Люди из Ямы Костей в свете палеогенетики
Методы палеогенетических исследований развиваются с поразительной скоростью. Был момент, когда казалось, что уж до костей старше 100 тыс. лет палеогенетика точно никогда не доберется. Но буквально через пару лет после публикации первых ядерных геномов древних людей
[8] этот рубеж остался далеко позади. Были описаны фрагменты ДНК животных и растений из вечной мерзлоты возрастом до 800 тыс. лет и даже полный ядерный геном ископаемой лошади возрастом 560–780 тыс. лет, тоже из вечной мерзлоты (Orlando et al., 2013). Что ж, в вечном холодильнике органические остатки любой природы должны сохраняться лучше, чем без холодильника. Но что касается тех мест, где нет вечного льда, то там сохранение стотысячелетней ДНК все равно казалось делом безнадежным. Казалось – но недолго.
В сентябре 2013 года был опубликован полный митохондриальный геном пещерного медведя из Сима-де-лос-Уэсос, жившего около 400 тыс. лет назад (Dabney et al., 2013). Испания – это вам не вечные льды Северной Сибири. Пришлось признать, что ДНК способна сохраняться сотни тысячелетий не только в вечной мерзлоте.
Конечно, такая сохранность возможна только в некоторых уникальных местонахождениях. Сима-де-лос-Уэсос – участок разветвленной карстовой пещеры, расположенный на глубине 30 метров под поверхностью земли и в 500 метрах от ближайшего выхода. Там всегда держится постоянная температура 10,6°C и почти стопроцентная влажность. Почему в этой пещере в костях так хорошо сохранилась ДНК – интригующая загадка. Бактерий в костях достаточно, их окаменевшие остатки хорошо видны в полостях и на поверхности костной ткани. Так что дело не в пониженной активности бактерий-деструкторов. Хорошо бы ответ нашелся, ведь он сулит ясное направление для будущих поисков древней ДНК.
Но вернемся к человеческим костям из Сима-де-лос-Уэсос. Как мы помним, ископаемых людей из этой пещеры, живших 430 тыс. лет назад, традиционно относили к виду Homo heidelbergensis. Предполагается, что от разных популяций этого вида, широко расселившегося по Старому Свету, произошли три поздних и самых развитых в культурном плане вида Homo: сапиенсы в Африке, неандертальцы в Европе и денисовцы в Азии. В строении черепов испанской популяции, как говорилось выше, есть типичные неандертальские признаки, а по строению лицевой части черепа это вообще, можно сказать, неандертальцы. Так что по своей морфологии, как и по времени жизни, люди из Сима-де-лос-Уэсос – превосходные кандидаты на роль неандертальских предков. Но что скажет палеогенетика?
В декабре 2013 года археологи и палеогенетики из Испании и Германии сообщили об успешной реконструкции почти полного митохондриального генома одного из представителей этой древней популяции. Для этого пришлось преодолеть множество трудностей и придумать новые методы очистки и анализа крошечных фрагментов ДНК, сохранившихся в костях (Meyer et al., 2013).
ДНК извлекли из бедренной кости, причем для получения достаточного количества генетического материала пришлось израсходовать почти два грамма кости. Это очень много, если учесть, что в каждой клетке присутствуют сотни экземпляров митохондриальной ДНК. Но главная трудность заключалась не в малочисленности сохранившихся кусочков генома, а в сильной загрязненности образцов фрагментами ДНК современного человека. Как-никак кости были выкопаны еще в 1990-е годы, и все это время с ними работали разные люди – брали в руки, раскладывали на своих грязных столах посреди чашек с кофе… Было бы странно, если бы в образцах после этого не оказалось современной человеческой ДНК. Как отличить ее от древней? Это вам не ДНК пещерного медведя, которую никак не спутаешь с человеческой, не говоря уже о том, что современные медведи редко заходят в лаборатории, загрязняя все вокруг своим генетическим материалом.
Чтобы отделить кусочки ДНК древнего человека от позднейших загрязнений, ученые применили несколько хитроумных “фильтров”. Во-первых, отбросили участки длиной свыше 45 нуклеотидов – маловероятно, что столь длинные фрагменты могли сохраняться так долго. Во-вторых, воспользовались тем обстоятельством, что однонитевые концы обрывков древней ДНК со временем накапливают характерные посмертные мутации. А именно: цитозин превращается в урацил в результате спонтанного дезаминирования. При секвенировании урацил прочитывается как тимин, давая в результате повышенную долю тиминов на концах последовательностей. Поэтому высокую долю замен Ц → Т ближе к концам фрагмента можно считать его “сертификатом подлинности”. Каждый обрывок сравнивали с человеческим митохондриальным геномом и, если оказывалось, что на концах обрывка слишком мало цитозинов заменилось тиминами, его не учитывали при реконструкции.
В качестве эталона для вылавливания фрагментов митохондриального генома сначала использовали мтДНК современного человека. Однако довольно быстро ученые заметили, что прочитываемые кусочки древней ДНК точнее всего совпадают с митохондриальным геномом не сапиенса и не неандертальца, а (сюрприз!) денисовского человека. После этого наряду с сапиентными образцами при сравнении стали использовать также и денисовские. По-разному комбинируя методы и критерии отбора данных, исследователи в итоге собрали три немного различающиеся реконструкции митохондриального генома древнего человека из Сима-де-лос-Уэсос. В самом полном из вариантов удалось восстановить 16 302 нуклеотидные позиции, что составляет 98 % митохондриального генома.
Изучение всех трех получившихся вариантов уверенно подтвердило неожиданный и удивительный вывод, что человек из Сима-де-лос-Уэсос по своей митохондриальной ДНК ближе к азиатским денисовцам, чем к неандертальцам и сапиенсам (рис. 3.1). Иными словами, денисовцы являются его ближайшими родственниками по прямой материнской линии.
Между тем, как уже говорилось, морфология и география свидетельствуют в пользу того, что кости из Сима-де-лос-Уэсос принадлежат предкам неандертальцев.
Как объяснить этот странный результат? Можно, конечно, предположить, что гейдельбергские люди из Сима-де-лос-Уэсос на самом деле являются близкой родней денисовцев, а к неандертальцам не имеют прямого отношения. Но такой вариант маловероятен – для этого пришлось бы допустить и параллельное появление неандертальских черт у неродственных групп европейцев, и проживание настоящих предков неандертальцев с родственниками денисовцев на одной территории без скрещивания (иначе в неандертальских геномах была бы куча денисовских примесей). Есть ли более правдоподобное объяснение?
Во-первых, нельзя забывать, что мтДНК сама по себе не дает полного и адекватного представления о родственных связях. Для этого нужно отсеквенировать ядерный геном. Митохондриальная ДНК передается только по материнской линии и размножается клонально, не участвуя в половом процессе и не рекомбинируя, то есть не обмениваясь гомологичными участками. В силу этих особенностей на эволюцию митохондриального генома сильнейшее влияние оказывает генетический дрейф, то есть случайные колебания частот встречаемости тех или иных аллелей (в данном случае – вариантов мтДНК).
