Тридцать лет развивается палеогеномика. Что сделано? Каковы перспективы?

Пожалуй, мы стали забывать, что до того, как ДНК открыла нам сексуальную неразборчивость неандертальцев и происхождение палеоиндейцев, была квагга.

Странноватое существо с головой зебры и задом осла вымерло в 1883 году. Столетие спустя учёные опубликовали данные о примерно 200 нуклеотидах, выделенных из фрагмента мышц квагги (Equus quagga quagga), жившей за 140 лет до этого. Так было доказано, что квагга и горная зебра (Equus zebra) — два разных вида.

Но не это главное. Впервые удалось получить ДНК из мёртвого организма. Стало ясно, что отныне мы будем изучать давно исчезнувшую жизнь не только по костям. «Если длительная сохранность ДНК окажется распространённым явлением, преимущества из этого извлекут сразу несколько областей науки, в том числе палеонтология, эволюционная биология, археология и криминалистика», — писали в эпохальной статье Расселл Хигучи и Аллан Уилсон из Калифорнийского университета в Беркли (США).

Поначалу это утверждение встретило глубокий скепсис: коллегам не верилось, что можно разобраться, где в образце действительно древняя ДНК, а где не имеющие к ней отношения компоненты. Но со временем возникли более совершенные методы выявления и устранения современной ДНК, загрязняющей образец, и дело пошло на лад. Начался бум древней геномики. В прошлом году были сняты покровы с двух старейших на сегодня геномов: лошади, погребённой в канадской вечной мерзлоте около 700 тыс. лет назад, и нашего с вами родственника из испанской пещеры, жившего примерно 400 тыс. лет назад. Кроме того, обнародована геномная последовательность неандертальца, которая столь же полна и точна, как и геном современного человека. То же самое можно сказать о геноме ребёнка из Сибири, который соединяет родословные индейцев и европейцев.

Эволюционный биолог Людовик Орландо из Копенгагенского университета (Дания) не ждал ничего хорошего, приступая к секвенированию ДНК из ноги лошади, жившей 560–780 тыс. лет назад. Его коллега Эске Виллерслев нашёл образец в Юконе в 2003 году и... положил его в холодильник, надеясь, что однажды появятся такие технологии, которые позволят прочитать его деградировавшую со временем ДНК. (На самом деле холодильники генетических лабораторий набиты такими костями.)

Воскресным вечером в 2010 году Виллерслев позвонил Орландо и сказал, что время пришло. Орландо не поверил. «Я начинал работать с намерением доказать, что это невозможно», — вспоминает учёный.

Секвенирование древней ДНК — это битва со временем. После смерти организма длинные участки ДНК распадаются на кусочки. При низкой температуре процесс деградации замедляется, но не останавливается, и рано или поздно приходит момент, когда нити ДНК становятся настолько короткими, что уже не несут почти никакой информации.

Орландо и его сотрудники обработали то, что осталось от ДНК, соответствующими ферментами и обнаружили, что не только выявили одни фрагменты ДНК, но одновременно потеряли огромное количество других. Пришлось серьёзно подумать над методом, в том числе над температурой, и в итоге удалось добыть в десять раз больше клочков ДНК, чем до этого. Их собрали вместе и получили черновой вариант старейшего генома в истории науки.

Аналогичным образом генетик Сванте Пээбо из Института эволюционной антропологии Общества Макса Планка (ФРГ) и его коллеги отнеслись к останкам из пещеры Сима-де-лос-Уэсос на севере Испании. Возможно, тот, кто жил там 400 тыс. лет назад, был в числе предков современного человека. Кости лежали в яме при стабильно низкой температуре, поэтому шансы на обнаружение значимых фрагментов ДНК считались сравнительно высокими. «Если бы гоминин спросил, где ему оставить свои кости, мы бы, скорее всего, выбрали именно это место», — поясняет молекулярный биолог Маттиас Мейер, возглавляющий проект.

В декабре прошлого года учёные отчитались о получении примерно 16 300 «букв» митохондриального генома особи из Сима-де-лос-Уэсос. Последовательность неожиданно выявила родственные отношения между обитателями этой пещеры и денисовцами — другой группой архаичных гомининов, обнаруженных группой Пээбо в Алтайских горах за тысячи километров от Испании. Сейчас Мейер и его коллеги думают только о ядерном геноме: «Я не успокоюсь, пока не пойму, можно это сделать или нет».

По словам Мейера, сомнений уже не осталось: геном животного, которое пролежало в вечной мерзлоте более миллиона лет, — всего лишь вопрос времени. Со своей стороны, Мейер и Пээбо собираются побить рекорд для ДНК гоминина и подбираются к останкам человека прямоходящего из сравнительно тёплых азиатских краёв. Кроме того, своего часа ждут египетские мумии и человек флоресский, живший в Индонезии всего 18 тыс. лет назад. Впереди у нас множество выдающихся открытий, которые должны наконец заполнить осточертевшие пробелы в истории.

А несколько лет назад Дэвид Рейх обнаружил... привидение. Рейх — популяционный генетик из Гарвардской медицинской школы (США) — занимается реконструкцией истории Европы на основании геномов современных людей. И его группа выяснила, что обитатели Северной Европы связаны с индейцами. Учёные постулировали существование ныне вымершей популяции на севере Евразии, которая скрещивалась с предками европейцев и с некоей сибирской группой, которая позднее мигрировала в Америку. Рейх называет такие популяции призрачными, поскольку об их существовании мы знаем не по костям, орудиям труда или их собственным ДНК, а всего лишь по эху, которое они оставили в других геномах.

Призрачные популяции — продукт статистических моделей, поэтому к ним нужно относиться соответственно, подчёркивает популяционный генетик Карлос Бустаманте из Стэнфордского университета (США). Постулирование такой популяции ещё не означает, что данное биологическое событие действительно имело место.

Однако порой призраки обретают тела. В прошлом году группа Виллерслева отчиталась по результатам работы над геномом мальчика с сибирской стоянки Мальта, жившего 24 тыс. лет назад. По-видимому, он был представителем как раз той популяции, которая соединила индейцев и европейцев. Рейх оказался прав.

Это не единственная призрачная популяция. Группа, которую возглавляли Рейх и Монтгомери Слаткин Калифорнийского университета в Беркли (США), изучая высококачественные геномы неандертальцев и денисовцев, обнаружила любопытную деталь: современные обитатели Африки южнее Сахары ближе к неандертальцам, чем денисовцам. Чтобы объяснить эту странность, пришлось выдумать ещё одного призрака. Возможно, денисовцы скрещивались с неизвестными науке гомининами, которые покинули Африку более 1 млн лет назад и откололись от общего предка людей, неандертальцев и денисовцев. Следовательно, получившиеся в результате такого кроссбридинга денисовцы унаследовали последовательности ДНК, которых нет у современных африканцев. Вот почему последние ближе к неандертальцам.

Рейх и его команда теперь ищут остатки денисовской ДНК в современном человеческом геноме, надеясь узнать, когда же денисовцы скрещивались с этой загадочной популяцией. Полученная информация поможет понять, какие кости следует анализировать в поисках неизвестного науке вида. И геном из Сима-де-лос-Уэсос должен очень сильно тут помочь.

Другие учёные тоже не брезгуют призыванием теней из мира мёртвых. Палеоантрополог Крис Стрингер из лондонского Музея естественной истории (Великобритания) предложил считать вид Homo antecessor (человек-предшественник), известный по останкам, найденным близ Сима-де-лос-Уэсос, и существовавший около 900 тыс. лет назад, представителем той самой популяции. Если он скрещивался с предками денисовцев и гоминина из Сима-де-лос-Уэсос, то связь между той и другой группой понятна. Для проверки этой гипотезы нужна ядерная ДНК. Ждём очередного чуда от лаборатории Пээбо и Мейера.

Наука о человеческой эволюции вступила в новую фазу. По словам популяционного генетика Джоша Эки из Вашингтонского университета в Сиэтле (США), совсем не обязательно искать кости с древней ДНК: можно найти остатки древней ДНК в современном геноме. Если верна гипотеза о скрещивании людей с неандертальцами и денисовцами, то потомки этих «браков» должны обладать короткими сегментами архаичной ДНК. Эки и другие специалисты сейчас занимаются составлением каталога этих фрагментов.

В январе группы Эки и Рейха независимо друг от друга собрали 20 и 40% соответственно неандертальского генома из кусочков, сохранившихся в геномах сотен современных европейцев и азиатов. Эти гены имеют отношение в основном к коже и волосам. По-видимому, они помогли нашим предкам приспособиться к холодному климату: сделали кожу более толстой, покрыли её более густой «шерстью», уменьшили количество пор. В то же время существенное количество неандертальских генов мы не сохранили, и это намекает на то, что они могли быть вредными для наших предков. Один из таких участков группа Эки обнаружила вокруг гена FOXP2, отвечающего за речь и язык. Интербридинг имел свою цену.

Всё только начинается. Группы Эки и Рейха выяснили, что в обитателях Восточной Азии в среднем чуть больше неандертальской ДНК, чем в европейцах. По мнению Эки, это может свидетельствовать о том, что неандертальцы скрещивались с древними людьми по крайней мере дважды: сначала с предками всех евразийцев, а затем с предками восточных азиатов. Более того, Эки убеждён, что в нас можно найти генетические клочки других вымерших видов, которые скрещивались с нашими предками ещё в Африке южнее Сахары.

На протяжении последних 30 лет основным методом амплификации древней ДНК была полимеразная цепная реакция, но она, увы, несовершенна из-за загрязнения образцов. Поэтому заниматься поиском древних генов могли только избранные лаборатории, у которых были и опыт, и деньги на исследование сотен окаменелостей в надежде добыть достаточно материала на полный геном.

Сейчас ситуация меняется. Появились новые технологии, которые позволяют извлечь ДНК из любого образца (за исключением сильно разложившихся, конечно) и затем секвенировать только ту часть генома, которая интересует в данный момент. «Меня удивляет, что этим ещё не занимаются по всему миру, — говорит палеогенетик Иоганн Краузе из Тюбингенского университета (ФРГ), возглавлявший значительную часть работы над денисовским геномом в лаборатории Пээбо. — Нет тут ничего космического».

Постепенно появляются новые имена, и Бустаманте — одно из них. «Если я смог, любой сможет», — говорит учёный. Он занимался современными человеческими популяциями, но пару лет назад ему позвонила мумия. В 1991 году в Тирольских Альпах Италии туристы нашли труп, который пролежал там 5 300 лет. Для изучения Эци, как назвали на удивление хорошо сохранившегося мужчину, создали целый институт. Со временем возник вопрос, к какому народу принадлежал сей индивид, и решили пригласить Бустаманте. Он помог выяснить, что ближе всех к Эци стоят современные жители Сардинии и Корсики, то есть связь с древним населением Центральной Европы сохраняется в современных популяциях.

Теперь Бустаманте занимается генетической историей пришествия первых неолитических «фермеров» в Болгарию, трансатлантической работорговли и доместикации собак. Попутно изобретаются более дешёвые и эффективные методы секвенирования древних ДНК.

Рейх тоже перешёл от неандертальцев к возникновению сельского хозяйства и истории Индии. На самом деле заниматься этим ещё труднее, потому что материала для анализа даже меньше, чем в случае неандертальцев.

В общем, методы, выработанные при расширении области исследований во времени, теперь используются для её углубления. И результаты уже есть. В прошлом году Рейх и его коллеги сообщили об изучении митохондриальной ДНК 364 европейцев, живших 5,5–1,55 тыс. лет назад. А исследование 18 мДНК древних собак и волков показало, что европейские охотники одомашнили представителей вымершей ныне популяции волков.

Интересно, что сейчас учёные вновь возвращаются к тому, с чего всё когда-то начиналось, — к квагге. Секвенирование полного генома вымершего животного — часть большого проекта, направленного на выявление различий между современными и исчезнувшими лошадьми, а также зебрами и ослами. Хочется понять, за какие признаки отвечает тот или иной ген.

Подготовлено по материалам Nature News.