Палеогеномика и принцесса-полукровка
"Изучение древней ДНК принесло новый блестящий результат. Палеогенетики из Института эволюционной антропологии общества Макса Планка - Сванте Пэабо, Вивиан Слон и их коллеги - секвенировали геном человека, фрагмент кости которого был найден в Денисовой пещере на Алтае, и выяснили, что это дочь неандерталки и денисовца. В числе соавторов статьи, посвященной этому знаменательному событию, - сотрудники новосибирского Института археологии и этнографии РАН.
Денисова пещера - для коренного населения Аю-Таш, Медвежий Камень - известное из научной литературы название получила то ли в честь старообрядца Дионисия, который в конце XVIII века жил отшельником в этой пещере, то ли в честь простого местного пастуха Дениса. Археологи заинтересовались пещерой в 1977 году. С тех пор в ней ведутся систематические исследования, выявлено более 20 культурных слоев, датированных средним плейстоценом (возраст старших - не менее 200 000 лет). В пещере найдено множество разнообразных артефактов - орудия и украшения из кости и камня, и даже плоские бусинки из скорлупы страусиного яйца! И браслет из полированного хлоритолита, явно принесенного издалека, - поблизости нет открытых месторождений этого красивого ярко-зеленого камня. И конечно, найдены костные останки гоминин. Будем называть этим собирательным словом представителей рода Homo, обитавших в Денисовой пещере. Виды это или подвиды, или какие-то иные группы мельче подвида, но крупнее расы - тут есть неясность ввиду последних открытий. Неандертальца систематики в настоящее время называют Homo sapiens neanderthalensis, нашего нового родича - Homo sapiens denisova, Homo sp. Altai или Homo sapiens subsp. Denisova.
Пока что исследована ДНК шести индивидов из Денисовой пещеры. В научной литературе их называют по месту находки, «Денисова» + номер. Есть еще статья про изучение митохондриальной ДНК денисовцев и неандертальцев (а также других видов млекопитающих), извлеченной из осадочных пород в пещере, но это отдельная тема («Science», 2017, doi: 10.1126/science.aam9695).
Итак, Денисова 2 - коренной зуб, слой 22 (очевидно, самая древняя из шести), девочка, денисовский человек. Денисова 3 - фаланга пальца, найденная в 2008 году в слое 11 (по геномным данным, она жила около 80 000 лет назад, датирование по слоям дает меньшую древность), девочка - та самая легендарная находка, первая представительница денисовских людей, идентифицированная по ДНК сотрудниками Института эволюционной антропологии - Сванте Пэабо, Йоханнесом Краузе и их коллегами («Nature», 2010, doi: 10.1038/nature08976, см. также «Химию и жизнь, 2010, 5). Денисова 4 и Денисова 8 - два зуба, оба принадлежали мужчинам-денисовцам, один найден в слое 11, другой на границе слоев 11 и 12. Денисова 5, также известная как «алтайский неандерталец», - фаланга большого пальца ноги, женщина; слой 11, возраст по геномным данным - около 120 000 лет. Эта находка сыграла важную роль в исследовании неандертальского генома («Science», 2017, doi:10.1126/science.aao1887). И наконец, Денисова 11, или костный фрагмент DC1227 из слоя 12, девочка Денни - героиня сегодняшнего репортажа, дочь неандертальской женщины и денисовца-мужчины.
Линии неандертальцев и денисовцев разошлись не позднее 390 000 лет назад, хотя теперь понятно, что и после этого между ними происходила гибридизация, и у кроманьонцев с неандертальцами и с денисовцами тоже. Однако, как отметила Вивиан Слон, первый автор статьи, никто не ожидал, что удастся найти настолько ясное и бесспорное доказательство - потомка скрещивания в первом поколении, наполовину неандертальца, наполовину денисовца.
Когда жила Денни и сколько ей было лет? Костный фрагмент Денисова 11 был найден в 2012 году, результаты его исследования опубликованы четырьмя годами позже («Scientific Reports», 2016; doi: 10.1038/srep23559). Но для начала надо было доказать, что этот небольшой, около 2 см в длину, обломок кости принадлежит именно человеку. В Денисовой пещере найдены сотни тысяч костных фрагментов, но как отыскать среди них гомининные? Мало ли кого тут люди разделывали и ели. Человеческие зубы, конечно, не спутаешь со звериными, а с кусочками трубчатых костей все не так просто. Чтобы определить их видовую принадлежность, использовали метод фингерпринта пептидов коллагена. Этот белок соединительной ткани содержится в костях всех млекопитающих и достаточно хорошо сохраняется, особенно в прохладном климате (а в Денисовой пещере прохладно круглый год). Кроме того, коллаген имеет четкие видовые вариации в аминокислотной последовательности, которые можно выявить с помощью масс-спектрометрии. Этот метод получил название ZooMS - «зооархеология по масс-спектрометрии», и он помог найти среди множества костных обломков принадлежавший представителю рода Homo.
Радиоуглеродное датирование показало, что возраст находки - более 50 000 лет, однако «более» - в данном случае понятие растяжимое. Радиоуглеродный анализ отлично работает на протяжении исторического периода, но полсотни тысячелетий - это близко к пределу его возможностей. Более точная датировка по данным генетического анализа дала около 90 000 лет.
Кстати, в том же исследовании получены данные микрокомпьютерной томографии, говорящие о том, что косточка подвергалась кислотному травлению, возможно, в желудке хищника (авторы предполагают, что пещерной гиены, их там водилось много). Этот неромантический момент почему-то не упоминается в свежих новостях о дочери двух народов. Хотя, если папа-неандерталец прикончил и приволок в пещеру гиену, которая съела ребенка, сценарий фильма о древних жителях Алтая еще можно спасти…
Да, так почему ребенок? По толщине кортекса (более плотного поверхностного слоя) кости исследователи заключили, что индивиду на момент смерти было не менее 13 лет; в принципе, могло быть и больше.
Почему известно, что неандерталка - именно мать, а не отец? Это установили по исследованию митохондриальной ДНК, все в той же работе 2016 года. Полученная последовательность была абсолютно неандертальской, прекрасно кластеризовалась с другими неандертальскими мтДНК, таким образом, в происхождении матери не было ни малейших сомнений. Напомним, что мтДНК наследуется по женской линии, как и сами митохондрии - клеточные органеллы, вырабатывающие энергию; человек получает их только от мамы.
Как установили, что ребенок - девочка и что отец - денисовец? Это и есть результат новой работы, опубликованной в «Nature», - исследование уже не митохондриальной, а геномной ДНК. Такие исследования стали возможными благодаря технологиям секвенирования нового поколения (в данном случае использовались платформы MiSeq и HiSeq 2500 компании «Illumina»), которые могут читать огромное количество мелких кусочков ДНК, а также благодаря информационным технологиям, позволяющим сопоставлять прочитанные обрывки с отсеквенированными ранее (референсными) геномами. Прочитанные кусочки называются ридами. В данной работе было достигнуто покрытие 2,6 (то есть каждый нуклеотид содержали в среднем 2,6 рида); бывают покрытия и получше, но такой результат уже можно обсуждать, тем более для уникальной древней ДНК.
Так, значит, почему дочка, а не сын? Как известно, все неполовые хромосомы у людей парные, а половые - у женщин парные, ХХ , у мужчин непарные, ХY. Исходя из предположения, что ДНК всех хромосом имеет одинаковую сохранность, в образцах женской ДНК для Х-хромосомы покрытие будет таким же, как и для любой неполовой хромосомы, а у мужчины существенно меньше. Этот метод для древней ДНК надежнее, чем поиск маркеров Y-хромосомы: если эти маркеры найдутся, значит, ДНК точно принадлежит мужчине, а если не найдутся, то женщине… или мужчине, но маркер потерялся. Сравнение же покрытия неполовых и половых хромосом четко разделяет древних людей на две несмешивающиеся группы, и Денни по этому признаку попала к девочкам.
Но самые интересные результаты показало сравнение ридов с неандертальскими и денисовскими геномами: неандертальские и денисовские аллели оказались представленными примерно в равных соотношениях (38,6% неандертальских аллелей и 42,3% денисовских). В принципе, подобный результат мог наблюдаться и в том случае, если ребенок принадлежал к смешанной популяции. Однако распределение неандертальских и денисовских аллелей (в частности, высокая гетерозиготность) больше всего походило на то, которое должно было наблюдаться у гибрида первого поколения: из двух копий каждого гена одна получена от матери, другая от отца.
Что касается неандертальских аллелей, в 12% случаев они были теми же, что в геноме алтайской неандерталки (Денисова 5), которая жила в той же пещере 120 000 лет назад, то есть примерно на 30 000 лет раньше, чем Денни и ее родители, и в 19,6% - теми же, что в геноме Vindija 33.19, неандертальца из хорватской пещеры Виндия, который жил намного позднее, около 55 000 лет назад. Вывод кажется странным - Хорватия далеко от Алтая, но за десятки тысяч лет мигрирующие группы древних людей могли пройти огромные расстояния. Также установлено, что у отца-денисовца был неандертальский предок, хотя и очень давно - за сотни поколений до него. Кстати, и у знаменитой Денисова 3 обнаружена неандертальская примесь.
Таким образом, появляется все больше данных в пользу того, что межгрупповое скрещивание не было редкостью. «Неандертальцы и денисовцы, вероятно, имели не так много шансов встретиться. Но раз уж это произошло, они должны были скрещиваться часто - намного чаще, чем мы думали», - сказал Сванте Пэабо.
Какими были денисовцы? Точно не известно. Судя по найденным зубам и костным фрагментам, они больше походили на неандертальцев, чем на нас. Люди крепкого, массивного телосложения, по некоторым генетическим данным, - смуглые, темноволосые и темноглазые (по крайней мере, те, чьи геномы были исследованы). Не исключено, что они были талантливыми мастерами, если хотя бы часть найденных в тех же слоях артефактов сделана ими. Есть версия, например, что длинную иглу из птичьей кости изготовили денисовцы, а раз им понадобилась игла, то, значит, шили, нанизывали бусы… впрочем, с этой версией не все согласны. Возможно, через некоторое время мы узнаем больше - или найдем новые останки, или лучше научимся понимать тексты ДНК".
Е. Клещенко, "Химия и жизнь", № 9, 2018
Денисова пещера - для коренного населения Аю-Таш, Медвежий Камень - известное из научной литературы название получила то ли в честь старообрядца Дионисия, который в конце XVIII века жил отшельником в этой пещере, то ли в честь простого местного пастуха Дениса. Археологи заинтересовались пещерой в 1977 году. С тех пор в ней ведутся систематические исследования, выявлено более 20 культурных слоев, датированных средним плейстоценом (возраст старших - не менее 200 000 лет). В пещере найдено множество разнообразных артефактов - орудия и украшения из кости и камня, и даже плоские бусинки из скорлупы страусиного яйца! И браслет из полированного хлоритолита, явно принесенного издалека, - поблизости нет открытых месторождений этого красивого ярко-зеленого камня. И конечно, найдены костные останки гоминин. Будем называть этим собирательным словом представителей рода Homo, обитавших в Денисовой пещере. Виды это или подвиды, или какие-то иные группы мельче подвида, но крупнее расы - тут есть неясность ввиду последних открытий. Неандертальца систематики в настоящее время называют Homo sapiens neanderthalensis, нашего нового родича - Homo sapiens denisova, Homo sp. Altai или Homo sapiens subsp. Denisova.
Пока что исследована ДНК шести индивидов из Денисовой пещеры. В научной литературе их называют по месту находки, «Денисова» + номер. Есть еще статья про изучение митохондриальной ДНК денисовцев и неандертальцев (а также других видов млекопитающих), извлеченной из осадочных пород в пещере, но это отдельная тема («Science», 2017, doi: 10.1126/science.aam9695).
Итак, Денисова 2 - коренной зуб, слой 22 (очевидно, самая древняя из шести), девочка, денисовский человек. Денисова 3 - фаланга пальца, найденная в 2008 году в слое 11 (по геномным данным, она жила около 80 000 лет назад, датирование по слоям дает меньшую древность), девочка - та самая легендарная находка, первая представительница денисовских людей, идентифицированная по ДНК сотрудниками Института эволюционной антропологии - Сванте Пэабо, Йоханнесом Краузе и их коллегами («Nature», 2010, doi: 10.1038/nature08976, см. также «Химию и жизнь, 2010, 5). Денисова 4 и Денисова 8 - два зуба, оба принадлежали мужчинам-денисовцам, один найден в слое 11, другой на границе слоев 11 и 12. Денисова 5, также известная как «алтайский неандерталец», - фаланга большого пальца ноги, женщина; слой 11, возраст по геномным данным - около 120 000 лет. Эта находка сыграла важную роль в исследовании неандертальского генома («Science», 2017, doi:10.1126/science.aao1887). И наконец, Денисова 11, или костный фрагмент DC1227 из слоя 12, девочка Денни - героиня сегодняшнего репортажа, дочь неандертальской женщины и денисовца-мужчины.
Линии неандертальцев и денисовцев разошлись не позднее 390 000 лет назад, хотя теперь понятно, что и после этого между ними происходила гибридизация, и у кроманьонцев с неандертальцами и с денисовцами тоже. Однако, как отметила Вивиан Слон, первый автор статьи, никто не ожидал, что удастся найти настолько ясное и бесспорное доказательство - потомка скрещивания в первом поколении, наполовину неандертальца, наполовину денисовца.
Когда жила Денни и сколько ей было лет? Костный фрагмент Денисова 11 был найден в 2012 году, результаты его исследования опубликованы четырьмя годами позже («Scientific Reports», 2016; doi: 10.1038/srep23559). Но для начала надо было доказать, что этот небольшой, около 2 см в длину, обломок кости принадлежит именно человеку. В Денисовой пещере найдены сотни тысяч костных фрагментов, но как отыскать среди них гомининные? Мало ли кого тут люди разделывали и ели. Человеческие зубы, конечно, не спутаешь со звериными, а с кусочками трубчатых костей все не так просто. Чтобы определить их видовую принадлежность, использовали метод фингерпринта пептидов коллагена. Этот белок соединительной ткани содержится в костях всех млекопитающих и достаточно хорошо сохраняется, особенно в прохладном климате (а в Денисовой пещере прохладно круглый год). Кроме того, коллаген имеет четкие видовые вариации в аминокислотной последовательности, которые можно выявить с помощью масс-спектрометрии. Этот метод получил название ZooMS - «зооархеология по масс-спектрометрии», и он помог найти среди множества костных обломков принадлежавший представителю рода Homo.
Радиоуглеродное датирование показало, что возраст находки - более 50 000 лет, однако «более» - в данном случае понятие растяжимое. Радиоуглеродный анализ отлично работает на протяжении исторического периода, но полсотни тысячелетий - это близко к пределу его возможностей. Более точная датировка по данным генетического анализа дала около 90 000 лет.
Кстати, в том же исследовании получены данные микрокомпьютерной томографии, говорящие о том, что косточка подвергалась кислотному травлению, возможно, в желудке хищника (авторы предполагают, что пещерной гиены, их там водилось много). Этот неромантический момент почему-то не упоминается в свежих новостях о дочери двух народов. Хотя, если папа-неандерталец прикончил и приволок в пещеру гиену, которая съела ребенка, сценарий фильма о древних жителях Алтая еще можно спасти…
Да, так почему ребенок? По толщине кортекса (более плотного поверхностного слоя) кости исследователи заключили, что индивиду на момент смерти было не менее 13 лет; в принципе, могло быть и больше.
Почему известно, что неандерталка - именно мать, а не отец? Это установили по исследованию митохондриальной ДНК, все в той же работе 2016 года. Полученная последовательность была абсолютно неандертальской, прекрасно кластеризовалась с другими неандертальскими мтДНК, таким образом, в происхождении матери не было ни малейших сомнений. Напомним, что мтДНК наследуется по женской линии, как и сами митохондрии - клеточные органеллы, вырабатывающие энергию; человек получает их только от мамы.
Как установили, что ребенок - девочка и что отец - денисовец? Это и есть результат новой работы, опубликованной в «Nature», - исследование уже не митохондриальной, а геномной ДНК. Такие исследования стали возможными благодаря технологиям секвенирования нового поколения (в данном случае использовались платформы MiSeq и HiSeq 2500 компании «Illumina»), которые могут читать огромное количество мелких кусочков ДНК, а также благодаря информационным технологиям, позволяющим сопоставлять прочитанные обрывки с отсеквенированными ранее (референсными) геномами. Прочитанные кусочки называются ридами. В данной работе было достигнуто покрытие 2,6 (то есть каждый нуклеотид содержали в среднем 2,6 рида); бывают покрытия и получше, но такой результат уже можно обсуждать, тем более для уникальной древней ДНК.
Так, значит, почему дочка, а не сын? Как известно, все неполовые хромосомы у людей парные, а половые - у женщин парные, ХХ , у мужчин непарные, ХY. Исходя из предположения, что ДНК всех хромосом имеет одинаковую сохранность, в образцах женской ДНК для Х-хромосомы покрытие будет таким же, как и для любой неполовой хромосомы, а у мужчины существенно меньше. Этот метод для древней ДНК надежнее, чем поиск маркеров Y-хромосомы: если эти маркеры найдутся, значит, ДНК точно принадлежит мужчине, а если не найдутся, то женщине… или мужчине, но маркер потерялся. Сравнение же покрытия неполовых и половых хромосом четко разделяет древних людей на две несмешивающиеся группы, и Денни по этому признаку попала к девочкам.
Но самые интересные результаты показало сравнение ридов с неандертальскими и денисовскими геномами: неандертальские и денисовские аллели оказались представленными примерно в равных соотношениях (38,6% неандертальских аллелей и 42,3% денисовских). В принципе, подобный результат мог наблюдаться и в том случае, если ребенок принадлежал к смешанной популяции. Однако распределение неандертальских и денисовских аллелей (в частности, высокая гетерозиготность) больше всего походило на то, которое должно было наблюдаться у гибрида первого поколения: из двух копий каждого гена одна получена от матери, другая от отца.
Что касается неандертальских аллелей, в 12% случаев они были теми же, что в геноме алтайской неандерталки (Денисова 5), которая жила в той же пещере 120 000 лет назад, то есть примерно на 30 000 лет раньше, чем Денни и ее родители, и в 19,6% - теми же, что в геноме Vindija 33.19, неандертальца из хорватской пещеры Виндия, который жил намного позднее, около 55 000 лет назад. Вывод кажется странным - Хорватия далеко от Алтая, но за десятки тысяч лет мигрирующие группы древних людей могли пройти огромные расстояния. Также установлено, что у отца-денисовца был неандертальский предок, хотя и очень давно - за сотни поколений до него. Кстати, и у знаменитой Денисова 3 обнаружена неандертальская примесь.
Таким образом, появляется все больше данных в пользу того, что межгрупповое скрещивание не было редкостью. «Неандертальцы и денисовцы, вероятно, имели не так много шансов встретиться. Но раз уж это произошло, они должны были скрещиваться часто - намного чаще, чем мы думали», - сказал Сванте Пэабо.
Какими были денисовцы? Точно не известно. Судя по найденным зубам и костным фрагментам, они больше походили на неандертальцев, чем на нас. Люди крепкого, массивного телосложения, по некоторым генетическим данным, - смуглые, темноволосые и темноглазые (по крайней мере, те, чьи геномы были исследованы). Не исключено, что они были талантливыми мастерами, если хотя бы часть найденных в тех же слоях артефактов сделана ими. Есть версия, например, что длинную иглу из птичьей кости изготовили денисовцы, а раз им понадобилась игла, то, значит, шили, нанизывали бусы… впрочем, с этой версией не все согласны. Возможно, через некоторое время мы узнаем больше - или найдем новые останки, или лучше научимся понимать тексты ДНК".
Е. Клещенко, "Химия и жизнь", № 9, 2018