ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 85, № 10, с. 879-884
== ДОКЛАДЫ ЛАУРЕАТОВ БОЛЬШОЙ ЗОЛОТОЙ МЕДАЛИ
ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК 2014 ГОДА
Б01: 10.7868/80869587315100102
ГЕНОМЫ ДРЕВНИХ ГОМИНИН ИЗ СИБИРИ
С. Паабо
Геном человека заключён в хромосомах, присутствующих почти во всех клетках нашего тела. Он состоит примерно из 3.2 млрд. нуклеотидов. Когда клетки реплицируются при формировании зародышевой клетки, которая передаёт биологическую информацию будущим поколениям, происходят мутации. В результате этих мутаций в каждой рождённой особи появляются от 50 до 200 новых замещений. Эти замещения постепенно накапливаются в геноме, и в результате два человеческих генома сегодня отличаются примерно на один нуклеотид из тысячи. Разница между геномом человека и шимпанзе проявляется примерно на один нуклеотид из сотни. Кроме того, двойная последовательность ДНК различается между особями и между видами.
Место каждого нуклеотида в геноме имеет свою историю, которую можно в принципе проследить в предыдущих поколениях и представить в виде дерева, показывающего общих предков для индивидуумов, имеющих одинаковые нуклеоти-ды в определённом месте в последовательности генома. Однако реально проследить историю одного нуклеотида невозможно. Поэтому обычно исследуют среднюю историю некоторого сегмента генома или всего генома и представляют это в виде дерева, показывающего усреднённую картину того, как связаны большинство участков в сегменте ДНК или геноме, для которых была определена последовательность нуклеотидов.
До недавнего времени последовательность ДНК и вся геномная последовательность опреде-
ПААБО Сванте — профессор, директор Департамента эволюционной антропологии Института эволюционной антропологии Общества Макса Планка (Лейпциг, Германия). paabo@eva.mpg.de
лялась только для современных людей, поскольку ДНК можно было выделить в хорошем состоянии лишь из свежих тканей. Такая ситуация не могла не разочаровывать тех, кто занимается изучением эволюции, потому что это непрямой путь исследования прошлого. Он позволяет лишь оценивать, как могли бы выглядеть общие предки, на основании анализа последовательностей ДНК, зафиксированных у живущих сегодня людей, и применения наилучших из имеющихся моделей, показывающих, как накапливаются мутации. Подтверждение таких оценок, кроме того, связано с большим количеством неточностей, в частности, порождаемых выбранной моделью. Уже 30 лет наша лаборатория в Институте эволюционной антропологии им. М. Планка в Лейпциге разрабатывает методы, которые позволили бы преодолеть эту "временную ловушку" путём прямого обращения к прошлому, а именно благодаря выделению последовательностей ДНК из археологических и палеонтологических остатков. Хорошо сохранившиеся ткани находят очень редко, а прямых предков существующих сегодня организмов почти нет. Однако этот подход открывает перед нами новые исследовательские перспективы, потому что даёт возможность определять последовательности ДНК прошлых популяций и вымерших видов.
При рассмотрении эволюционных процессов особый интерес представляют ближайшие родственники всех ныне живущих людей — неандертальцы. Эта грубая форма гоминин появилась в Европе и западной части Азии примерно между 300 и 400 тыс. лет назад и исчезла между 30 и 40 тыс. лет назад. Споры о родстве между неандертальцами и людьми современного типа и о том, что происходило, когда они встречались, длятся десятилетиями. Согласно одному из предположений, люди современного вида вытеснили неандертальцев без скрещивания. В таком случае вклад неандертальцев в генетическое разнообразие живущих ныне людей равнялся бы нулю. По другой гипотезе, неандертальцы были непосредственными предками европейцев. Если гипотеза верна, генетический вклад неандертальцев
в геном современных народов Европы должен был бы приближаться к 100%. Очевидно, возможны также и все другие степени генетического вклада неандертальцев в геном человека современного вида — между 0% и 100%.
На основании археологических и палеонтологических данных предлагались гипотезы и модели, описывающие различную степень участия неандертальцев в появлении современных европейцев. Первая возможность непосредственно проверить эти гипотезы представилась в середине 1990-х годов, когда нам выпал шанс провести анализ костей неандертальца, которые были найдены в 1856 г. в долине реки Неандерталь в Германии, по которой и была названа эта группа го-минин. В то время мы могли опираться на 10-летний опыт развития техники выделения и расширения небольших количеств ДНК от древних остатков пещерных медведей, мамонтов и других позднеплейстоценовых животных [1]. Мы работали с митохондриальной ДНК (мтДНК), сотни и даже тысячи копий которой содержатся в каждой клетке, что делает выделение мтДНК более лёгким, чем выделение любого определённого участка ядерного генома. Мы воссоздали наиболее изменчивую часть мтДНК и оценили полученные филогенетические деревья в целях воссоздания истории мтДНК неандертальца и ныне живущих людей. В отличие от ядерного генома мтДНК наследуется как один целый элемент от матери к её потомству без каких-либо рекомбинаций. Следовательно, филогенетическое дерево, построенное по мтДНК, представляет не среднюю историю, но прямое наследие рассматриваемой мтДНК по материнской линии.
Полученные графики, с одной стороны, показали то, что уже было известно: мтДНК всех людей, живущих сегодня на Земле, сходятся к одному общему предку, жившему примерно 200— 100 тыс. лет назад. С другой стороны, согласно этим графикам-деревьям, линии мтДНК неандертальца сходятся к гораздо более удалённой точке в прошлом и имеют с мтДНК современных людей общего предка, жившего около 0.5 млн. лет назад [2]. После этого в нашей и ещё ряде лабораторий были выделены последовательности мтДНК других неандертальцев. Все они не попадали в область вариаций ныне живущих людей. Таким образом, в 1997 г. модель полного замещения по мтДНК свидетельствовала в пользу того, что ни один человек сегодня не несёт мтДНК, полученную от неандертальца.
Митохондриальная ДНК представляет собой только малую часть нашего генома, поэтому, чтобы получить полную картину генетической истории, необходимо исследовать ядерный геном. В начале 2000-х годов благодаря новым технологиям, позволяющим выделять последовательности миллионов ДНК молекул, достаточно быстро
и при сравнительно небольших финансовых затратах стало возможным приступить к выделению генома из древних организмов. Возглавляемой мной лаборатории повезло получить от Общества Макса Планка пятилетнее финансирование работ по совершенствованию техники выделения ДНК из древних костей и созданию библиотек ДНК, которые применяются для высокопроизводительных процедур секвенирования. Мы приступили к изучению костей из многих археологических памятников Европы и нашли те, которые содержали относительно большие количества ДНК неандертальца.
Главным местом поисков стал памятник в Хорватии. Были выбраны три кости от разных особей, выделено более 1 млрд. коротких фрагментов последовательностей ДНК. Мы разработали компьютерные алгоритмы, позволяющие сравнивать и подставлять эти короткие фрагменты к геному человека, учитывая те искажения, которые произошли в течение десятков тысяч лет в результате химических процессов, влияющих на кости. Только небольшой процент всех полученных последовательностей принадлежал неандертальцам. Тем не менее в 2010 г. мы представили примерно 3 млрд. нуклеотидов неандертальца, для которых смогли найти места в геноме современного человека. Эти фрагменты ДНК вместе покрывали примерно 55% тех частей генома неандертальца, которым соответствовали короткие фрагменты [3]. Полученного результата было достаточно, чтобы задаться вопросом: какие генетические взаимодействия могли происходить при встрече людей современного вида и неандертальцев?
Если неандертальцы не сделали никакого генетического вклада в геном современных людей, геном неандертальца был бы одинаково далёк от геномов африканцев, европейцев и любых других ныне живущих популяций. Наоборот, если ныне живущие европейцы несут ДНК, унаследованную от неандертальцев, европейский геном будет содержать меньше различий с неандертальским, чем африканский, так как неандертальцы никогда не были в Африке. Для проверки этой гипотезы мы секвенировали геномы пяти ныне живущих человек и определили те позиции, по которым два генома отличаются друг от друга. Затем мы посмотрели, насколько часто в этих позициях неандертальский геном несёт вариацию, которую мы наблюдаем у одного нашего современника, и как часто — вариацию, наблюдаемую у другого. Такой метод подсчёта соответствий с парами геномов наших современников оказался необходим, поскольку качество неандертальского генома было столь низким, что мы не могли доверять вариациям, наблюдаемым только в неандертальском геноме и ненаблюдаемым в современном. Когда мы сравнивали между собой два африканских генома, вариации, совпадающие с неандер-
ГЕНОМЫ ДРЕВНИХ ГОМИНИН ИЗ СИБИРИ
881
тальским геномом, встречались одинаково часто. Это было предсказуемо, поскольку у нас не было причин ожидать вклада неандертальской ДНК в геном предков любого из африканцев. Сравнение геномов европейца и африканца с геномом неандертальца показало статистически значительно более близкое соответствие неандертальского генома и генома европейца. Отсюда следовало, что неандерталец передал свою ДНК предкам европейцев. При аналогичном сравнении с геномом африканца генома человека, живущего в Китае или Папуа — Новой Гвинее, обнаружилось, что геном неафриканского населения имеет в среднем больше сходств с неандертальским геномом, чем с геномом жителей Африки. Это было удивительно, ведь неандертальцы, скорее всего, никогда не бывали в Китае и определённо не бывали в Новой Гвинее.
Чтобы объяснить, как такое могло случиться, мы предложили гипотезу, подтверждённую результатами работ нашей и других исследовательских групп: неандертальцы встретились и смешались с людьми современного вида, ставшими предками всех живущих ныне людей, за пределами Африк
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.