Неандерталец. В поисках исчезнувших геномов - Сванте Пэабо

В геноме древнего усть-ишимца обнаружено 2 процента неандертальских примесей (примерно как у современных обитателей Евразии), но нет следов скрещивания с денисовцами. Его геном имеет одинаковый уровень сходства как с европейскими охотниками-собирателями, так и с жителями Восточной Азии. Это значит, что популяция сапиенсов, обитавшая в Сибири 45 тысяч лет назад, сформировалась еще до того, как предки современных азиатов отделились от предков европейцев.

Важно и то, что находка позволила датировать период скрещиваний праевразийцев с неандертальцами, в результате которых у современных европейцев и азиатов теперь имеются те самые 2 процента неандертальских генов. Для этого достаточно было оценить среднюю длину кусочков неандертальской ДНК в геноме усть-ишимца. Действительно, нетрудно представить, что происходит с кусочками полученных генетических вставок: при половом размножении в результате рекомбинации хромосом каждый участок ДНК дробится. Поэтому чем больше рекомбинаций (читай – скрещиваний), тем мельче нарезаны первоначальные вставки. У усть-ишимца череда предков, передававших потомкам неандертальское наследство, была гораздо короче, чем у современных людей. Значит, кусочки неандертальских вставок должны быть длиннее. Так и оказалось – неандертальские вставки у усть-ишимца и вправду заметно длиннее. Зная время его существования (45 тысяч лет назад) и примерное число разделяющих нас поколений, ученые прикинули и время, когда мигранты, покинувшие Африку, скрещивались с неандертальцами. Расчеты дали оценку в 50–60 тысяч лет назад. Именно тогда толпа переселенцев, как их называет Сванте Пэабо, встретилась с неандертальцами на Ближнем Востоке. Оттуда одни популяции людей расселились на восток, в Азию, и дошли до Сибири, а другие отправились на запад, достигнув Пиренейского полуострова. И эта детальная картина древних миграций раскрылась благодаря молекулам ДНК из одного обломка кости.

Сванте Пэабо изначально поставил предел временного разрешения палеогеномики около сотни тысяч лет. За это время под действием химических процессов длинные молекулы ДНК распадаются до неузнаваемых фрагментов. Но вскоре стало понятно, что этот возраст можно отодвинуть и дальше. В лаборатории Сванте занялись костями из пещеры Сима-де-лос-Уэсос, которые датируют возрастом 400 тысяч лет (3). Это местонахождение на севере Испании давно известно палеонтологам, и название пещеры говорит само за себя – “яма костей”: там найдены кости трех десятков человек, которых относят к виду Homo heidelbergensis. Если бы удалось прочитать его геном, тогда можно было бы понять, кто такие эти загадочные гейдельбергские люди: прямые предки неандертальцев или имеют еще какую-то примесь?

Сама работа с ДНК стала возможной благодаря превосходным условиям “хранения” костей. Карстовая пещера расположена на глубине 30 метров под поверхностью земли и в 500 метрах от ближайшего выхода. Там всегда одна и та же температура (10,6 °C) и почти стопроцентная влажность. В целом это те самые условия, весь их комплекс, которые, по предположению Пэабо, должны замедлять разрушение молекул ДНК. Отметим, кстати, что за проблему сохранности древней ДНК взялись теперь весьма основательно. И если в лаборатории Сванте начались поиски особых “карманов” в костях, откуда можно извлечь больше древней ДНК, то сейчас местоположение таких надежных “карманов” уже известно. Например, лучше всего ДНК выделять из каменистой части височной кости, самой прочной из всех костей черепа; там ДНК сохраняется не только в идеальных условиях известняковых пещер, но даже в захоронениях жаркого и влажного климата (6).

С костями из Сима-де-лос-Уэсос было ясно, что если в них что-то и сохранилось, то в плачевно мизерном количестве. Так что специалисты сосредоточились сперва на митохондриальной ДНК, представленной в каждой клетке в сотне копий. Извлекли мтДНК из бедренной кости, причем для получения достаточного количества генетического материала пришлось израсходовать почти два грамма кости, тогда как обычно достаточно миллиграммов. Но главная трудность состояла, конечно, в сильной загрязненности образцов фрагментами ДНК современного человека. Как-никак кости были выкопаны еще в 1990- е годы, и люди все время работали с этими образцами. Чтобы отделить кусочки мтДНК древнего человека от современных человеческих и бактериальных загрязнений, ученые применили несколько хитроумных “фильтров” и использовали их в разных комбинациях. Во-первых, были отброшены участки ДНК длиной свыше 45 нуклеотидов: маловероятно, чтобы такие длинные фрагменты могли долго сохраняться. Во-вторых, авторы воспользовались тем обстоятельством, что однонитевые концы обрывков древней ДНК со временем накапливают характерные посмертные мутации: Ц заменяется на Т в результате спонтанной деаминации цитозина (вспомним главу о том, как научились работать с такими заменами). Большое количество замен Ц на Т является “сертификатом подлинности” древнего фрагмента ДНК: чтобы произошло много таких замен, требуется много времени. Каждый фрагмент ДНК сравнивали с подходящим фрагментом человеческого митохондриального генома, и если оказывалось, что на концах обрывка слишком мало цитозинов заменилось тиминами, такой обрывок не учитывался при реконструкции. Но если тиминов было много, то он шел в дело. В результате эти тщательно отобранные кусочки были сложены в длинные фрагменты мтДНК, составившие вместе около 98 процентов митохондриального генома. И это была ДНК человека, жившего 400 тысяч лет назад!

Эта мтДНК имела больше сходных элементов с ДНК денисовских людей, чем с сапиенсами и неандертальцами. Здравый смысл подсказывает, что люди из Сима-де-лос-Уэсос вряд ли были предками денисовцев, а сапиенсы и неандертальцы при этом эволюционировали отдельной ветвью. Все же люди из Лос-Уэсос имели скорее неандертальский облик; трудно вообразить, что неандертальские черты сформировались независимо в двух разных линиях. Скорее снова имело место межвидовое скрещивание. Ученые предположили, что архаичные варианты мтДНК попали к предкам неандертальцев и денисовцев в результате скрещивания их общих предков с местными, евразийскими, племенами Homo erectus. Известно, что судьба привнесенной мтДНК сильно различается в разных популяциях из-за генетического дрейфа. Она может быстро исчезнуть у одних, а у других, напротив, размножиться и закрепиться. Похоже, что у денисовцев архаичные варианты мтДНК сохранились. Сохранили их и гейдельбергские люди. А вот неандертальцы, равно как и сапиенсы, их утеряли.

В 2013–2014 годах предполагали, что за ядерной ДНК охотиться бесполезно: технически невозможно отделить ее от современных загрязнений. Но все же через два года удалось прочесть фрагменты ядерного генома людей из Сима-де-лос-Уэсос (4). Этим невероятным (действительно, в это трудно поверить!) проектом руководил Матиас Мейер. Кропотливый поиск иголок в сотне стогов сена дал результат – по количеству древних замен Ц на Т на концах подозрительных фрагментов и другим критериям аутентичности отдельные участки ядерной ДНК гейдельбергских людей были определены. Но на этот раз результаты оказались более ожидаемыми: близость с неандертальцами получилась выше, чем с денисовцами. Так было окончательно доказано, что гейдельбержцы из Сима-де-лос-Уэсос представляли линию, близкую к предкам неандертальцев. Эта популяция существовала после того, как разделились линии неандертальцев и денисовцев. Матиас Мейер считает, что она могла нести то, общее с денисовцами, митохондриальное наследие от эректусов. Но также он предполагает, что неандертальцам, возможно, досталась мтДНК более поздних переселенцев, с которыми они тоже могли скрещиваться и которые не оставили следа в нашей генетической истории.