На помощь палеогенетике приходит палеопротеомика

На помощь палеогенетике приходит палеопротеомика. Дело в том, что коллаген сохраняется даже в таких древних останках, в которых от ДНК уже ничего не осталось:

Недавно СМИ писали о челюсти денисовского человека, найденной в тибетской пещере Байшия. Находка уникальная: наконец-то денисовца обнаружили за пределами Денисовой пещеры. Но это исследование замечательно ещё по одной причине. Впервые вид древнего человека удалось идентифицировать по составу белка, сохранившегося в его зубах. Владелец челюсти умер 160 тыс. лет назад, его плоть истлела, ДНК распалась на крошечные неопределимые фрагменты, но в глубине зубов сохранился, пусть сильно попорченный временем, но всё ещё различимый для исследователей белок коллаген. В его составе исследователи нашли одну аминокислоту, которой нет ни у современного человека, ни у неандертальцев — последовательность совпала только с денисовским человеком (у исследователей не было коллагена из Денисовой пещеры, но если есть ДНК, из неё можно получить аминокислотный состав белка).

Теперь в журнале Nature вышла статья, посвящённая преимуществам новой методики, залихватски названная «Подвинься, ДНК!» Чем же плох уже привычный нам анализ древних генетических последовательностей? Бесспорно, палеогенетика произвела революцию в исследованиях ископаемых останков. И всё же возможности метода не бесконечны. Во-первых, время не щадит ДНК — через несколько сотен тысяч лет даже в самых лучших условиях от генома не остаётся ничего. Поэтому собранные учёными генетические данные, после многих лет изысканий, касаются, фактически, только 3 видов — неандертальцев, денисовцев и древних сапиенсов, и редко выходят за пределы последних 100—150 тыс. лет. Исключение — исследование останков из пещеры Сима де лос Уэсос в Испании, возраст которых 430 тыс. лет (авторы статьи относят этих гоминин к ранним неандертальцам). А ведь так хочется добраться до более древних находок! Выяснить, кто из древних обитателей Евразии ближе всего к общему предку неандертальцев и денисовцев. Уточнить родственные связи азиатских и европейских гоминин. Разобраться наконец с гейдельбергским человеком: он предок только неандертальцев или сапиенсов тоже? (Авторы статьи указывают хронологический интервал жизни вида Homo heidelbergensis: 700—200 тыс. лет. А «ранние неандертальцы» из Симы Уэсос — это что-то принципиально другое? Неувязочка).

А ещё дальше в прошлое? Перешагнуть за миллион лет — там ещё больше вопросов. Родословная Homo erectus . Корни и судьба африканских и азиатских форм. Добраться бы до самых ранних Homo . Эх, мечты, мечты…

Есть и вторая проблема: сохранность ДНК сильно зависит от условий, не в последнюю очередь — от температуры. 100-тысячелетний образец из Сибири всё ещё хранит достаточно генетического материала, в то время как в 10 раз более молодых останках из Африки уже ничего не осталось. Потому так и не удалось палеогенетикам ничего извлечь даже из таких относительно «юных» находок, как скелет хоббита с острова Флорес.
Коллаген гораздо более стабилен, чем ДНК, и потому для его анализа годится гораздо более широкий спектр палеонтологических находок — и более южных, и более древних. А значит — открывается реальная перспектива найти ответы на перечисленные выше вопросы, включая извечный: кто был прямым предком сапиенса?

Конечно, идея анализа древних белков не нова. Ещё в середине XX века проводились эксперименты по поиску аминокислот в ископаемых костях. Но выявить отдельные аминокислоты мало, из них нужно реконструировать состав конкретных белков. Один из разработчиков методики, биоархеолог из Копенгагена Мэтью Коллинз (Matthew Collins) говорит, что очень долго искренне не верил, что восстановить древние белковые последовательности вообще возможно.

В 2000-х годах в этих целях попробовали использовать масс-спектрометрию, которая уже успешно применялась для анализа современных протеинов. Методику, обозначаемую ZooMS, стали использовать для определения, к каким животным относятся найденные археологами костные фрагменты. В этом подходе анализируются конкретные формы коллагена, которые у разных видов животных имеют уникальные особенности — получается своего рода химический «отпечаток пальца», по которому можно определить вид живого существа. Именно с помощью ZooMS среди тысяч костных обломков, найденных в Денисовой пещере, обнаружили фрагмент человеческой кости, как выяснилось, принадлежавший гибриду неандерталки и денисовца. Сейчас через эту методику прогоняют 40 тыс. неопознанных костей из Азии, в надежде наткнуться на новых гоминин.

Но ZooMS имеет низкую разрешающую способность. После того как кость определена как человеческая, нужно задействовать более точные методы. В процессе протеомного анализа в образце стараются «поймать» любые белки — а их могут быть тысячи. Затем всё найденное прогоняют по специальным базам данных, в которых хранятся последовательности коллагена и других белков известных организмов. Сходства и различия в составе аминокислот позволяют выяснить родственные связи древнего животного.
Исследователи надеются, что в ближайшем будущем именно такой подход позволит уточнить происхождение загадочного Homo floresiensis, останки которого были обнаружены на индонезийском острове Флорес в 2003 году. Чей потомок флоресский хоббит — яванских питекантропов, или же гораздо более древних австралопитеков? Мэтью Коллинз уверен, что в останках хоббита сохранился белок, а значит, есть материал для исследования.
То же самое можно сказать и о другом недавно описанном человечке, Homo luzonensis с острова Лусон на Филиппинах. Исследователи планируют начать пока что с зуба животного из пещеры, где нашли лусонского карлика, чтобы проверить жизнеспособность методики в тропических условиях.

Пока учёные готовятся к протеомному анализу древних людей, исследование останков других животных уже дало интересные результаты. Энрико Каппеллини (Enrico Cappellini), специалист по палеопротеомике из Копенгагенского университета (дат. Københavns Universitet), использовал новый подход для анализа останков ископаемого носорога
Stephanorhinus — возрастом 1,8 млн лет! Аминокислотный состав говорит о тесных связях животного с шерстистым носорогом
Coelodonta antiquitatis (сейчас в Nature готовится к публикации статья об этом исследовании). Замечательно место, из которого происходят останки Stephanorhinus — Дманиси в Грузии! Вы подумали о том же, о чём я? Если получилось с носорогом, следующий на очереди — «Человек грузинский» из Дманиси.
Интересно, что в этом случае белок добыт не из дентина, а из зубной эмали. Эмаль — самый твёрдый материал в нашем организме, и образует замкнутую систему, в которой белки должны очень хорошо сохраняться. По словам исследователей, почти 2 млн лет — это далеко не предел!
Другие учёные пошли ещё дальше. Сообщают об извлечении следов коллагена из останков верблюда возрастом 3,4 миллиона лет, обнаруженных в Арктике. А в исследовании 2016 года итальянские специалисты получили белок из яичной скорлупы страуса, жившего 3,8 миллиона лет назад. Причём находка сделана в Танзании, где среднегодовая температура составляет около 18 °C. Это внушает надежду на успешное исследование костей африканских гоминин.

Конечно, на пути исследователей возникает немало трудностей. Коллаген из тибетской челюсти соотносили с генетическими последовательностями неандертальцев и сапиенсов, а с кем сравнивать австралопитеков? У нас нет ДНК такой древности!

Сванте Паабо (швед. Svante Pääbo), самый известный палеогенетик в мире, говорит и о другой серьёзной проблеме — загрязнении образцов посторонней органикой. На то, чтобы научиться отличать древнюю ДНК от современной, у генетиков ушли годы. Но прежде исследователи успели опубликовать немало сенсационных результатов, которые не прошли проверки и оказались в итоге ложными — вроде прочтения ДНК динозавров и древних насекомых, застывших в янтаре.

Другие ограничения более фундаментальны. В ископаемых останках остаётся очень мало белка. Из челюсти тибетского денисовца исследователям удалось получить последовательности 8 видов коллагена, что составляет в сумме чуть более 2000 аминокислот. Только одна из этих аминокислот отличалась от неандертальских и сапиентных вариантов, что и позволило отнести находку к денисовцам. Могло и не повезти! Выбрали бы для анализа белки, содержащиеся не в дентине, а в зубной эмали — и отличий не было бы вовсе. Сравните с ДНК: один древний геном может содержать порядка 3 млн отличий от другого.

Специалисты уверены, что все препятствия удастся преодолеть. Чем древнее животное, тем сильнее состав его белков должен отличаться от современного, так что сравнительный анализ будет более информативным.

Важно не создавать вокруг новых открытий нездоровый шум, и спокойно оттачивать методику, для чего необходимы согласованные усилия учёных разных специализаций. Среди таких исследователей Джессика Хенди (Jessica Hendy), археолог из Йоркского университета (University of York), Великобритания, которая использует протеомный анализ для изучения рациона древних людей. В публикации 2018 года Хенди и её коллеги идентифицировали белки, сохранившиеся на поверхности 8000-летней керамики из Турции. Удалось установить, какие растения и каких животных употребляли в пищу хозяева древней посуды, и даже выяснить, что они перерабатывали молоко в сыворотку.

Хотя для газетных заголовков привлекательней всего тема эволюции человека, учёные задействуют протеомику для самых разных целей: от исследования древних заболеваний зубов до анализа шкур животных, из которых сделаны средневековые пергаменты.

Справедливости ради надо сказать, что подобные исследования останков древних людей делались и раньше. В 2016 году с помощью протеомного анализа идентифицировали фрагментарные человеческие останки, найденные во французском гроте Оленя. Удалось не только установить, что это неандерталец, но выяснить, что кости принадлежали грудному младенцу — традиционный ДНК-анализ не позволил бы узнать такие детали. Но помимо состава коллагена, учёным в тот раз помог анализ митохондриальной ДНК. В случае денисовца с Тибета, «личность» установили только путём исследования древнего коллагена.