Неандертальцы и мамонты
Биоинформатика – недавно возникшая область генетики. Мы смотрим на данные, которые продуцируют биологи, самое простое – геномы. Пока геном в клетке или пробирке – это молекула. Когда определили его последовательность, расшифровали, он превращается в текст в компьютере, и в этот момент с ним можно делать всякие интересные вещи, например, даже понять, что там написано – где гены, как они определяют свойства организма и так далее. Это биоинформатика. «Расшифровать геном» – на самом деле не очень точная метафора, потому что расшифровка предполагает понимание. А в нашем случае если, например, в Google забить расшифровка генома человека, то у вас выскочат десятки тысяч ссылок, но ни в одной из них не будет написано, что же в геноме есть.
В начале девяностых годов задумались о том, можно ли прочитать геном мамонта. К этому времени уже появились методы чтения геномных последовательностей, с ними много работали, и был запущен проект генома человека – по определению последовательности ДНК. Люди начали думать, можно ли определять ее последовательность для археологических материалов. Первая статья по этому поводу была опубликована в 1993 году, и автор, известный ученый, сказал, что, конечно, ничего не получится просто потому, что химическое разложение ДНК зашло настолько далеко, что уже невозможно с ней работать. А ДНК – это очень длинная молекула, в нее все время ударяют фотоны, ее атакуют активные формы кислорода, она все время немножко портится. Когда ДНК находится в живой клетке, то есть специальные механизмы, которые ее лечат. А когда организм умирает и уже лежит, так сказать, в виде разлагающихся костей, то механизмы эти, естественно, не работают, и начинается химическое повреждение. Казалось, что в случае с археологией это повреждение будет настолько сильным, что ничего прочитать не удастся. К счастью, это оказалось неправдой, потому что уже в 1996 году была прочитана первая последовательность ДНК мамонта, очень маленький кусочек. Первое, что людям было интересно понять, – каковы родственные отношения мамонтов, мастодонтов и двух слонов: индийского и африканского. Но в этой последовательности данных для такого определения было недостаточно.
Последовательность можно использовать для того, чтобы выяснять эволюционные взаимоотношения между современными организмами. Эта идея, принадлежащая Фрэнсису Крику, была предложена им в 1959 в виде замечания к статье, посвященной совсем другому. Идея очень проста: пока у нас есть единый вид, геномы его особей перемешиваются, и существует механизм поддержания однородности генома внутри вида. А когда виды расходятся – например, выросла гора, и по обе стороны оказались особи одной популяции, которые перестали встречаться, – и там, и там накапливаются случайные изменения, которые уже начинают происходить независимо. Когда виды разошлись достаточно далеко, то мы видим какое-то количество различий в их геномных последовательностях. Ясно, если виды разошлись недавно – различий будет мало, если давно – много. Взяв последовательность одного и того же гена разных живых существ, вы можете по степени расхождения последовательностей определить, кто кому ближайший родственник, а кто более далекий. Рисуется это в виде эволюционных деревьев.
На этой картинке изображена живая клетка.
Обратите внимание на митохондрии. У них есть свой собственный геном. Они на самом деле бывшие бактерии и есть в каждой клетке каждого существа, у которого в клетке есть ядро (люди, животные, грибы, растения, простейшие). Митохондрии, будучи бактериями, заселились в протоклетку, когда наши предки еще были одноклеточными. Это, кстати, тоже выяснилось путем анализа последовательностей. Так чем же хороши митохондрии? Во-первых, у них есть свой собственный геном, во-вторых, их несколько в клетке. То есть доза митохондриального генома в десять раз больше, чем доза ядерного. В ситуациях, когда вы имеете дело с ничтожными количествами, это оказывается существенным.
И еще одно важное свойство, оно нам в дальнейшем понадобится – митохондриальный геном наследуется строго по материнской линии. У каждого мужчины он от мамы, у мамы – от бабушки, а у детей митохондрия бабушки по отцовской линии отпадает. Вообще митохондриальный геном довольно короткий. Геном человека – три миллиарда букв, а митохондриальный – где-то десятки тысяч. В 2005 году появилось сразу три статьи про митохондриальный геном мамонта, и это действительно было техническое достижение, довольно удивительное – это была первая реконструкция митохондриального генома вымершего существа. Тут удивительно вот что: эти три статьи, опубликованные тремя разными группами ученых, появились с разницей в недели, меньше месяца, так это еще, помимо всего прочего, была страшная гонка, кто первым сие сделает. Вообще про историю работ с древней ДНК очень хорошо писать роман, потому что там такая, скажем, «Санта-Барбара».
Что можно сделать, когда у вас есть полный геном? Можно постараться понять историю мамонтов. Есть два слона, азиатский и африканский, и мамонт: кто кому ближайший родственник? Тут три сценария. Первый: два слона – сестринские группы, а мамонт им – двоюродный. Второй: мамонт близок с азиатским слоном, африканский слон – двоюродный. Третий: мамонт близок с африканским слоном, а азиатский – двоюродный. Итак, мы будем определять: если в первом условии у двух слонов буквы из генома одинаковые, а у мамонта другая, такой метод говорит в пользу родства слонов против мамонта. Если две буквы одинаковые у азиатского и у мамонта, а у африканского – другая, то такая позиция говорит в пользу родства мамонта и «азиата». Если все буквы разные – эта позиция не говорит ничего, впрочем, как и если все три буквы одинаковые. И вывод тогда несчастный: до тех пор, пока к нам не придет геном мастодонта, выяснить, кто кому ближайший родственник, мы не сможем. Статья об этом была опубликована 29 марта 2007 года. А уже в августе вышла статья про митохондриальный геном мастодонта. Опять-таки подобных историй очень много – когда одна статья опубликована, а другая, на нее отвечающая, в этот момент лежит в другой редакции.
Но вернемся к слонам. Поскольку изменения в ДНК поначалу происходят случайно и равномерно по времени (это не совсем правда, но давайте про неправду пока забудем), то просто измеряя количество различий, мы можем сказать, когда жил общий предок двух существ. И действительно: мамонт и азиатский слон являются сестринскими группами и разошлись они примерно шесть-семь миллионов лет назад. Чуть раньше, примерно восемь миллионов лет назад, отделился африканский слон. И совсем давно жил мастодонт. Когда все это исследовали, оказалось, что саванный африканский слон и лесной африканский слон – это два разных вида. Они чуть-чуть отличались, и все считали их подвидами, а потом выяснилось, что это два совершенно разных вида. Эта картинка для того, чтобы понять с какого рода данными люди имеют дело. Вы определяете последовательность ДНК кого-нибудь сильно деградированного, это все маленькие кусочки. То, что оранжевое – действительно ДНК мамонта, а вот, скажем, то, что желтое – ДНК бактерий, а серое – вообще неизвестно что.
Есть помимо всего прочего серьезная проблема, что кроме ДНК мамонта там много чужой ДНК. Но с этим люди, к счастью, умеют бороться. Когда мамонты вымерли? Совсем недавно, последний помер, по-видимому, на острове Врангеля 5 тысяч лет назад. На Аляске нашли последовательности мамонта, возраст которых 10,5 тысяч лет, причем там были не кости, не трупы замерзшие, а просто остаточные породы. Оказывается, если вы знаете, что искать, то вы можете выделять ДНК из остаточных пород.
Вот кусочек работы, в которой я принимаю участие. Просто чтобы показать, что еще можно делать, во-первых, а, во-вторых, показать, что я имею отношение к этой деятельности, а не рассказываю байки из чужой жизни.
Это мамонтенок Люба, она 40 тысяч лет назад утонула в иле на берегу реки. Благодаря илу она очень хорошо сохранилась, и оказалось, что можно посмотреть не только ее последовательность, но и последовательность бактерий, которые жили у нее в желудке.
Это отдельная тема. В человеке бактериальных клеток примерно в сто раз больше, чем его собственных.
Что же сделали – взяли кусочек содержимого кишечника этого мамонтенка и посмотрели бактериальные последовательности, которые там есть. Оказалось, что кишечные палочки, какие были 40 тысяч лет назад, ровно такие же, как у слоненка в московском зоопарке. Впрочем, такие же, как и у людей (у слонов и людей они одинаковые). Бактерии за это время не изменились.
Теперь пещерные медведи. Почему они? Потому что, в отличие от мамонтов, материал медведей находится в очень больших количествах в пещерах. Там не так холодно, но сухо. И это те же самые пещеры, в которых жили неандертальцы. Почему бы не сделать сразу неандертальцев? Потому что неандертальцы похожи на людей. Более точно, они и есть просто люди. Мы – потомки кроманьонцев, которые жили в Африке. А неандертальцы жили в Европе, они отделившаяся ветвь человечества. И ясно, что геном неандертальца будет очень похож на геном современного человека, кроманьонца. Если вы возьмете неандертальскую кость, отделите оттуда фрагмент ДНК, выделите ее последовательность, то вы никогда не узнаете, последовательность ли это неандертальца, от которого осталась кость, или того археолога, который хватал ее руками, или вашего собственного лаборанта.
Для того, чтобы показать, что в принципе из этих костей возможно выделять «чистую» последовательность, работали с пещерным медведем. Идея была такая: если вы из костей пещерного медведя определите последовательность ДНК, не похожую на человека, а похожую на медведя или хотя бы на собаку, значит, вы все сделали правильно. Если выделите человека – сдавайтесь. Сванте Пээбо и Эдвард Рубин – авторы тех статей про пещерных медведей. И это была очевидная подготовка к тому, чтобы работать с неандертальскими костями.
Глядя на медвежьи кости разных возрастов, заметили, что имеется корреляция генетического разнообразия с климатом – чем холоднее, тем менее разнообразными были пещерными медведи, тем меньше была их популяция. Понятно, что чем холоднее, тем хуже жить, популяция сокращается. Однако ничего подобного у бурого медведя нет. Он пещерному ближайший родственник, их отличие в том, что бурый живет в лесу, а пещерный соответственно в пещере. Казалось бы, на бурого климат должен действовать даже сильнее, но такого не происходит. Одно из возможных объяснений – конкуренция с человеком за пещеры. В это время в Евразии появляется современный человек, он живет в пещерах и медведей оттуда выгоняет. Им становится негде жить, и они умирают. Это на самом деле неправда. Такие вещи люди пишут в статьях, чтобы было нечто ударное, чтобы все запомнили.
Интересная история про белого медведя. Когда посмотрели митохондриальную ДНК, оказалось, что белый медведь не отдельный вид, а группа внутри бурых. О бурых медведях, когда посмотрели не только митохондрии, но и ядерные геномы, выяснили, что история, которая реконструируется по митохондриальной ДНК, не совпадает с той, что реконструируется по ядерной. По ядерной ДНК белый медведь – совершенно отдельный вид. А по митохондриальной все современные белые медведи – потомки одной медведицы, бурой, которая жила в Ирландии примерно 30 тысяч лет назад. Это называется интрогрессией – когда какой-то фрагмент генома, принесенный извне, распространяется по всей популяции.
Теперь о неандертальцах. Методика та же самая. В 1997 году определили митохондриальные последовательности, об этом вышли две статьи с разницей в один день в журналах Nature и Science. Есть традиция: если люди не хотят заниматься крысиными бегами и публиковаться на две недели раньше соседа, то они просто договариваются и публикуют материалы одновременно. В первой статье был определен миллион букв из генома неандертальца, а во второй – всего 65 тысяч букв, но зато аккуратнее. В одной статье было написано, что неандертальский вклад в геном современного человека равен нулю, и, конечно, нужны дополнительные данные. А в другой – что они наблюдают поток вариантов генов неандертальцев в современных мужчин. Почему мужчин? Потому что есть Y-хромосома, которая передается только по мужской линии, соответственно по этой хромосоме вы видите генеалогию по мужской линии, ну и тоже, конечно, нужны дополнительные данные. Вклад генома современного человека в ДНК неандертальца был, по-видимому, внесен мужчинами-лаборантами из той лаборатории, потому что это в чистом виде было загрязнением. Более того, неандерталец впоследствии оказался девочкой, и это был очень хороший критерий, потому что когда определяешь неандертальца по ДНК, по признаку Y-хромосомы, сразу ясно, что ее хватали руками грубые мужики и всю попортили (имеется в виду – кость).
Оказывается, 1-4% современных вариантов генов, которые мы наблюдаем в геноме современного европейца и азиата, аккурат неандертальского происхождения. Я тут перед началом лекции беседовал с одним расистом и спугнул его, это была моя ошибка. Он мне объяснял, что американцы тупые, потому что произошли от неандертальцев, а славяне умные, потому что происходят от кроманьонцев. Я его сильно разочаровал, потому что чистые беспримесные кроманьонцы – как раз африканские негры, а белые и желтые евроазиаты имеют 2,5% генетического материала, который мы унаследовали от неандертальцев, с чем я нас всех и поздравляю. По-моему, это важный мировоззренческий вывод. Какие гены мы унаследовали? Есть вариант гена иммунной системы, который вообще не встречается в Африке, но в заметном количестве имеется в Евразии. И в Евразии – ровно тот вариант, который у неандертальца. Поэтому иммунная система у нас, кому повезло, имеет неандертальский компонент. Вот как все было. Точнее – таков наиболее вероятный сценарий, и он был описан в статье, вышедшей в начале 2010 года.
А затем случилось чудесное – в Денисовой пещере на Алтае нашли фалангу пальца тринадцатилетней девочки в удивительной сохранности. Причем сохранилась не сама фаланга, а ДНК в ней. И определили сначала митохондриальную последовательность, а потом и ядерную – буквально с разницей в полгода. И дальше случилось совсем удивительное: кроманьонцы и неандертальцы разошлись 300 тысяч лет назад, а денисовское ДНК отстает от них на миллион лет. И это беда, потому что по палеонтологическим данным нет человека, который отошел бы примерно в то время. С неандертальцами разошлись полмиллиона лет назад, а следующий родственник – homo erectus, с ним разошлись два миллиона лет назад. И это какая-то совершенно новая ветвь человечества. А если посмотреть на ядерный геном, то выясняется, что его сохранность гораздо лучше, чем у неандертальцев, кости гораздо старше, а геном отлично сохранился, но по ядерному геному это все-таки неандерталец.
Это очень большой прорыв в понимании эволюции современного человека. Людей из Денисовой пещеры в геномах евразиатов не находят. И это совершенно удивительно. Это меняет наше представление о нашем месте в окружающей действительности.
Сокращенный вариант лекции доктора биологических наук, профессора факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ Михаила Гельфанда на Открытом книжном фестивале "Что мы узнали из генома неандертальца?"
|
