Книга: Таинственный геном человека

14. История, хранящаяся в ДНК

14. 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.

Снипы, гаплотипы и гаплогруппы характерны не только для нашего ядерного генома. Рассказывая обо всех этих явлениях, я упоминал митохондриальную ДНК. Давайте снова сядем в поезд и отправимся в ультрамикроскопический мир в поисках ответа на очередную загадку. Но на этот раз мы направимся не в ядерный геном, а на территорию, лежащую за пределами ядерной мембраны, к поразительным ландшафтам цитоплазмы. Мы осторожно передвигаемся по этому битком набитому пространству, находящемуся в постоянном движении и напоминающему работающий завод. Здесь производятся новые белки, старые расщепляются для переработки, а огромные машины, похожие на летающие сосиски гигантского размера, извлекают энергию из газообразного кислорода и облекают ее в форму, подходящую для хранения. Это и есть митохондрии — жизненно необходимые нам органеллы.

На наших глазах посередине митохондрии появляется стяжка, разделяющая ее на две половины. Поезд везет нас еще глубже в ультрамикроскопический мир, и мы проникаем сквозь оболочку одной из половинок. Внезапно мы уменьшаемся, а митохондрия становится размером с целый город. В нем мы находим еще один железнодорожный путь с сияющими рельсами из дезоксирибозы, стабилизаторами-фосфатами и знакомыми шпалами из парных нуклеотидов. Итак, мы попали в митохондриальный геном, имеющий иное эволюционное происхождение, чем ядерные хромосомы. Перед нами — тайна внутри еще большей загадки.

— Мы уже говорили о митохондриях, вернее, откуда они взялись…

— Да. Это генетический союз между тем, что когда-то было паразитической бактерией, и одноклеточным предшественником всей жизни на Земле. Митохондрии все еще сохраняют много признаков своего бактериологического происхождения. Например, у них достаточно генома для самовоспроизведения — именно это мы и видели. Каждый человек получает от отца половину ядерного генома, но от матери — намного больше. Помимо ее половины ядерного генома мы наследуем физическую структуру яйцеклетки, включая митохондрии.

— Вот почему и мужчины и женщины получают митохондриальные генетические признаки только от матерей?

— Да. И это объясняет, почему митохондриальное наследование не подчиняется законам Менделя, регулирующим доминантное и рецессивное поведение генов. Кроме того, митохондрии воспроизводятся куда чаще, чем ядерный геном. Поскольку они содержат бактериальные гены, а значит, менее способны исправлять ошибки копирования, они сильнее подвержены мутациям.

— Так возникают митохондриальные снипы, гаплотипы и гаплогруппы?

— Именно! И все они наследуются только от матерей, по материнской линии, уходящей в далекое прошлое.

— Иначе говоря, несколько веков назад жила женщина, имеющая такую же митохондриальную ДНК, что и моя мать?

— И такую же, как и у вас, за исключением снипов, которые накопились за это время. На самом деле эту линию можно проследить гораздо дальше — до времен Древнего Рима, до зарождения сельского хозяйства на Плодородном полумесяце или вообще до появления самого вида Homo sapiens.

Наш паровоз свистит, из трубы вырываются клубы дыма, и пока мы движемся вдоль митохондриальной ДНК, я хочу чуть подробнее объяснить, как человеческая история записана в нашем геноме, или, если хотите, в двух симбиотически связанных геномах. Важно понимать, что, по сути, три части нашего голобионтического генома представляют собой библиотеки, в которых записаны три разные генетические истории. Одна из них — митохондриальный геном, который рассказывает историю нашей материнской генетической линии. Y-хромосома, будучи частью нашего ядерного генома, отвечает за отцовскую линию, а оставшаяся ядерная часть, которая, по сути, представляет собой основу нашего генетического наследия, рассказывает нашу историю как вида.

Во время движения вдоль митохондриальной ДНК мы наблюдаем небольшие отличия в работе бактериального генома. Например, митохондриальный геном гораздо меньше, чем геном одной хромосомы в ядре. Весь митохондриальный геном состоит из 16 тысяч нуклеотидных пар (шпал), в то время как ядерный геном даже у половых клеток, у которых он наполовину меньше обычного, составляют 3,2 миллиарда. В процессе полового размножения, задействующего ядерный геном, митохондриальные хромосомы не изменяются. На самом деле митохондрии вообще не имеют линейных хромосом. Путь, по которому мы едем, представляет собой одномерное кольцо, поэтому через какое-то время мы вернемся на место, с которого начали свое путешествие.

— Симбиоз, то есть событие, после которого появились митохондрии, произошел всего один раз?

— Мы точно знаем, что это было так, потому что все митохондрии в клетках растений, животных, грибов и дышащих кислородом простейших организмов произошли от одного предка.

— Вы смогли определить это по митохондриальным генам?

— Да.

— Но если это произошло так давно, почему митохондриальный и ядерный геномы не объединились? Это было бы логично, разве нет?

— Вы правы, это было бы разумно. На самом деле большинство структурных белков, составляющих, как мы их сегодня называем, митохондриальные органеллы, кодируются ядерными генами. Мы полагаем, что как минимум 300 ядерных генов когда-то были митохондриальными, а затем произошел их перенос.

— Но некоторые не перенеслись?

— Почти все гены, которые остались в митохондриях, связаны с кислородным дыханием. Кислород — очень токсичный элемент. Возможно, для того, чтобы он не влиял на остальные органы клетки, его следует обрабатывать только одному типу органелл.

— Но разве кислород не всегда был частью атмосферы?

— Нет. Атмосферный кислород производят растения и цианобактерии. Это побочный продукт их обмена веществ. Вы можете вспомнить, что появление кислорода в земной атмосфере оказалось губительным для многих океанских и прибрежных живых организмов того времени. Выжили лишь те, кто смог им дышать. Но даже в клетках этих организмов такое токсичное вещество нужно было держать подальше от сложного ядерного механизма. Он должен был быть сконцентрирован в клетках-захватчиках, бывших бактериях, которые эволюционировали в митохондриальные органеллы, уже устойчивые к ядовитому воздействию кислорода.

— Это похоже на ситуацию с вирусами и хромосомами.

— Именно! Вирусы, которые экспрессировали свои гены как белки, сохранили оригинальную геномную структуру, включая контролирующие промоторы.

Но давайте вернемся к использованию митохондриальной генетики в палеонтологии. Уникальные материнские митохондриальные линии стали мощным инструментом эволюционных генетиков, позволяя им изучать генетику популяций и сложные передвижения людей в течение многих столетий. Вот почему нет ничего удивительного в том, что компонент гаплотипа D4h3a, который связал ребенка из племени Кловис с его сибирскими предками, был обнаружен при изучении митохондриальной ДНК Анзик-1.

Как уже говорилось, еще одним эффективным инструментом популяционной генетики является Y-хромосома в ядерном геноме мужчин. Как и митохондриальная ДНК с ее исключительной связью с материнской линией, Y-хромосома позволяет отследить линию наследования от отцов к сыновьям. У нее нет парной хромосомы для рекомбинирования, поэтому она не обменивается участками со второй хромосомой, в связи с чем появляется возможность отслеживать ключевые мутационные гаплотипы в различных Y-популяциях с течением времени. Например, в случае с Анзик-1 ключевой Q-гаплотип его Y-хромосомы принадлежал к подгруппе L54*, которая, по расчетам генетиков, отделилась от другой ключевой гаплотиповой подгруппы М3 примерно 16 900 лет назад. Это подтверждает, что Анзик-1 принадлежал к этнической группе, тесно связанной с первыми людьми, пришедшими в Америку.

Насколько точны эти исследования гаплотипов и гаплогрупп? Английский король Ричард III знаменит благодаря одноименной пьесе Шекспира. Будучи последним из рода Плантагенетов, он был убит в битве при Босворте 22 августа 1485 года во время кровавой Войны роз. В пьесе Шекспира Ричард представлен злобным горбуном, который убил своего брата и двух юных племянников, а затем попытался жениться на племяннице. Но есть люди, пытающиеся защитить его репутацию, включая Филиппу Лэнгли из Общества Ричарда III. Она заявляет, что Шекспир очернил Ричарда, чтобы поддержать своих благоволителей Тюдоров, представитель которых в то время находился на троне.

Проявив недюжинный детективный талант, Лэнгли по историческим документам обнаружила место, где был похоронен Ричард. Похороны прошли безо всяких почестей, у монарха даже не было гроба — его тело просто закопали на территории августинского монастыря в Лестере. Получив небольшое финансирование, она уговорила археологов Лестерского университета провести раскопки на современном паркинге, находящемся на месте бывшего алтаря монастырской церкви. Во время раскопок был обнаружен человеческий скелет, совпадавший с описанием Ричарда. Это был мужчина за тридцать со сколиозом, то есть искривлением грудного отдела позвоночника, что соответствовало шекспировскому описанию «горбуна». Кроме того, на теле были видны следы ран, из чего можно было заключить, что этот человек умер в бою. Радиоуглеродный анализ, проведенный двумя независимыми специалистами, датировал останки 1430–1460 и 1412–1449 годами. Это слишком рано для Ричарда, но масс-спектрометрия показала, что при жизни этот человек ел много морепродуктов, что могло повлиять на точность датировки. Скорректированная дата попадает в диапазон с 1475 по 1530 год, что идеально совпадает со временем смерти Ричарда. Однако неуверенность все еще оставалась и, даже учитывая анатомию останков и результаты радиоуглеродного анализа, нельзя было однозначно утверждать, что обнаруженный скелет принадлежал королю.

Однако в ходе генеалогического исследования была найдена женщина по имени Джой Ибсен (в девичестве Браун), которая являлась прямой наследницей матери Ричарда III по материнской линии. С генетической точки зрения миссис Ибсен являлась носительницей того же митохондриального гаплотипа, что и монарх. Однако после Второй мировой войны она эмигрировала в Канаду и в 2008 году умерла. К счастью, у нее остался сын Майкл, который с радостью предоставил образец своей ДНК для анализа. Выяснилось, что и Майкл Ибсен, и скелет с парковки имеют один редкий митохондриальный гаплотип J1c2c. Итак, не оставалось сомнений, что найденные останки принадлежали королю из рода Плантагенетов.

По мере изучения генетиками человеческого наследия мы все больше узнаем о том, как точно геном отражает важные моменты и эволюционные события нашей истории. Если верить некоторым ученым, мы даже можем генетически вычислить Адама и Еву.