Неандертальца прочитали целиком

Расшифрован ядерный геном неандертальца

Артём Тунцов 13.02.2009, 14:52
unl.edu/eva.mpg.de

Учёные представили первые результаты полной расшифровки ядерного генома неандертальца. Они могли говорить, не выносили молочной диеты и не могли передать нам микроцефалию и болезнь Альцгеймера. Впрочем, самое интересное нас ожидает в официальной публикации генома, намекнули генетики.

В четверг вечером, во время пресс-конференции в Лейпциге, Сванте Пеэбо не мог спокойно усидеть на стуле и беспрерывно тряс коленками. Шведский профессор, директор отдела генетики знаменитого немецкого Института эволюционной антропологии, рассказывал о результатах проекта расшифровки генома неандертальца, начало которого он сам определил серединой 2006 года.

На деле эту историю можно проследить минимум на десяток лет дальше в прошлое. В конце 1990-х годов Пеэбо и его сотрудникам удалось прочитать несколько крохотных обрывков ДНК, извлечённой из останков ближайшего вымершего родственника современного человека. Всего несколькими годами раньше коллеги шведа посчитали бы такую задачу невыполнимой — уж слишком быстро главная биологическая молекула разлагается после гибели своего носителя, и слишком быстро её место занимают ДНК сотен и тысяч видов бактерий и грибов, тотчас принимающихся за переработку костей в материал для более примитивной жизни.

Но задуманное Пеэбо удалось. Сначала учёные установили все 16,5 тысяч нуклеотидов в митохондриальном геноме исчезнувшего 30 тысяч лет назад неандертальского человека, потом показали, что способны расшифровать и несколько миллионов генетических «букв» из его ядерной ДНК, длиной не уступающей человеческой. А потом систематически взялись за расшифровку полного ядерного генома.

В четверг Пеэбо объявил, что первый этап работы завершён: нуклеотидов прочитано уже больше, чем полная длина генома (3,7 миллиарда против 3,2).

В день 200-летнего дарвиновского юбилея учёный посчитал себя вправе чуть-чуть нарушить неписаную научную этику, рассказав журналистам о своей работе прежде, чем она была опубликована в рецензируемом научном журнале. Впрочем, самое «вкусное», намекнул генетик, он и его коллеги оставили для статьи в Science, которая должна выйти в ближайшие месяцы.

Чистота

Что нуклеотидов прочитано на 20% больше, чем их есть в геноме, не должно смущать — просто некоторые участки ДНК были прочитаны в нескольких копиях. Генетики вообще любят считывать каждое место по 10–20, а лучше по 30–40 раз, чтобы гарантированно выявить ошибки секвенирования, неизбежно возникающие в процессе считывания. Эта кратность называется средней глубиной покрытия.

Чтобы достоверно иметь не более одной ошибки на 10 000 пар азотистых оснований, современным методам нужно секвенировать даже хорошо сохранившуюся ДНК с 12-кратным запасом. Для скоростных методов секвенирования третьего поколения глубину покрытия приходится увеличивать до нескольких десятков, а то и сотни (как у Complete Genomics).

В случае с полуразрушенным геномом неандертальца большая глубина особенно актуальна, но пока вместо покрытия в 30–40 учёные едва добрались до 1,2. Более того, в реальности им к настоящему моменту удалось увидеть лишь 63% неандертальского генома, так что исследована ДНК весьма неравномерно: 37% её длины (примерно 1,2 миллиарда пар нуклеотидов) мы не видели ни разу, а оставшиеся 63% (2 миллиарда пар) — в среднем дважды.

Важнее всего было удостовериться, что исследуемая ДНК принадлежит неандертальцам, а не сотням исследователей, которые десятилетиями изучали строение неандертальских костей, держа их в своих руках.

Чтобы оценить степень загрязнения, учёные воспользовались двумя методами — по фрагментам Y-хромосомы и по фрагментам митохондриального генома. Основная часть 3,7 миллиардов нуклеотидов считаны с женских костей. Y-хромосом в геноме женщины, даже неандертальской, быть не должно вовсе, а для мтДНК неандертальца мы знаем 133 отличия от мтДНК человека. По этим признакам учёные оценивают степень загрязнения в 0,2–0,5% «и в любом случае меньше 1–2%», уверяет Пеэбо.

Однако даже те образцы, что оказались не тронуты человеком, вполне по вкусу грибкам и бактериям. Чтобы вычленить 3,7 миллиарда «букв» неандертальского генома, учёным пришлось прочитать больше 100 миллиардов пар нуклеотидов: в лучших фрагментах лучших образцов доля интересующей ДНК лишь немногим превышала 4%. Будь эти кости чистыми, кратность прочтения неандертальского генома составляла бы сейчас более чем благопристойные 25–30 раз. Впрочем, отличить ДНК грибов и бактерий относительно легко.

Образцы

Подбирая подходящий источник генетического материала, Пеэбо и его коллеги перебрали свыше 200 проб из 70 образцов, обнаруженных в 16 разных точках Европы и Центральной Азии. И большая часть из них были отбракованы — доказать отсутствие загрязнения человеческой ДНК было практически невозможно.

В итоге учёные остановились на четырёх источниках. Львиная доля данных (более 99%) получена при анализе ДНК из неандертальских костей, найденных в хорватской пещере Виндия. В первую очередь кусочка умершей 38 тысяч лет назад женщины, который до сих пор не показался антропологам особенно интересным, а потому сохранился почти не тронутым человеком современного типа.

Процесс извлечения образцов костей ДНК в ходе археологических работ в пещере Эль-Сидрон // eva.mpg.de
Процесс извлечения образцов костей ДНК в ходе археологических работ в пещере Эль-Сидрон // eva.mpg.de

Кроме хорватской неандертальки Пеэбо и его коллеги прочитали 5 миллионов пар нуклеотидов в костях неандертальца из испанской пещеры Эль-Сидрон. По просьбе генетиков, дабы не занести в образцы свою ДНК, археологи в пещере работали в специальных костюмах биологической защиты и замораживали кости сразу по извлечении их из грунта, где те пролежали 43 тысячи лет.


Третьим неандертальцем был ребёнок из Мезмайской пещеры в Краснодарском крае, образцы тканей которого предоставили антропологи Любовь Голованова и Владимир Дороничев из петербургской Лаборатории доистории. К настоящему моменту с костей погибшего в возрасте всего пары недель неандертальца прочитаны 20 миллионов пар нуклеотидов. На этого младенца у учёных особые надежды: он гораздо древнее остальных образцов (возраст костей оценивается в 60–70 тысяч лет), и его изучение сможет пролить свет на развитие самих неандертальцев.

Сванте Пеэбо удалось заполучить даже кусочек Неандертальца с большой буквы — того самого, найденного в долине реки Неандер человека, который определил весь вид и дал ему название.

С фрагмента кости, хранящейся в одном из музеев Бонна, учёные прочитали 2 миллиона пар нуклеотидов. Возраст образца — примерно 40 тысяч лет, из которых 150 он провел в музее.

Отличные неандертальцы

С помощью 2 миллиардов (если исключить повторяющиеся фрагменты) «букв» генетического кода учёные подтвердили результаты трёхгодовой давности, полученные на в тысячу раз меньшем материале. Последовательности ДНК Homo neanderthalensis и H. sapiens современного типа совпадают почти на 100%.

В таких случаях сами отличия удобнее считать не в абсолютных величинах, а по отношению к разнице между современным человеком и его ближайшим дожившим до наших дней родственником — шимпанзе; с ними у нас общие 99% ДНК.

Отличие генома неандертальца от опорного генома человека составляет 12,8% разницы человек-шимпанзе.

Но не стоит думать, что «неандертальцы — обезьяны на одну восьмую». Эти 13% вполне ложатся в рамки вариации человеческого генома по популяции в целом. Например, среди одних только французов эта вариация составляет 8,1% разницы между человеком (точнее, опорным геномом) и шимпанзе. Среди китайцев вариация — 8,6%, среди пигмеев бамбути — 10,5%. Но никто же не утверждает, что французы — обезьяны на 8%, а африканцы — на 11%.

Интегрально по геному неандертальцы от нас почти не отличимы. Но дьявол, как известно, в деталях, и именно многочисленным подробностям Пеэбо и его коллеги посвятили статьи, которые сейчас находятся в процессе рецензирования. Часть секретов руководитель работ раскрыл, оговорившись, что не будет пока «отбирать у статьи слишком многого», сославшись на то, что не может выложить журналистам всё и должен оставить что-то и для статьи.

Например, главный генетик лейпцигского института сходу отказался подтвердить или опровергнуть ползущие от конференции к конференции слухи об обнаружении генетической инверсии на 7-й хромосоме нашего дальнего родственника. У человека подобная инверсия приводит к редкому синдрому, иногда заканчивающемуся заторможенным развитием мозга и лёгким недоразвитием пальцев. Говорить на эту тему руководитель проекта не стал.

Однако в известные нам теперь 63% неандертальского генома попали ещё несколько очень интересных генов.

Например, Foxp2, который часто называют «геном речи». Мутации в этом гене обычно выливаются в неспособность управлять своим речевым аппаратом и воспринимать слова (притом что в остальном такие «мутанты» остаются нормальными людьми). Таким образом, Foxp2 с речью как-то связан, хотя понятно, что единичный ген не может отвечать за столь сложную конструкцию, как человеческая речь, — телевизор вон тоже перестаёт работать, даже если в нём сгорит всего одна микросхема.

Известно, что человеческий вариант белка Foxp2 отличается от шимпанзиного в двух позициях, и чуть более года назад учёные умудрились «попасть» в этот ген, прочитав всего 2% генома испанского неандертальца (вероятно, те самые 5 миллионов пар нуклеотидов из пещеры Эль-Сидрон, о которых шла речь выше). Тогда оказалось, те же две «человеческие мутации» присутствуют и у неандертальца из Эль-Сидрона. Как рассказал Пеэбо в четверг, по крайней мере одна из этих замен присутствует и в геноме хорватского неандертальца; вторая в область покрытия не попала. Так что Foxp2 не мог помешать говорить ни неандертальцу, ни нашему общему с ним предку.

Если только Foxp2 не появился у неандертальцев за счёт скрещивания с человеком.

По словам Пеэбо, вопрос о передаче генов человеком современного типа неандертальцу пока открыт.

Точно можно утверждать лишь, что ген Lct фермента лактазы, благодаря которому большая часть жителей Европы могут пить молоко не только в младенческом возрасте, мы неандертальцам не передавали — у тех особей, кости которых достались Пеэбо, такой способности не было. Впрочем, это и не удивительно: по современным оценкам, у самих людей она появилась 10–20 тысяч лет назад, когда неандертальцев в Европе и след простыл.

В обратную сторону — от неандертальца к человеку — передачи генов не было. Учёный заявил, что на данный момент можно уверенно говорить, что у человека неандертальских генов практически нет и, хотя точной оценки он пока дать не может, доля неандертальского наследия в геноме человека, «если и есть, ничтожна». Ранее это было показано для митохондриального генома, теперь для ядерного.

В частности, не передали нам неандертальцы генов микроцефалии, которая у потомков живших бок о бок с H. neanderthalensis европейцев встречается гораздо чаще, чем у африканцев. Не от них нам достались и гены τ-белка, формированием спутанных филаментов которого заканчивается амилоидный каскад при болезни Альцгеймера.

Впрочем, археологи, которые куда лучше генетиков могут разобраться во взаимоотношениях человеческих племён по оставшимся от них материальным свидетельствам, и так не видят никаких указаний на возможность скрещивания в прошлом между нашими прямыми предками и неандертальцами.

Неандерталец для человека

Пеэбо тем временем уже замахивается на исследование вопроса о скрещивании между неандертальцем и его возможными предшественниками на территории Европы. Были ли таковые или H. neanderthalensis стал первым колонизатором «старушки» — мы пока не знаем.

Учёный пообещал, что в ближайшие месяцы будет опубликовано ещё немало интересных результатов по неандертальскому геному. А пока идёт редакционный процесс, учёные работают как заведённые. Пеэбо поставил себе цель достичь 15–20-кратного покрытия генома, что позволит создать надёжную базу отличий неандертальца от человека.

После этого генетика неандертальца сможет стать персональной, как стала в последние годы человеческая генетика. А учёные смогут понять, насколько разнообразными были наши канувшие в лету родственники. Данные по мтДНК 6 особей H. neanderthalensis, полученные при расшифровке ядерного генома в качестве побочного продукта, пока свидетельствуют не в пользу этих древних людей.

Их генетическое разнообразие не дотягивает до разнообразия человечества, хотя вполне на уровне отдельных его рас.

Возможно, история расселения нашего предшественника очень напоминала нашу. Только из Африки они вышли один раз и дальше западной Евразии уходить не стали.

Данные об отличиях наших ближайших вымерших родственников от нас и друг от друга помогут разобраться и в нашей собственной истории. Они высветят гены, которые последние сотни тысяч лет, уже после разделения видов, находились под влиянием положительного отбора и помогли достичь того доминирующего положения на планете, которое мы сейчас занимаем. В конце концов, именно для того, чтобы разобраться в себе самих, мы и изучаем эту историю.