Чувствительные неандертальцы

Нобелевская неделя 2022. Сванте Паабо: «Возможно, неандертальцы были очень чувствительными»

Петр Казимиров, PCR.news

Скриншот канала Нобелевского комитета

После благодарностей Каролинскому институту и Нобелевскому комитету Паабо напомнил слушателям историю расселения гоминин. Первые люди покинули Африку около двух миллионов лет назад и распространились на территорию Европы и Азии. Люди современного типа появляются в Африке 200-300 тысяч лет назад, а расселяться начинают менее чем 100 тысяч лет назад. Наши предки в своем путешествии были не одиноки — в Европе они встретились с неандертальцами, в восточной Азии с другими, менее изученными формами вымерших гоминин. Неандертальцы, отличающиеся более массивным строением скелета по сравнению с современными людьми, впервые появились в археологической летописи около 400 тысяч лет назад, обитали в Европе и Западной Азии вплоть до 40 тысяч лет назад и затем исчезли.

Лауреат объяснил причины своего интереса к неандертальцам: «Наша группа была, можно сказать, одержима неандертальцами уже более 20 лет. И вы можете спросить — почему мы должны интересоваться этими формами людей, которых уже не существует. И для меня есть, как минимум, две причины. Первая — они наши ближайшие эволюционные родственники и определяют современного человека как группу. Если мы хотим узнать, чем генетически и биологически уникальны современные люди, мы должны сравнить нас с неандертальцами... Вторая причина — они существовали относительно недавно. Всего около 40 тысяч лет назад — 1400 поколений — неандертальцы еще существовали. И, конечно, интересны вопросы, как мы с ними связаны, как мы с ними встретились, и так далее».

Паабо рассказал о своем первом опыте работы с древней ДНК — изучении мумий в Упсальском университете. Тогда ученым удалось идентифицировать клеточные ядра хорошо сохранившейся мумии возрастом 2400 лет, из них выделили ДНК, результаты секвенирования которой Паабо опубликовал в 1985 году. Однако радость от научного прорыва была недолгой: «В течение нескольких следующих лет становилось все более и более понятно, что [выделить древнюю ДНК] не так просто, как я думал. Первые полученные нами последовательности, очевидно, не принадлежали мумии. Это была ДНК куратора музея, моя ДНК или чья-то еще».

Причинами такой неудачи стали технические проблемы. В ископаемых тканях крайне мало ДНК — в сто или даже миллион раз меньше, чем в свежих тканях. Эта ДНК сильно деградирована, она претерпевает химические изменения, в образце содержатся большие количества ДНК бактерий и грибков, колонизировавших останки. Все это приводит к тому, что минимальная контаминация современной ДНК, не оказавшая бы никакого влияния в стандартных условиях, может полностью нарушить процесс изоляции и секвенирования древней ДНК.

В течение следующих лет коллектив усердно работал над модификацией протоколов и техник экстракции и добился стабильного получения коротких фрагментов древней ДНК, в том числе участков, представленных множеством копий, таких как митохондриальная ДНК. Отработка методов по большей части проводилась на образцах вымерших животных, чтобы легче было идентифицировать контаминацию современной ДНК.

Тем не менее появились результаты, которые позволили дать первые ответы об эволюционных взаимоотношениях неандертальцев и современных людей. Две основных существовавших в то время теории предполагали или вытеснение древних людей современными формами без смешивания, или ассимиляцию древних форм в современные.

Лаборатория Паабо смогла выделить фрагмент митохондриальной ДНК из бедренной кости типового образца (то есть первого найденного представителя неандертальцев, из долины Неандерталь недалеко от Дюссельдорфа). Анализ мтДНК показал, что ближайший общий предок неандертальцев и современного человека жил примерно 0,6 миллиона лет назад. Казалось, что это подтверждает теорию о вытеснении.

Однако в то время уже было понятно, что полную эволюционную историю группы невозможно описать только по мтДНК, отметил Паабо. И появление в начале нового тысячелетия высокопроизводительного секвенирования сделало возможным анализ ядерного генома. Стали раскрываться новые особенности древней ДНК, например, частое присутствие C-T замен на концах молекул, происходящее в результате дезаминирования цитозина — процесса, происходящего в течение от сотни до многих тысяч лет. Подобные замены могут быть использованы для идентификации древних молекул.

Коллективу Паабо удалось получить ядерную ДНК из останков, найденных в пещере Виндия в Хорватии и, при активном участии группы Джанет Келсо (Janet Kelso), выполнить их выравнивание на геном современного человека. Результатом этой работы стала публикация в 2010 году первого неполного (~55%) генома неандертальца.

Затем Паабо рассказал о реконструкции эволюционных отношений между неандертальцами и современными людьми при помощи полученного генома. Анализ частоты общих вариантов показал, что люди в Европе и Азии с большей вероятностью несут общие с неандертальцами варианты, чем ожидалось бы при независимой эволюции (в свою очередь, картина, соответствующая независимой эволюции, наблюдается в Африке). Эти результаты породили идею о том, что современные люди встретили неандертальцев вскоре после исхода из Африки, смешались с ними и разнесли в процессе расселения характерные для неандертальцев генетические варианты по территории Европы и Азии. В итоге современные люди неафриканского происхождения несут 1-2% неандертальских участков в своих геномах.

В дальнейших исследованиях генома неандертальцев помогли раскопки, проведенные командой из Новосибирска под руководством А.П. Деревянко в Денисовой пещере в горах Алтая. Найденные при раскопках кости проанализировали при помощи значительно развившихся технологий, включая разработанный Маттиасом Мейером (Matthias Meyer) метод, позволяющий разделять двуцепочечную ДНК и использовать обе цепочки в качестве матрицы для секвенирования. В результате были получены значительно более полные геномы неандертальцев, доступные сейчас для образцов из Денисовой и Чагырской пещеры и пещеры Виндия.

Эти данные подтвердили ранее обозначенную долю неандертальских последовательностей в геномах многих современных людей — 1-2%. Но также удалось показать, что разные люди несут неандертальские варианты в различных участках генома, поэтому в совокупности геномов современных людей можно найти около 40% генома неандертальцев.

Паабо отметил профессионализм российских ученых, которые смогли идентифицировать небольшой фрагмент кости, найденный в Денисовой пещере, как возможно принадлежащий человеку, и указать на это группе Паабо. Когда Паабо и его коллегам удалось получить геном высокого качества из найденного фрагмента, к своему удивлению, они обнаружили, что он не соответствует ни геному неандертальцев, ни геному современного человека. Ученые установили, что новооткрытая группа отделилась от неандертальцев приблизительно 400 тысяч лет назад. Новых гоминин назвали денисовцами.

Довольно быстро стало понятно, что денисовцы также внесли весомый вклад в эволюцию современного человека. Геномы обитателей Восточной Азии несут около 0,2% денисовского генетического материала, в то время как в Океании эта цифра достигает 6%. Паабо рассказал об интересных особенностях популяционной истории денисовцев, которые были описаны другими группами ученых. Исследования современных людей Папуа — Новой Гвинеи, Китая и Японии показали, что в их геном внесли вклад как минимум две разные популяции денисовцев. Наличие нескольких разнородных популяций отличает денисовцев от достаточно гомогенных неандертальцев.

Далее Паабо коротко напомнил, что сообщили генетические исследования об эволюции рода Homo — выход древних людей из Африки около 500 тысяч лет назад, их разделение на неандертальцев и денисовцев; предположительно меняющаяся граница между двумя гомининами; выход современных людей из Африки около 50 тысяч лет назад, их гибридизация с неандертальцами, расселение и дальнейшая гибридизация с денисовцами и, наконец, исчезновение неандертальцев и денисовцев, которые тем не менее, по словам Паабо «все еще живы в их вкладе в человеческий геном». Паабо также ответил, что есть свидетельства гибридизации современных людей с другими гомининами и на территории Африки, и что эта тема требует дальнейших исследований.

Паабо рассказал о нескольких находках останков современных людей, которые жили бок о бок с неандертальцами, в чьих геномах были обнаружены прямые свидетельства гибридизации с двумя формами Homo. Так, человек современного типа, останки которого возрастом около 40 тысяч лет были найдены в пещере Пештера-ку-Оасе (Румыния), вероятно, имел родственников-неандертальцев на удалении 4-6 поколений. Геном человека из болгарской пещеры Бачо Киро, который жил примерно 45 тысяч лет назад, содержал 3-4% генома неандертальцев. При этом останки из этой же пещеры возрастом 35 тысяч лет несут характерные для современных людей 1-2% неандертальского генома. Такие данные, по мнению Паабо, говорят о том, что неандертальцы и денисовцы активно скрещивались с современными людьми и были постепенно ассимилированы в их популяцию, вероятно, значительно более многочисленную.

Идентификация вариантов, общих для современных людей и неандертальцев, но отличных от шимпанзе может рассказать об изменениях, происходивших с момента отделения людей от шимпанзе. Подобные попарные межвидовые сравнения также могут выявить генетические особенности, уникальные для современных людей и неандертальцев, которые каждая из групп приобрела после расхождения линий.

В качестве иллюстрации Паабо привел результаты исследования, проведенного в сотрудничестве с Хьюго Зебергом (Hugo Zeberg). Зеберг обратил внимание на ионный канал Nav1.7, который в геноме неандертальцев имел целых три замены по сравнению с геномом современного человека. Данный ионный канал находится в периферических нервах и отвечает за ощущение боли. Исследования показали, что неандертальская версия канала генерирует ток большей силы по сравнению с современным вариантом за счет сниженной инактивации. Ученые использовали данные из UK Biobank и выяснили, что неандертальский вариант присутствует в современной популяции с крайне небольшой частотой. Для оценки влияния неандертальского варианта ученые проанализировали данные о болевых синдромах из опросов, которыми сопровождаются генетические данные в UK Biobank.

«Наиболее очевидным фактором, с которым ассоциирована боль в нашей жизни, к сожалению, является возраст. … Что более релевантно, это то, что люди, несущие неандертальский вариант, сообщают о большем количестве болевых синдромов в их жизни. И если мы соотнесем это с данными о возрасте, с которыми, пожалуй, нам всем проще ассоциировать, неандертальский вариант аналогичен тому, как если бы вы были на 8,5 лет старше в отношении боли в вашей жизни. (…) Все люди в UK Biobank, естественно, гетерозиготны по этому варианту. Неандертальцы были гомозиготными. Так что, возможно, нам стоит пересмотреть представления о них как о грубых бесчувственных индивидах. Возможно, они были очень чувствительными».

Еще один пример, приведенный Паабо, — рецептор прогестерона. Давно было известно о существовании варианта рецептора, ассоциированного с преждевременными родами. Он практически отсутствует в Африке, и распространение варианта в целом указывает на то, что он происходит от неандертальцев. Были даже выдвинуты предположения, что он был одним из факторов отбора, по которым неандертальцы проигрывали современному человеку. Однако большое количество полученных сиквенсов современных людей, живших в различные эпохи, позволяет проследить, как изменялась во времени его частота встречаемости. Для данного варианта рецептора прогестерона было показано взрывоподобное распространение после отметки в 7000 лет назад. Такую ситуацию сложно представить, если бы вариант был только вредным. Дальнейшие исследования показали, что не-неандертальский вариант является значительным фактором риска выкидышей и осложнений при беременности.

Паабо отметил, что довольно часто для ранее известного генетического варианта описывают неандертальское происхождение. В число таких вариантов входят CYP2C8*3 и CYP2C9*2, ассоциированные с метаболизмом ибупрофена и варфарина.

Наиболее свежий пример влияния неандертальских аллелей на здоровье был выявлен во время пандемии коронавируса. Группа Зеберга установила, что неандертальский вариант фрагмента третьей хромосомы является значительным фактором риска при заболевании COVID-19 — он повышает риск смерти при госпитализации примерно в два раза. При этом данный вариант практически не встречается в Восточной Азии, что указывает на некий фактор негативного отбора, присутствовавший в прошлом в данном регионе. Носители данного варианта имеют значительно меньший риск заражения ВИЧ. По словам Паабо, этот пример хорошо иллюстрирует тот факт, что генетические варианты обычно имеют множественные эффекты, среди них мало однозначно «хороших» и «плохих». 

Паабо рассказал о некоторых генетических изменениях, уникальных для современного человека. «Я считаю, что современные люди уникальны в определенных аспектах. Потому что неандертальцы и денисовцы существовали сотни тысяч лет, но предположительно их численность никогда не превышала 100–200 тысяч индивидов. В случае современного человека не позднее 70 тысяч лет назад технологии начинают стремительно развиваться, дифференцироваться в разных регионах. Есть свидетельства, что у неандертальцев было искусство. Но искусство фигуративное (когда сразу можно понять, что изображено) появляется только у современных людей. Современные люди становятся многочисленными, распространяются по всему миру и вытесняют другие формы людей. Идея заключается в том, что часть этой склонности к развитию технологий и культуры может прятаться в генетических изменениях [произошедших со времени отделения современных людей от неандертальцев]».

В заключение Паабо еще раз подчеркнул важность секвенирования геномов древних людей в реконструкции эволюции различных гоминин и их взаимоотношений, а также поблагодарил сотрудников Института эволюционной антропологии общества Макса Планка и Университет аспирантуры Окинавского института науки и технологий, которые сделали возможной его работу.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru