История, хранящаяся в ДНК
13 февраля 2014 года журнал Nature опубликовал статью «Геном человека позднего плейстоцена (на основании останков, обнаруженных в захоронении культуры Кловис в Западной Монтане)». Кловис — это доисторическая американская культура, названная по городу в штате Нью-Мексико, в районе которого в 1920–1930-х годах были найдены каменные орудия этой культуры. Представители Кловис проживали здесь в конце последнего ледникового периода, то есть примерно 13–12,6 тысячи лет назад, и многие американские палеонтологи считают ее прародительницей всех коренных племен Северной и Южной Америки. На момент публикации статьи ученые еще не пришли к единому мнению относительно происхождения культуры Кловис. Большинство считало, что ее представители пришли в Америку из Азии, но некоторые предполагали альтернативный путь через Юго-Западную Европу по окраинам ледниковых шапок, покрывавших Атлантический океан. Историческая значимость монтанского захоронения сразу была очевидна. Оно было обнаружено в 1968 году на землях, принадлежащих семейству Анзик, у подножия Скалистых гор неподалеку от Уилсола. В захоронении были найдены череп и останки костей мальчика в возрасте от года до полутора лет, которого исследователи назвали Анзик-1. Помимо этого в единственном известном науке захоронении культуры Кловис имелось множество каменных орудий и фрагментов костяных инструментов.
Радиоуглеродный анализ показал, что возраст костей ребенка составлял 12 700 лет. Таким образом, монтанское захоронение оказалось самым древним из обнаруженных на территории Северной Америки. Этот факт, а также наличие в захоронении характерных инструментов доказывали, что Анзик-1 умер на самом раннем этапе кловисской миграции. Секвенирование его генома могло бы дать ученым ценнейшую информацию об этническом и географическом происхождении первых американцев. Решение этой задачи взяла на себя команда эволюционных биологов из Дании совместно с экспертами из Национального исторического музея и Копенгагенского университета.
Итак, что именно искали ученые в геноме мальчика, умершего во время последнего оледенения Земли?
Они хотели больше узнать о нашем происхождении и о миграциях людей в те времена, когда их выживание зависело от охоты и собирательства, когда все инструменты и оружие делались из дерева, кости и камня и когда не существовало границ, империй, городов и сельхозугодий.
Чтобы лучше понять, что они искали, нужно знать термин «однонуклеотидный полиморфизм», или SNP. Звучит сложно, но, как мы увидим дальше, на самом деле нет ничего проще. Итак, добро пожаловать на наш волшебный поезд, идущий по рельсам ДНК. Сегодня маршрут проложен по участку ДНК половой клетки (сперматозоида или яйцеклетки) во время ее формирования. Я хочу обратить ваше внимание на процесс, который иногда происходит при репликации ДНК. Думаю, мне не нужно напоминать, что перегоны нашего железнодорожного полотна состоят из комплементарных нуклеотидов. Ц всегда присоединяется к Г, А и Т с помощью водородных связей. Наблюдая репликацию, вы можете видеть, как рельсы начинают расходиться в стороны. Водородные связи ослабевают и расщепляются, начинается процесс копирования. Я направляю наш поезд по самой нижней ветке — так называемой антисмысловой нити. Мы долго едем на восток, пока, наконец, я не останавливаю паровоз. Давайте выйдем из вагонов и рассмотрим один железнодорожный перегон.
— Итак, перед вами участок ДНК в так называемой некодирующей части генома. Он не является элементом гена, который кодирует белок.
— Что же мы ищем?
— Ошибку копирования.
Как и раньше, вы легко ее замечаете. Ошибка возникла там, где при повторном формировании полотна должны были соединиться Г и комплементарный ему Ц. На месте Ц (цитозина) оказался Т (тимин). Итак, перед нами еще одна точечная мутация. Очевидно, что Г и Т не могут соединиться друг с другом, поэтому данный участок полотна является поврежденным. Но в ходе последующих циклов репликации находящийся не на своем месте Т будет привлекать комплементарный А (аденин) при копировании в новую кодирующую нить. Это изменение в последовательности ДНК будет передано в половые клетки, унаследовано сформировавшимся из них ребенком, а затем — и всеми его потомками. Именно такое изменение и называется однонуклеотидным полиморфизмом, или снипом (по англоязычной аббревиатуре SNP).
Мутация происходит в некодирующей последовательности, поэтому она не повлияет на здоровье ребенка. Естественный отбор игнорирует такие снипы. Выражаясь научным языком, мы можем сказать, что они селективно нейтральны. Это означает, что все последующие поколения наследуют их без вреда или преимуществ для себя. С течением времени однонуклеотидные полиморфизмы накапливаются в популяции вида, создавая генетические маркеры в определенных участках хромосом. Затем такие маркеры становятся указателями на конкретные генетические линии.
В геноме каждого человека существуют миллионы снипов. Они указывают на различия как между отдельными особями, так и между целыми популяциями. Некоторые снипы формируют четко очерченные кластеры в определенных участках хромосом. Такие кластеры называются гаплотипами и наследуются как единое целое. Они не повреждаются даже при обмене элементами совпадающих хромосом во время половой рекомбинации, которая происходит в ходе формирования яйцеклеток или сперматозоидов. Здесь я должен отметить, что изначально понятием «гаплотип» обозначались кластеры генов, имеющие тенденцию к совместному наследованию. Однако определение гаплотипа пришлось изменить, когда мы выяснили, что большая часть человеческого генома состоит не из генов. Если вы мужчина, то гаплотип вашей Y-хромосомы будет одинаковым у вас, вашего отца и всех предков мужского пола по отцовской линии. То же относится и к митохондриальному гаплотипу, который и мужчины и женщины получают по линии матери.
Генетики используют и другой способ группировки — в гаплогруппы, которые применяются для того, чтобы объединять гаплотипы по общему предку. Однако здесь я должен призвать вас быть внимательными, так как некоторые генетики игнорируют различия и используют понятия «гаплогруппа» и «гаплотип», как если бы они обозначали одно и то же. Например, мужчины кельтского происхождения, то есть ирландцы, валлийцы и баски, объединены Y-хромосомной гаплогруппой, как и мужчины германо-скандинавского происхождения. Но если пойти еще дальше, то большинство европейских мужчин (или женщин) можно объединить в гаплогруппу еще более раннего происхождения, например по азиатским корням. По этой причине гаплотипы обычно используют при работе с близкими родственниками и генеалогическими деревьями, а гаплогруппы — при генетических исследованиях более далеких исторических популяций.
Гаплогруппа (или гаплотип) начинается с корневой, или основной, мутации, которая обнаруживается в ходе археологических и палеонтологических исследований у определенной человеческой популяции. Затем к ней добавляются дополнительные селективно нейтральные мутации в рамках того же региона распространения хромосомы, которые со временем создают различимые генетические подгруппы. Корневую мутацию обычно обозначают заглавной буквой, а последующие мутации, возникающие за счет дополнительных снипов, — цифрами или строчными буквами. Генетические линии формируют что-то вроде дерева — от единого ствола отходят ветви, которые становятся все тоньше и тоньше. Эти ветви обозначают подгруппы, расходящиеся от основной группы в течение тысяч, десятков или даже сотен тысяч лет.
Одна такая древняя гаплогруппа, обнаруживаемая исключительно в митохондриальной ДНК, называется D-кладом, или монофилетическим таксоном D. Он возник как корневой снип в популяции, проживавшей в Северо-Восточной Азии, включая современную Сибирь, примерно 48 тысяч лет назад. Со временем потомки популяции D привнесли в митохондриальную ДНК и другие снипы, что привело к возникновению четырех ветвей, или кладов, от D1 до D4. Дополнительные мутации в рамках продолжавших мигрировать ветвей стали причиной появления подгрупп. Каждая новая ветвь, или подгруппа, соответствовала определенному географическому местоположению или временному отрезку движения популяции, что можно было подтвердить при помощи археологии, например методом радиоуглеродного анализа. Так популяционные генетики отслеживают исторические передвижения и взаимодействия различных ветвей по всей Азии и Европе, а также, через некоторое время, по Северной и Южной Америке.
Но вернемся к ребенку Анзик-1. Мы знаем, что радиоуглеродный анализ определил его возраст как 12 600–13 000 лет. Это значит, что этот ребенок был жив в самом начале колонизации обеих Америк. Его митохондриальная гаплогруппа — D4h3a, редкая генетическая линия, характерная для коренных народов Америки. Учитывая датировку и гаплогруппу, исследователи заключили, что Анзик-1 принадлежал к этнической группе, близкой к основателю линии D4h3a, то есть представители его народности были предками 80% коренных американцев и близкими родственниками остальных 20%. Изучение генома Анзик-1 также показало далекое сходство с некоторыми европейскими гаплотипами.
В журнале той же группой генетиков и археологов были описаны останки мальчика возрастом 24 тысячи лет, обнаруженные в раннепалеолитическом захоронении в Сибири. Это самые древние останки современного человека, найденные на сегодня. Изучение его гаплотипа показало, что он принадлежал к еще более старой митохондриальной гаплогруппе, чем Анзик-1, точнее, к базовой линии гаплогруппы R. Сегодня к ней относятся люди, проживающие в Западной Евразии, Южной Азии и на Алтае на юге Сибири. Родственные гаплогруппе R-линии формируют гаплогруппу Q, которая распространена среди коренного населения Америки. В Евразии ее ветви, наиболее близкие к американским, также встречаются на Алтае. По мнению датского палеонтолога Эске Виллерслева, который руководил секвенированием геномов обеих находок, «в какой-то момент в прошлом группа жителей Восточной Азии и группа из Западной Евразии встретились, и их потомки широко распространились по миру». В частности, они направились на восток по сухопутному мосту между Азией и Северной Америкой и обнаружили два огромных богатых континента, не заселенные людьми. От них произошло большинство коренных американских народов, которые известны нам на сегодня, включая Анзик-1. Пускай не все согласны с Виллерслевом, останки этих двух мальчиков объясняют, почему у коренных американцев и западных евразийцев совпадает от 14 до 38% генома.
Приведен отрывок из книги «Таинственный геном человека»
