версія для друку
13.05.2010 Близькі контакти у доісторичні часи

Довгоочікувана послідовність генома неандертальців показує, що сучасні люди і неандертальці змішалися десятки тисяч років тому, можливо, на Близькому Сході.

Це таємниця гори Кармель. На цьому вапняковому хребті з видом на узбережжя Ізраїлю, сучасні люди час від часу жили в печерах на протязі десятків тисяч років, починаючи з більш ніж 100 тисяч років тому. Тоді, можливо, вже 80 тисяч років тому, члени іншого виду прийшли і зайняли печери: важкі здоровані неандертальці, які бігли від похолодання в Європі на південь і Близький Схід. Чи два види зустрілися тут? Чи вони парувалися? 

Археологічні знахідки в печерах неоднозначні з цього питання, і антропологи постійно воюють з цих питань. Деякі стверджують, що анатомія скам'янілостей показує, що неандертальці, наші найближчі родичі, дійсно спаровувалися з сучасною людиною, чи то на Близькому Сході чи в Європі. Але інші вважають, що сучасні люди походять з Африки і повністю замінили неандертальців практично без схрещування. І генетичні свідоцтва зі стародавніх кісток не показували ніяких ознак, що неандертальці обмінювались генами з нашими предками - до сих пір.

На сторінці 710 (Science 7 May 2010: Vol. 328. no. 5979) міжнародна група дослідників представляє свій перший детальний аналіз послідовностей в рамках проекту генома неандертальців, який тепер включає в себе більше 3 млрд нуклеотидів, зібраних з кісток трьох жінок-неандерталок, що жили в Хорватії більш ніж 38 тисяч років тому. При порівнянні цього композитного генома неандертальців з повними геномами п'яти живих людей з різних куточків світу, дослідники виявили, що як європейці так і азіати мають від 1% до 4% їх ядерної ДНК подібної до неандертальців. Але африканці цієї частки не мають. Це говорить про те, що ранні сучасні люди змішалися з неандертальцями після того як сучасні люди залишили Африку, але до їх розповсюдження в Азії і Європі. Докази гібридизації є "неспростовними", говорить Джон Хокс, палеоантрополог з Університету Вісконсіна в Медісоні, який не був пов'язаний з цим дослідженням. "Немає іншого шляху, як ви можете це пояснити."

У результаті, багато людей, що живуть за межами Африки, успадкували невелику, але значущу кількість ДНК від цих вимерлих людей. "У деякому сенсі, неандертальці не зовсім зникли», говорить провідний автор Сванте Пеобо, палеогенетик з Інституту еволюційної антропології Макса Планка в Лейпцигу, Німеччина, який був здивований, що він є частково неандертальцем. "Вони продовжують жити у деяких з нас".

Група також використовувала неандертальську ДНК як зонд, для того щоб знайти гени, які роблять нас сучасними людьми. Хоча геноми людей і неандертальців є на 99,84% ідентичними, дослідники визначили ділянки, які були змінені або еволюціонували з тих пір, як наші предки і неандертальці розійшлися десь між 270000 і 440000 років тому - новий, трохи молодший вік розколу за оцінкою авторів. До цих пір група виявила суттєві відмінності в генах, що беруть участь у метаболізмі, шкірі, скелеті, і розвитку пізнання, хоча ніхто не знає ще, як ці генетичні зміни впливають на фізіологію. "Це новаторське дослідження!" з ентузіазмом говорить еволюційний генетик Хендрік Пойнар з Університету МакМастер в Гамільтоні, Канада. "Ми можемо обговорити фактично вимерлий вид людини - неандертальців - на генетичному рівні, а не тільки за морфологічними ознаками."

Змішаний шлюб

Відкриття схрещування в ядерному геномі здивувало членів групи. Неандертальці співіснували з сучасною людиною в Європі від 30000 до 45000 років тому, і, можливо, на Близькому Сході ще 80000 років тому (див. карту, Точки дотику). Але не було знайдено домішок в повній карті геному мітохондріальної ДНК (мтДНК) неандертальців, ні в більш ранніх роботах з іншим генним матеріалом (Science, 13 лютого 2009, стор 866). І багато дослідників вирішили, що не було схрещувань, які призвели до життєздатного потомства. "Ми почали з дуже сильним упередженням проти змішування", говорить співавтор Девід Рейх з Гарвардської медичної школи в Бостоні. Дійсно, коли Пеобо вперше дізнався, що ДНК неандертальців, як правило, більш близька до європейської ДНК, ніж до африканської ДНК, він подумав: "Ах, це, ймовірно, просто статистична випадковість". Коли зв'язок зберігався, він вважав, що це зміщення в даних. Тому дослідники використали різні методи в різних лабораторіях, щоб підтвердити результат. "Я переконаний зараз, тому що три різні способи аналізу даних прийшли до цього висновку суміші ДНК", говорить Пеобо.

Виявлення схрещування спростовує найвужчу форму давньої моделі, яка передбачає, що всі живі люди можуть простежити своє походження від невеликого африканського населення, що поширилося і повністю замінило архаїчні види людей без схрещування. "Це не чиста замісна модель походження з Африки -2% схрещування не є тривіальністю", говорить Кріс Стрінгер, палеоантрополог з Музею природної історії в Лондоні, один з головних архітекторів подібної моделі. Але це і не повальне змішування: "Це не обмін дружинами з печери до печери, кількість домішки крихітна", говорить молекулярний антрополог Тодд Дісотелл з Нью-Йоркського університету в Нью-Йорку. "Це заміщення з підтіканням".

Хоча охоплення генома неандертальців в 1,3 рази є видатним технічним досягненням, одна третина геному ще є туманною. В іншій статті (стор. 723), група описує і успішно випробовує новий метод для заповнення прогалин у чернетці геному.

Група також використала три методи щоб виокремити результат схрещування. По-перше, вони склали геноми неандертальців з використанням ДНК з кісток кінцівок трьох жінок-неандерталок, які жили в печері Віндія (Vindija) у Хорватії з 38000 до 44000 років тому, вони підтвердили частини геному, з набагато меншою кількістю ДНК неандертальців, які жили в Іспанії, Німеччині і Росії.

Як тільки вони переконалися, що композитний геном дає точне представництво неандертальців по більшій частині їх географічного ареалу, дослідники порівняли геном неандертальців до шимпанзе, щоб визначити, які генетичні варіанти були примітивними, споконвічними формами. Потім вони порівняли нові, отримані генетичні варіанти неандертальців з тими, що є в повних геномах п'яти живих людей, у тому числі один Сан з Південної Африки, один Йоруба із Західної Африки, один з Папуа-Нової Гвінеї, один Хан китаєць, і один французький європеєць.

Команда виміряла генетичну близькість між неандертальцями і парами сучасних людей з різних континентів, в першу чергу використавши поліморфізм одного нуклеотиду (SNP) або місця в геномі, в яких один нуклеотид відрізняється між індивідами. Коли вони порівняли неандертальців з європейцями та азіатами, вони виявили, що неандертальці завжди поділяли стільки ж отриманих (або нещодавно виниклих) SNPs з кожним з них. Але коли вони порівняли неандертальця з африканцем і європейцем, або з африканцем та азійцем, неандертальці завжди поділяли більш SNPs з європейцем або азійцем, ніж з африканцем. "Ми показали, що неандертальці значно більш тісно пов'язані з не-африканцями, ніж африканці в середньому", говорить Рейх.

Точки дотику. Археологічні дані свідчать, що неандертальці і ранні сучасні люди могли перетинатися спочатку на Близькому Сході і пізніше в Європі. (подяка за карту - Кріс Стрінгер і Офер Бар-Йосеф)

Навіть те, що вони досліджували тільки двох африканців в цій частині роботи, не так важливо, бо ці два мають особливо древню, багатоманітну спадщину, так що вони хороші проксі для більшої частини генетичного різноманіття в Африці. Але виявлення додаткових послідовностей африканців було б гарним додатком, говорить Рейх.

Зараз здається, що неандертальці змішалися з предками європейців і азіатів, але не з предками африканців. Спочатку "ми були збиті з пантелику, що ця спорідненість з неандертальцями присутня не тільки в Європі та Західній Азії, [де це було очікувано], але і в Папуа-Новій Гвінеї", де нога неандертальців ніколи не ступала, говорить Пеобо.

Щоб бути впевненими, вони використали два інші методи для виявлення перетікання генів між неандертальцями і євразійцями. Використавши опублікований геном афроамериканця з проекту "Геном людини", вони порівняли великі ділянки африканського і європейського походження в цьому одному геномі з ділянками неандертальців. У геному цієї людини, європейські і неандертальські сегменти були ближчі один до одного, ніж кожний з них до африканських сегментів.

Нарешті, популяціонний генетик Расмус Нілсен з університету Каліфорнії (УК), Берклі, переглянув геном людини на предмет "древніх" геномних сегментів - таких, які могли зберегтися ще до часу, коли сучасні люди виникли близько 200000 років тому. Ще до отримання неандертальської ДНК він виділив з 48 людей за межами Африки 13 геномних регіонів, які були надзвичайно змінені, отже, могли б бути еволюційно древніми. Він визначив 13 "старих" варіантів які, можливо, прийшли від неандертальців або інших архаїчних предків, тому що вони відсутні в геномі 23 афроамериканців (використовувалися як проксі для африканців). Тоді група передивилася геном неандертальців, і знайшла 10 з 13 стародавніх варіантів. "Є місця в геномі, де ми можемо сказати, цей відрізок дуже, дуже ймовірно, від неандертальців", говорить Рейх.

Коли і де сучасні люди підібрали ці гени неандертальців? Найбільш вірогідний сценарій "була присутність кількох неандертальців у групі сучасних людей", говорить співавтор і популяційний генетик Монтгомері Слаткін з УК Берклі. Якщо кілька неандертальців змішалися з членами невеликої популяції сучасних людей, варіанти неандертальських генів можуть зберігатися в наступних поколіннях сучасної людини, якщо схрещування населення швидко розширюється, тим самим широко поширюючи неандертальську ДНК.

Такий сценарій явно підходить до кісток і даних кам'яних знарядь з ізраїльських печер, таких як Скхул, Квафзех, і Табун, де неандертальці з'являються в районі 80000 років тому, коли сучасники вже там були. Хоча кожна група, можливо, займала печери з перервами, деякі кажуть, що вони могли перекриватися впродовж 10 тисяч років. Неандертальці і сучасники, здається, навіть займали одну і ту ж печеру Табун в різний час. Два види мають багато спільного: обидва жили в печерах, використовували аналогічні інструменти (хоча неандертальці, можливо, виготовляли кращі кінцівки для списів), і полювали тих самих ланей і газелей. "Це мене не дивує", говорить археолог Офер Бар-Йосеф з Гарвардського університету про знаходження стародавньої ДНК. "Ми завжди передбачали низький рівень перемішування", тому що деякі неандертальці на Близькому Сході, такі, як жіночий скелет з печери Табун, виглядають менш надійними, ніж неандертальці з Азії і Європи. Перемішування в цьому регіоні також могло статися пізніше, коли інша група сучасних людей вийшла з Африки близько 60 тисяч років тому і, можливо, зустріла неандертальців, які як і раніше жили в печерах на Близькому Сході до 50000 років тому, говорить Стрінгер.

Нарешті, дослідники не можуть виключити можливості того, що те що вони бачать, як "неандертальські" мотиви є в дійсності стародавніми генетичними варіантами, які і неандертальці і деякі сучасні люди успадкували від спільного предка, до моменту відокремлення неандертальців. Хоча всі ранні популяції сучасного населення, в тому числі в Африці, могли схрещуватися, цей потік генів не був достатньо повним щоб передати ці неандертальські мотиви всім африканцям. Популяції людини, які більш тісно пов'язані з предками неандертальців, були носіями цих мотивів, у той час як африканці – ні, говорить Рейх.

На сьогоднішній день геномні дані не підтримують схрещування в місці і часі найбільш очікуваному: між 45000 і близько 30000 років тому в Європі. Неандертальці і сучасні люди жили у такій близькості у Франції, наприклад, що деякі дослідники вважають, що неандертальці наслідували сучасних людей в вироблені кам’яних інструментів та технології вироблення бус. Але такі пізні європейські змішування не можуть пояснити поточні результати, в яких азіати і європейці в рівній мірі схожі на неандертальців. Це все ще можливо, що неандертальці і сучасні люди в Європі подекуди схрещувались і гени неандертальців злилися з великою кількістю сучасних людей, говорить Слаткін.

У певному сенсі, це дивно, що немає більше свідчень гібридизації, особливо тепер, коли дослідники знають, що це біологічно можливо. "З якоїсь причини, вони не схрещувались легко, щось їм заважало", говорить еволюційний генетик Сара Тішкофф з Університету Пенсільванії. "Чи був це культурний бар'єр"?

Сучасні мотиви

Геном неандертальців також дає дослідникам новий потужний інструмент для пошуку генів, які з’явилися останнім часом в нашій лінії, після того як ми відокремилися від неандертальців. Група порівняла геном неандертальців з геномами 5 різних сучасних людей. Вони виявили 78 нових нуклеотидних замін, які змінили білок-кодуючу здатність генів, і є в більшості людей сьогодні; п'ять генів мають більш ніж одну таку заміну. Це невелика частина з 3 млрд нуклеотидних пар в кожному геномі. "Тільки 78 замін у останні 300 тисяч років!" говорить Пойнар. "Це дивовижно, що такі незначні зміни закріпилися в людській лінії."

Але мутації, які вони знайшли "всі дуже цікаві, саме тому, що їх так мало", говорить Пеобо, чия група намагається визначити їх функції. Каталог включає в себе зміни в генах, які кодують білки, важливі для загоєння ран, биття джгутика сперматозоїда і генної транскрипції (див. таблицю вище, Різні шляхи). Деякі з цих нових сучасних людських генів кодують білки, що працюють в шкірі, в потових залозах, а також у внутрішній оболонці коріння волосся, а також пігментації шкіри. "Той факт, що три з шести генів, що мають численні заміни, належать шкірі є захоплюючим," говорить Пойнар. Пеобo припускає, що ці зміни "відображають те, що фізіологія шкіри змінилася, але як, звичайно, ми поки не знаємо".

Деякі з цих змін можуть бути нейтральними, та утворилися в результаті генетичного дрейфу, але група також використовує дані неандертальців, щоб знайти інші еволюційні зміни, які були корисні для сучасних людей, і таким чином зустрічаються з великою частотою у деяких групах населення. Зокрема, були визначені 15 послідовностей, що містять від 1 до 12 генів. Широкий регіон знаходиться на 2-й хромосомі і містить ген THADA, місце з варіабельністю у сучасних людей, і пов'язане з діабетом типу 2. Зміни в цьому гені можуть вплинути на енергетичний метаболізм у сучасної людини.

Інші мутації, як видається, є в генах важливих для розвитку пізнання і якщо мутують у сучасних людей, спричиняють такі захворювання, як синдром Дауна, шизофренія і аутизм. Один ген, RUNX2, пов'язаний із захворюванням, яке призводить до цілого спектру аномалій розвитку, в тому числі до потворних ключиць і дзвоноподібної грудної клітки. Це може означати, що неандертальці мали дзвоноподібні грудні ребра і, можливо, своєрідні ключиці. Але як саме всі ці генетичні відмінності виражаються фізіологічно - це наступний рубіж. "Ми повинні продовжити спостереження. Чи є послідовності, які є функціонально значущими?" говорить Тішкофф. "7 травня дані неандертальців повинні бути розміщені на Ensembl і браузері УК в Санта-Крусі, так що інші групи можуть це зробити", говорить Пеобо.

Його власна група вже робить такі функціональні дослідження. Дослідник-постдокторант Маттіас Граллє аналізує те, як ці генетичні відмінності змінили експресію білків. Такі дослідження можуть в кінцевому підсумку запропонувати ключі для розгадки, чому вимерли неандертальці а наші предки цього не зробили."Таємниця не тільки, чому вони зникли", говорить палеоантрополог Жан-Жак Габлін з Інституту еволюційної антропології Макса Планка. "От чому ми були настільки успішними, що замінили усіх інших." Зараз учені дуже раді, що ці "революційні" геномні роботи дали змогу задавати такі цікаві запитання, говорить Пойнар. "Це реальна привабливість цього проекту: Що геном неандертальців розповість нам про функціональні відмінностей між двома [видами]", говорить Пойнар.

Автор:  Анн Гіббонс
Адреса джерела:  http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/328/5979/680
Джерело:  Science Magazine
Показів: 1425