

ющихся для изучения хода эволюции и анализа популяционной генетики и палеоэкологических изменений. Последние достижения в области се-квенирования ДНК на платформах нового поколения дали возможность наиболее полно восстанавливать структуру геномов археологических и палеонтологических образцов. Данная информация позволяет нам изучить генетическое родство между вымершими и современными популяциями и видами.

ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ДРЕВНЕЙ ДНК: ВЫДЕЛЕНИЕ КОРОТКИХ ФРАГМЕНТОВ ДРЕВНИХ ГЕНОМОВ

Работы с древней ДНК начались более 30 лет назад, когда Расселл Хигучи и его коллеги из Беркли выделили аДНК из музейного образца квагги (южно-африканской лошади Едыыз quagga quagga), хранившегося более 150 лет, и установили, что квагги филогенетически более близки зебрам, чем лошадям [1]. В течение последующих двух лет Сванте Пээбо с соавт. [2—4] изучили аДНК мумифицированных образцов человека, имеющих возраст несколько тысяч лет. На начальных этапах исследования аДНК сильно замедлялись из-за трудоемкости и низкой эффективности методик амплификации ДНК (клонирование отдельных последовательностей в прокариотических векторах). Открытие полиме-разной цепной реакции (ПЦР) обеспечило настоящий прорыв в палеогенетике [5]. Многократное

увеличение числа копий фрагментов ДНК in vitro со следовых количеств ДНК-матрицы позволило получать надежное и воспроизводимое секвени-рование древних генетических маркеров, что привело к быстрому росту и диверсификации исследований древней ДНК [6]. Однако в связи с высокой чувствительностью ПЦР-методики контаминации современной ДНК стали ключевой проблемой.

Публикации ряда работ по выделению аДНК из динозавра, растений [7, 8] и бактерий [9] возрастом 400—600 тыс. лет вызвали недоверие ко всем исследованиям ДНК из древних образцов. В ведущих лабораториях был разработан протокол аутентичности, выполнение которого считается обязательным при работе с древней ДНК [10—12].

Почти во всех случаях размер выделенных фрагментов аДНК не превышал 100—500 нуклео-тидов. Количество выделенной ДНК обычно настолько мало, что не поддается спектрофотомет-рической оценке и в зависимости от образца варьирует практически от 0 до 200 мкг на 1 г сухой ткани [6]. Низкое количество и высокая степень деградации аДНК являются основными причинами того, что почти все исследования базировались либо на рибосомной ДНК (с копийностью около 100 на клетку), либо на мтДНК (100—1000 митохондрий на клетку). Поскольку митохондриаль-ный геном наследуется по материнской линии и не подвергается рекомбинации, мутации мтДНК передаются из поколения в поколение клонально и могут использоваться для отслеживания материнских линий. Благодаря этим характеристикам мтДНК успешно используется в исследованиях по реконструкции филогенетических связей между существующими и вымершими видами.

Традиционная методика работы с древними образцами состоит из следующих стадий:

1) ПЦР-амплификации нескольких коротких и перекрывающихся целевых последовательностей;

2) клонирование и секвенирование нескольких клонов (для исключения последовательностей, подвергшихся дезаминированию и апури-низации);

3) выравнивание и сравнение последовательностей из разных клонов и разных перекрывающихся фрагментов для реконструкции окончательной консенсусной последовательности всей целевой области.

В результате таких исследований были определены последовательности нуклеотидов коротких фрагментов аДНК (в основном митохондриаль-ной) у десятков предков современных животных и примерно у 20 вымерших видов позвоночных из разных таксонов.

Среди вымерших видов следует отметить такие: австралийский сумчатый волк [13, 14], новозеландские моа [15], американский земляной ле-

нивец [16], эндемичный гавайский гусь [17], пещерный медведь [18], пещерные козы Балеарских островов [19], гигантский лемур [20], каспийский тигр [21], квагга [1], саблезубый тигр, мамонт, голубая антилопа, зубр, мастодонт, новозеландская лысуха, новозеландский дрозд, стеллерова корова, неандерталец, быстроногая свинья, моа-нано и др. [11]. Это дало широкие возможности для изучения филогенетических взаимоотношений вымерших и современных видов. Например, было показано, что по мтДНК австралийский сумчатый волк гораздо ближе к другим сумчатым Австралии, чем к хищным сумчатым Южной Америки. Видимо, некоторые морфологические признаки, общие для сумчатого волка и сумчатых южноамериканских хищников, независимо эволюционировали на двух континентах [13, 14]. Первые результаты по полной реконструкции митохондриального генома были получены Купером с соавт. [15]: они восстановили митохондриальную ДНК (мтДНК) у двух видов вымерших птиц моа из Новой Зеландии (16 500 пн) и показали, что моа гораздо ближе к летающим птицам Австралии, чем к новозеландской птице киви.

Популяционные исследования

Достаточная сохранность множества особей одного вида, живших в одном месте, позволяет проводить с древней ДНК популяционные исследования. Первым примером такого подхода является исследование трех популяций кенгуровой крысы в Калифорнии, которые были собраны зоологами в первой половине прошлого века. Сравнение современных популяций того же региона показало, что генетическое разнообразие линий мтДНК имеет характерную географическую структуру в ненарушенных природных системах

[22]. Более поздние исследования, проведенные на домовых мышах, отобранных в Чикаго (США), показали, что в этой группе в течение последних 150 лет произошли замены в мтДНК, вероятно связанные с влиянием деятельности человека

[23]. Аналогичные исследования проследили по-пуляционную историю многих других видов: кроликов [24], сусликов [25], черноногих хорьков [26], каланов [27], медведей гризли [28], евроазиатских красных белок [29], псовых [30], пингвинов [31], арктических лис [32], шерстистых мамонтов [33], пещерных и гигантских короткомор-дых медведей [34], непарнокопытных [35], тасманийских олуш [36], перепелов [37], сибирских косуль [38] и т.д.

Проблема сохранности древней ДНК

Большинство палеогенетических работ основаны на анализе ДНК из костных образцов животных возрастом около 7—13 тыс. лет. Теоретиче-

ские расчеты показывают, что для деградации ДНК до размера 100—500 нуклеотидов требуется не более 10 тыс. лет при температуре умеренного климата и не более 100 тыс. лет в холодных условиях [39, 40]. Работы с образцами из вечной мерзлоты показывают высокую степень сохранности ДНК. Так, из останков пингвина возрастом около 7000 лет с помощью ПЦР были получены фрагменты до 1600 пн [41]. Известны работы с костными образцами мамонта возрастом 50 тыс. лет [42], а также с бизоном, жившим около 65 тыс. лет назад [43]. Неудивительно, что остатки из вечной мерзлоты стали источниками самых древних на сегодня образцов аДНК: так, короткие фрагменты ДНК растений и беспозвоночных были получены из глубоких слоев ледника Гренландии возрастом около 800 тыс. лет [44], а недавно были опубликованы данные о почти полном геноме древней лошади из среднего плейстоцена возрастом около 700 тыс. лет [45]. Вне вечной мерзлоты возрастной рекорд принадлежит пещерным медведям из 400- и 450-тыс. летних образцов; причем исследователям удалось реконструировать из отдельных фрагментов полный митохондриальный геном [46, 47]. Такие условия, как быстрое обезвоживание и высокая солевая концентрация, также могут обеспечивать хорошую сохранность ДНК [48]. Однако считается, что даже при абсолютно идеальных условиях ДНК не може

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком