Від редакції:
Геном людини приховує в собі багато цікавих таємниць. Донори кісткового мозку і люди, причетні до таких операцій, знають, що інколи мешканці різних країн і навіть різних півкуль бувають схожими одне на одного, як близнюки. Дослідження ДНК неандертальців дають можливість трішечки підняти завісу над цими таємницями природи.

Остання з дивовижних тварин, схожа на коня із головою зебри та крупом віслюка — квагга (Equus quagga quagga) — померла у 1883. Минуло століття і дослідники опублікували майже 200 нуклеотидів, секвенованих зі стасорокарічного препарованого шматка м’яза квагги. Ці обривки ДНК — перші секрети генетики, добуті з організму, який вже давно помер — показали, що квагга насправді була окремим підвидом гірської зебри (Equus zebra).
Важливіше інше: вчені тоді довели, що аналіз решток вже не залишатиметься єдиним способом досліджувати прадавнє життя. «Якщо вдасться довести, що тривале збереження ДНК — розповсюджене явище,— зазначили у своїй статті генетики Рассел Хігучі (Russell Higuchi) і Аллан Вілсон (Allan Wilson) з Університету Каліфорнії, Берклі, та їх колеги, — то у виграші буде низка галузей наук, включно із палеонтологією, еволюційною біологією та археологією».
Спершу прогрес ішов ривками. Різні точки зору щодо автентичності досліджень стародавньої ДНК підживлювали розкол всередині галузі і глибокий скептицизм за її межами. Проте суперечки стихли, дякуючи суворості лабораторій, на межі з параноєю, та технологіям секвенування, які дозволяють дослідникам визначити і викреслити можливість забруднення сучасною ДНК.
Отримані результати викликали справжній вибух досліджень стародавніх геномів. Минулого року, вчені змогли розшифрувати два найдавніших на той момент геноми: коня, похованого у канадській вічній мерзлоті майже 700 000 років тому, та прадавнього родича сучасної людини, який знайшов свій кінець у іспанській печері майже 400 000 років тому. Показали і послідовність генів неандертальця, таку ж повну та точну, як і будь-якої людини наших днів, а також геном сибірського хлопчика, який пов’язав корінне населення Північної Америки із європейцями.
Прорив став можливим завдяки технологічним покращенням у виокремленні, секвенуванні та інтерпретації пошкоджених часом ниток ДНК у таких древніх залишках, як кістки, зуби та волосинки. Вчені-першопрохідці отримують ДНК із дедалі старіших та зруйнованих решток, що дає нам знання про людей та інших тварин, які жили багато років тому. А тепер древні ДНК повинні переміститися з чистих боксів спеціалістів до лабораторій археологів, генетиків популяцій та інших вчених. Через тридцять років після того, як квагга стала першою на цьому шляху, Nature вирішив дослідити майбутнє цієї області.

Геном віком у мільйон років
Людовік Орландо (Ludovic Orlando), еволюційний біолог із Університету Копенгагена, ні на що особливе не сподівався, коли починав секвенувати ДНК з кістки ноги коня віком від 560 000 до 780 000 років. Цю кістку знайшов у вічній мерзлоті канадського Юкону його колега, Еске Віллерслев (Eske Willerslev), ще в 2003 році. Тоді він заховав її до морозильної камери, в очікуванні кращої технології, яка дозволила би прочитати зруйновану ДНК кістки. (В морозильних камерах лабораторій дослідження прадавніх ДНК повно подібних зразків, «відкладених на потім»).
Одного недільного вечора 2010 року Віллерслев подзвонив Орландо і повідомив, що час нарешті прийшов. Орландо засумнівався: «Я розпочинав цей проект зі щирим бажанням довести, що це неможливо»,— каже він.
Секвенувати стародавню ДНК означає боротися із часом. Після того, як організм помирає, довгі нитки ДНК рвуться на дедалі менші шматочки, у чому їм сприяють спеціальні руйнуючі ензими. Низькі температури дещо пригнічують цей процес, проте з часом нитки стають настільки короткими, що інформації в них не дуже багато.
Для того, щоб прочитати геном коня, Орландо довелось збирати докупи частинки ДНК, з яких ще можна було отримати якусь користь: тут йому у пригоді стала сильна ензимна обробка, яка екстрагувала їх та готувала до секвенування. Орландо і його команда виявили, що внаслідок підготовки велика кількість фрагментів була втрачена. Проте після кількох налаштувань експериментального протоколу, наприклад, зниження температури екстракції, дослідники отримали у десять разів більше обривків ДНК, аніж попереднього разу — і зробили чорновий варіант найстарішого з досліджуваних геномів.
Використовуючи подібний підхід, Сванте Паабо (Svante Pааbo), генетик із Інституту Макса Планка з еволюційної антропології в місті Лейпциг, НІмеччина, та його команда звернули увагу на рештки віком 400 000 років з печери Сіма-де-лос-Уесос на півночі Іспанії, яка, можливо, була могильною ямою близьких родичів сучасних людей — гомінін (див. ‘Hidden heritage’). У цій ямі кістки зберігалися за сталої низької температури, що сповільнило руйнування ДНК. «Якби хтось міг підказати гомінінам, де їм лишати свої рештки, то напевне обрав би саме це місце»,— каже Матіас Меєр (Matthias Meyer), молекулярний біолог, колега Паабо, який очолював дане дослідження.
У грудні минулого року команда доповіла про майже 16 300 розшифрованих основ із мітохондріального геному особи з Сіма-де-лос-Уесос (мітохондрії — структури всередині клітин, які виробляють енергію). Дана послідовність показала неочікуваний зв’язок між залишками з Сіма-де-лос-Уесос та денисівцями, архаїчною групою людей, яких команда Паабо виявила у Алтайських горах сучасної Росії — тобто за тисячі кілометрів від цього місця. Меєр та його колеги сподіваються покращити свій метод настільки, щоб отримати частину чи весь геном ядра людини із Сіма-де-лос-Уесос. «Така можливість повинна бути,— каже Меєр.— Я не заспокоюся, поки це не буде зроблено».
Коли (а не якщо) хтось зможе отримати геном арктичної тварини, похованої у вічних снігах понад 1 мільйон років — зараз це виключно питання часу, каже Меєр. Проте він та Паабо хочуть розсунути кордони стародавнього ДНК до дослідження видів гомінін з більш теплих місцевостей, як рештки Homo erectus, спільного предка людей та неандертальців, знайдені у Азії. Орландо додає, що дослідникам може пощастити у використанні нових технологій для дослідження таких решток, які дотепер викликали прикре почуття втрати — наприклад, із єгипетських мумій або Homo floresiensis, невеликої людини, яка жила принаймні 18 000 років тому і рештки якої було знайдено у печері індонезійського острова Флорес. «Це відкриває нам величезну кількість місць, де ховається безліч важливих історій, наприклад, країни Близького Сходу чи тропіки»,— каже вчений.

Привиди у коді
Кілька років тому Девід Рейх (David Reich) знайшов привида. Рейх, генетик популяцій в Гарвардській медичній школі в Бостоні, штат Масачусетс, та його команда реконструювали історію Європи, використовуючи геноми сучасних людей, коли помітили зв’язок між північними європейцями та корінним населенням Америки. Вони припустили, що нині вимерле населення у північній Євразії змішувалося із предками як європейців, так і сибірської групи, яка згодом мігрувала до Америк. Рейх називає такі групи «популяціями-привидами», оскільки їх можна визначити лише завдяки відлунню, яке вони залишили у геномах — а не по древніх кістках чи ДНК.
Популяції-привиди — продукт статистичних моделей, і тому їх потрібно розглядати з обережністю, коли бракує генетичних даних від скам’янілостей, каже Карлос Бустаманте (Carlos Bustamante), популяційний генетик зі Стенфордського університету в Каліфорнії. «У який випадках ми визначаємо щось як артефакт статистики, а в яких — розуміємо, що це справжня біологічна подія?».
Інколи такі статистичні примари набувають плоті. Минулого року команда Віллерслева доповіла про геном від решток віком 24 000 років, які назвали «хлопчиком зі стоянки Мальта». Результати показали, що цей хлопчик, знайдений у центральному Сибіру, був представником популяції, пов’язаної з сучасними корінними американцями та сучасними європейцями, що збігалося із передбаченнями Рейха (див. Nature http://doi.org/r2b; 2013). «Це визначна знахідка»,— каже він.
Популяції-привиди також інколи виринають у прадавній ДНК. Під час аналізу високоякісного геному неандертальця та денисівця, команда вчених під керівництвом Рейха та Монтгомері Слаткіна (Montgomery Slatkin) з Університету Каліфорнії, Берклі, помітила дещо цікаве: сучасні африканці з місцевості на південь від Сахари тісніше пов’язані із неандертальцями, аніж із денисівцями. Проте дані з інших прадавніх геномів вказують на те, що дві архаїчні групи мають однаковий зв’язок із сучасними африканцями. Після розгляду всіх варіантів, учені дійшли висновку, що, можливо, натрапили на ще одну популяцію-привида.
Цю головоломку можна розв’язати, теоретизували вони, якщо денисівці змішувалися з певним видом, який вийшов з Африки приблизно понад 1 мільйон років тому і відщепився від спільного предка з людьми, неандертальцями та денисівцями. Денисівці-нащадки могли успадкувати послідовності ДНК, яких немає у сучасних африканців, що пояснює, чому неандертальці здаються більш близькими родичами до африканців.
Команда Рейха аналізує генетичні сліди у людей із ДНК денисівців, щоб встановити, коли саме денисівці змішувалися із цим дивним народом — така інформація може звузити діапазон скам’янілостей, які можуть йому належати. Вивчені у лабораторії Паабо геноми, переважно решток із Сіми-де-лос-Уесос, також можуть дати деякі підказки.
Рейх — не єдиний, хто шукає примар. Кріс Стрінґер (Chris Stringer), палеоантрополог із Музею природознавства в Лондоні висунув гіпотезу, що 900 000-річний гомінін Homo antecessor, про якого ми знаємо зі скам’янілостей, знайдених поблизу від Сіми-де-лос-Уесос, може бути представником подібної популяції-привида. Якщо вона змішувалася із предками денісівців та гомінін із Сіма-де-лос-Уесос, то це може пояснити зв’язок між двома групами решток.
Щоб перевірити гіпотезу потрібна невловима ядерна ДНК з решток із Сіми-де-лос-Уесос. Проте Рейх сподівається, що Паабо і його команда зможуть її отримати. «Вони і раніше робили дива у своїй лабораторії, тож їм може пощастити і цього разу».

Внутрішній неандерталець
«Нам не обов’язково потрібні кістки, щоб знайти древню ДНК»,— каже Джош Екі (Josh Akey), генетик популяцій з Університету Вашингтона в Сієтлі. «Рештки прадавніх ДНК можуть бути у геномі сучасних народів».
Якщо популяції ранніх людей схрещувалися із неандертальцями та денисівцями, то їх нащадки повинні були нести в собі короткі фрагменти ДНК архаїчних людей. Такі дослідники, як Екі, почали каталогізувати ці сегменти, щоб вивчити з них біологію прадавніх людей. На відміну від полювання за популяціями-привидами, яка залежить від статистичних популяційних моделей, такий підхід дозволяє дослідникам визначити особливі області геному, отримані в результаті схрещування.
У січні незалежні команди під керівництвом Екі та Рейха зібрали значну частину — майже 20% і 40% відповідно — геному неандертальця з частинок, які ховалися у геномі сотень живих людей. Їхнє дослідження вказувало, що деякі європейці та азіати отримали гени, які беруть участь в утворенні шкіри та волосся, від неандертальців — можливо, ще дозволяло їм адаптуватися до холодного клімату, бо давало товщу шкіру, більше волосинок та менше пор (див. Nature http://doi.org/rz9; 2014). Проте гігантські клубки сучасних геномів позбавлені спадщини неандертальців, отже багато генів неандертальців могли виявитися згубними для сучасних людей. Команда Екі виявила одну таку область поблизу гену FOXP2, пов’язаного із мовою та мовленням. «Тут надзвичайно переконливі докази того, що внаслідок схрещування частина зникла»,— каже він
Ці відкриття були лише початком. Команди Екі та Рейха виявили, що геноми східних азіатів мають, в середньому, трохи більше ДНК неандертальців, аніж люди європейського походження. Екі вважає це можливим доказом того, що неандертальці схрещувалися зі стародавніми людьми принаймні у двох окремих випадках: один раз із предками усіх євразійців, а пізніше із популяцією, яка була спільним предком виключно східних азіатів. На думку Екі люди скоріше за все мають генетичні сліди і інших вже вимерлих видів, включно із тими, які схрещувалися із предками людей у місцевості на південь від Сахари.

Стародавня ДНК для масового споживача
Протягом більшої частини минулих 30 років метод PCR або чутливості до ланцюга полімерази, який використовують для посилення стародавньої ДНК, робив її чутливою до забруднення. Головні гравці в галузі часто ставилися до результатів аутсайдерів із підозрою, і навіть декому з них присвоїли звання «PCR-поліції». Проте у останні роки палеогеноміка стала сферою зацікавлення лабораторій таких професіоналів, як Паабо, де є експертиза та гроші, щоб отримати і дослідити сотні скам’янілостей і в результаті знайти ті кілька, які дадуть достатньо ДНК на вивчення послідовності усього геному.
Це породжує зміни. Нові процедури означають, що тепер дослідники зможуть із великою надійністю отримати ДНК із більшості старих зразків, а потім секвенувати лише ті частини геному, які їх цікавлять. «Я досі здивований, що в світі на це здатні лише кілька лабораторій,— каже Йоганнес Краузе (Johannes Krause), палеонтолог із Університету Тубінген, Германія, який провів більшість роботи з геномом денісівців у лабораторії Паабо.— Це не дуже цікавить сучасну науку».
Поступово у галузь приходять нові науковці. «Якщо я зміг, то зможе будь-хто»,— жартує Бустаманте. Його дослідження спершу зосереджувалося на родоводі сучасних популяцій людей. Потім, кілька років тому, йому подзвонили з приводу мумії.
Міжнародна команда секвенувала геном Етці — тіла віком приблизно у 5 300 років з льодовиків Тірольських Альп, де його знайшли у 1991 році. Дослідники запитали Бустаманте, чи може він розтлумачити їм родовід цієї людини. Об’єднавши зусилля, вчені показали, що Етці був тісніше пов’язаний із людьми, які зараз живуть у Сардинії та на Корсиці, аніж із мешканцями центральної Європи — це доводить, що населення Європи за часів його життя сильно відрізнялося від сьогоднішнього.
З того часу Бустаманте занурився у світ древніх ДНК. Його команда секвенує зразки, за якими прослідковується графік прибуття землеробів у Болгарію, трансатлантична работоргівля та одомашнення собак. Його група розробляє інструменти, які зроблять секвенування стародавніх ДНК дешевшими та простішими. «Ми хочемо демократизувати цю галузь»,— каже Бустаманте.
Рейх також вважає, що стародавня ДНК стає більш егалітарною. Його лабораторія дедалі більше цікавиться такими аспектами історії людства, як зародження сільського господарства або історія індійського півострова, тож тепер, часто оптом, аналізують залишки менш розріджені, аніж дефіцитні зразки неандертальців, які вперше привели його у цю галузь.
Минулого року Рейх входив до команди вчених, яка доповіла про аналіз мітохондріальної ДНК з 364 зразків решток європейців від 5 500 до 1 550 років з метою визначення великих зрушень населення у Європі часів неоліту. Стародавні геноми також дозволять вирішити давні питання про те, коли і як люди одомашнили таких тварин, як собаки, велика рогата худоба та птиця. Дослідження 2013 року 18 мітохондріальних геномів прадавніх вовків і собак, наприклад, вказало на те, що європейські мисливці і збирачі одомашнили вовків із популяції, яка зараз вимерла.
Дослідники також повертаються до питань, які стали причиною виникнення цієї галузі 30 років тому. Приблизно у той же час, коли команда Орландо почала секвенувати геном 700 000-річного коня, до уваги вчених потрапив і інший, значно молодший зразок — тканини квагги.
Спроба секвенувати повний геном квагги — частина проекту, що має на меті зрозуміти еволюційну взаємодію між живими та вимерлими кіньми, зебрами і віслюками, а також виявити генетичне підґрунтя певних рис. «Я думав, що класно буде дослідити і найстаріший зразок, і найперший, від якого розпочалися всі дослідження прадавніх ДНК,— каже Орландо.— Це показує, наскільки сильно розвинулася наша галузь за цей час».

Переклад: http://nauka.in.ua
Автор: Івен Каллавей
Джерело: Nature (http://www.nature.com )