Прочтен ядерный геном человека из Денисовой пещеры

Отсеквенирован ядерный геном девочки, оставившей фалангу своего мизинца в Денисовой пещере на Алтае 30–50 тысяч лет назад. Подтвердился вывод, сделанный в марте на основе анализа митохондриального генома того же индивидуума: «денисовцы» представляли собой особую расу или вид, отличный от сапиенсов и неандертальцев. Новые данные показали, что денисовцы были генетически ближе к неандертальцам, однако скрещивались и с сапиенсами, а их гены сохранились в современном человечестве. Больше всего денисовских генов обнаружено у жителей Меланезии, заселенной сапиенсами около 45 тысяч лет назад.

В заметке Человек из Денисовой пещеры оказался не сапиенсом и не неандертальцем (Элементы, 27.03.2010) мы подробно рассказали о Денисовой пещере и о том слое пещерных отложений, в котором в 2008 году была сделана уникальная находка — фаланга мизинца человеческого ребенка, жившего здесь 30–50 тысяч лет назад. Всего 9 месяцев прошло с момента публикации статьи о митохондриальном геноме денисовца, и вот уже журнал Nature публикует отчет исследователей о новом блестящем достижении — секвенировании ядерного генома загадочного обитателя алтайской пещеры.

Анализ денисовского митохондриального генома показал, что последняя общая праматерь денисовцев, сапиенсов и неандертальцев по непрерывной женской линии жила около 1 млн лет назад. Последняя общая митохондриальная праматерь сапиенсов и неандертальцев жила много позже — 500 тысяч лет назад. «Митохондриальная Ева» современных сапиенсов жила около 150–200 тысяч лет назад. Аналогичная «Ева» поздних неандертальцев (всех, чьи мтДНК отсеквенированы к сегодняшнему дню), жила всего лишь 100 тысяч лет назад. Молодой возраст неандертальской «митохондриальной Евы» указывает на период резкого сокращения численности — «бутылочное горлышко» в истории неандертальской популяции, когда многие митохондриальные линии были утрачены.

Однако необходимо помнить, что мтДНК — лишь малая часть генома, передающаяся строго по женской линии и в большой степени подверженная случайным перипетиям генетического дрейфа (см.: Древнейшая история человечества пересмотрена, «Элементы», 02.03.2006). Установление времени жизни «митохондриальных Ев» — лишь первый шаг к пониманию подлинных генеалогий. Анализ ядерных геномов позволяет получить гораздо более точную реконструкцию истории и родственных взаимоотношений наших предков и их вымерших родственников.

Прочтение ядерного генома неандертальца позволило установить, что наши популяции реально разделились 270–440 тысяч лет назад, то есть заметно позже времени жизни нашей с неандертальцами «Евы» (500 тысяч лет). Впрочем, «Ева» и должна быть старше момента разделения популяций. Чтобы понять, почему это так, можно нарисовать хаотически ветвящееся дерево, произвольно разделить верхнюю часть его кроны вертикальной линией, а потом найти трех «Ев» (точки схождения концевых ветвей) для каждой из половинок кроны и для обеих половин вместе.

Работа проводилась в Институте эволюционной антропологии им. Макса Планка в Лейпциге — там же, где был прочтен полный геном неандертальца и митохондриальный геном денисовца. Авторы имеют немалый опыт работы с древней ДНК, и с каждым новым проектом качество работы повышается. На этот раз они использовали важную новую хитрость. При помощи ферментов урацил-ДНК-гликозилазы и эндонуклеазы VIII они аккуратно удаляли из фрагментов древней ДНК поврежденные временем кусочки, в которых цитозины превратились в урацилы. В итоге количество ошибок в прочтенном геноме сократилось на порядок по сравнению с геномом неандертальца.

Авторам немало помогло то обстоятельство, что древняя человеческая ДНК в денисовской фаланге удивительно хорошо сохранилась. В большинстве неандертальских костей ДНК неандертальца составляет менее 1%, всё остальное — бактериальные загрязнения. В косточке из Денисовой пещеры доля древней человеческой ДНК составляет около 70%. Средняя длина сохранившихся фрагментов ДНК (60–75 п.н., пар нуклеотидов) тоже выше, чем в наиболее хорошо сохранившихся неандертальских костях (обычно не более 50 п.н.)

Как обычно, было сделано всё возможное, чтобы не допустить попадания в пробы современной человеческой ДНК. Для проверки эффективности принятых мер использовали три метода. Пробы проверили на наличие митохондриальной ДНК H. sapiens, на присутствие фрагментов Y-хромосомы (в ходе этого анализа стало ясно, что денисовец был девочкой), кроме того, в двух независимо полученных «библиотеках» отсеквенированных фрагментов денисовской ДНК сравнили соотношение «примитивных» (как у общего предка с шимпанзе) и «продвинутых» (как у сапиенсов) нуклеотидных позиций. Все тесты показали, что уровень загрязнения проб фрагментами современной ДНК находится в пределах десятых долей процента. Общая длина прочтенных кусочков ядерной ДНК — 5,2 млрд нуклеотидов, что в 1,9 раза больше длины всего генома. Однако многие фрагменты повторяются, и весь геном целиком они не покрывают (как и в случае с геномом неандертальца).

Детальное сравнение денисовского генома с геномами сапиенсов, шимпанзе и неандертальцев (авторы отсеквенировали фрагменты ядерных геномов неандертальцев из России, Испании и Германии в дополнение к «главному» хорватскому геному) позволило уточнить генеалогию исследованных популяций. Выяснилось, что денисовцы всё-таки ближе к неандертальцам, чем к сапиенсам. Сначала разделились предки сапиенсов и двух других популяций, а немного позже предки денисовцев отделились от предков неандертальцев. Уже после этого второго разделения неандертальцы испытали резкое сокращение численности («бутылочное горлышко»), которое привело к сильному сокращению генетического разнообразия неандертальской популяции. Поэтому поздние неандертальцы генетически намного менее разнообразны, чем современные люди. В этот период многие аллели и митохондриальные гаплотипы были потеряны неандертальцами, в том числе, возможно, были утрачены и варианты митохондриальной ДНК, близкие к «денисовскому».

Имеющихся данных недостаточно, чтобы дать однозначный ответ на вопрос, почему по мтДНК денисовский человек сильнее отличается от неандертальцев и сапиенсов, чем по ядерному геному. Одно из двух: либо варианты мтДНК, близкие к денисовскому, случайно потерялись в результате дрейфа в популяциях неандертальцев и сапиенсов, либо девочка из Денисовой пещеры получила свою архаичную мтДНК в результате эпизодического скрещивания ее предков с какими-то другими представителями человеческого рода — с поздними эректусами, например, или с гейдельбержцами.

Прочтение неандертальского генома показало, что вскоре после выхода из Африки сапиенсы скрещивались с неандертальцами в Передней Азии. В дальнейшем интенсивной гибридизации, по-видимому, не было, но неандертальские гены успели проникнуть в наш генофонд и распространились по всей Азии и Европе в ходе последующего расселения сапиенсов. Поэтому 1–4% генов современных азиатов и европейцев имеют неандертальское происхождение. Чистокровными сапиенсами оказались только африканцы, живущие к югу от Сахары.

Нет ли в нас также и примеси денисовской крови? Для ответа на этот вопрос авторы использовали методики, сходные с теми, которые ранее позволили показать присутствие неандертальских генов у современных азиатов и европейцев и их отсутствие у африканцев. В частности, рассматривались нуклеотидные позиции, в которых у француза или китайца стоит один нуклеотид, у африканца — другой, у шимпанзе присутствует один из этих двух вариантов, а у архаичного человека (денисовца или неандертальца) — другой. По таким позициям неандертальские геномы оказываются сходны с французским в среднем на 4,6±0,7% чаще, чем с геномом йоруба. Это как раз и показывает, что у француза есть неандертальские гены. Однако денисовский геном оказывается сходен с французским лишь на 1,8±0,5% чаще, чем с йоруба, и примерно такие же цифры были получены для других комбинаций (француз и сан, китаец и йоруба, китаец и сан). Это значит, что если евразийские геномы и содержат какую-то денисовскую примесь, то она невелика по сравнению с неандертальской. Для объяснения этой небольшой денисовской примеси даже не требуется привлекать гипотезу о непосредственном скрещивании сапиенсов с денисовцами. «Денисовские» гены в принципе могли быть получены евразийскими сапиенсами через посредничество неандертальцев в ходе того же самого периода гибридизации в Передней Азии около 80 тысяч лет назад.

Интересный и неожиданный результат был получен, когда авторы сравнили денисовский геном с данными по 938 современным людям из 53 разных народов со всех концов света. У этих людей не секвенировались полные геномы, а только определялось аллельное состояние 642 690 полиморфных однонуклеотидных локусов (SNPs). Этих данных оказалось достаточно, чтобы обнаружить примесь денисовских генов у современного населения Меланезии, включая Новую Гвинею. У других современных человеческих популяций подобных примесей не обнаружено.

Новые данные позволили уточнить вклад неандертальцев в геномы современных евразийцев. Геномы жителей Евразии, по новым оценкам, содержат 2,5±0,6% неандертальских генов (что не противоречит опубликованным ранее цифрам 1–4%), а геномы меланезийцев вдобавок к неандертальским имеют еще 4,8±0,5% денисовских генов.

Кроме фаланги мизинца, в Денисовой пещере в том же 11-м слое был найден почти целый человеческий коренной зуб. Это то ли второй, то ли третий верхний левый моляр, и самое необычное в нём — его большой размер. Если это третий моляр (зуб мудрости), то он больше, чем у всех известных ископаемых представителей человеческого рода, за исключением H. habilis и H. rudolfensis. Если это второй моляр, то он кое-как укладывается в диапазон изменчивости H. erectus. Зуб не имеет специфических неандертальских признаков, которые заметны уже у предполагаемых предков неандертальцев, живших в Атапуэрке (Испания) между 350 и 600 тысячами лет назад.

Авторам удалось выделить из зуба ДНК и отсеквенировать митохондриальный геном. Он оказался почти таким же, как в фаланге мизинца, не считая пары нуклеотидных замен. Зуб принадлежит молодому, но всё же взрослому человеку, фаланга — ребенку, из чего следует, что появление денисовцев в пещере в ту эпоху не было случайным событием. Похоже, эти неведомые люди действительно жили в Денисовой пещере. Может быть, это они, а не до сих пор не найденные здесь сапиенсы, изготовили сложные верхнепалеолитические орудия, изобилующие в 11-м слое? (Подробнее об этих орудиях см. в заметке Человек из Денисовой пещеры оказался не сапиенсом и не неандертальцем.) Впрочем, авторы отмечают, что артефакты 11-го слоя, возможно, происходят из двух разных эпох. Не исключено, что пещерные отложения подверглись перемешиванию. В таком случае зуб и мизинец, вероятно, относятся к более древней эпохе (около 50 тысяч лет назад), а верхнепалеолитические артефакты — к более поздней. Если так, их изготовителями, наверное, были всё-таки сапиенсы, поселившиеся здесь позже, но не оставившие археологам ни зубов, ни мизинцев. Денисовцы же довольствовались среднепалеолитическими (мустьерскими) технологиями.

Будем надеяться, что новые археологические находки помогут нам узнать больше о странных родичах неандертальцев с архаичными зубами и митохондриями, оставивших заметный след в генофонде современного человечества.

Все новости