Геном неандертальця: відкриті питання

Як показують антропологічні, а тепер вже і геномні дані, неандертальці (всупереч тому, чого нас навчали в школі) — сестринська гілка генеалогічного древа сучасних людей по відношенню до наших безпосередніх предків, кроманьйонців. Однак аналіз ДНК, виділеної з палеонтологічних знахідок, свідчить про те, що відносини між неандертальцями і кроманьйонцями не були суто сестринськими.

Гібридизація предків

Після ранніх робіт з аналізу мітохондріальних геномів — спочатку їх фрагментів, а потім повних — і фальстарту з ядерним геномом, що виявився забрудненим сучасною ДНК, в 2010 і 2014 рр. були опубліковані якісні послідовності неандертальського геному з викопних останків, знайдених у хорватській печері ^{Віндія1} і в Денісовій печері на Алтаї [1-5]. Паралельно несподіваним чином розгорталася історія з геномом ще одного мешканця Денісової ^{печери2} — денисівця, який виявився представником третьої гілки роду Homo, трохи ближчої до неандертальця, ніж до кроманьйонця [6-8].

Аналіз неандертальського геному дав відповідь на питання, що давно обговорювалося палеонтологами: чи схрещувалися кроманьйонці, які прийшли з Африки, з неандертальцями, які давно жили в Євразії, перед тим, як витіснити їх. Археологічні та антропологічні свідчення не були однозначними. Знаходили черепа, які поєднували неандертальські і кроманьйонські риси, виявляли культурні запозичення кроманьйонців у неандертальців, а в якихось печерах — неандертальські шари, що лежали поверх кроманьйонських. Однак всі ці знахідки були оскаржені тим чи іншим способом, і ситуація залишалася невизначеною. Співставлення ж геномів неандертальця і сучасних людей показало, що приблизно 2% геному кожного сучасного європейця та азіату має неандертальське походження (а в африканських популяціях неандертальські алелі відсутні) [5]. У всіх нас ці фрагменти різні, тому можна їх зібрати, проаналізувавши безліч сучасних геномів, і реконструювати геном нашого неандертальського пращура (хімерний, оскільки досить ймовірно, що сталося кілька подій міжвидової гібридизації).

Виявилося, що таким способом вдається відновити близько 20% геному нашого неандертальського предка [9]. До речі, він, схоже, генетично найближче до неандертальця з Мезмайської ^{печерної} на Північному Кавказі [5]. Автори відповідної статті не обговорюють спостережуваний парадокс: у той час як у кожного окремого азіату неандертальська частка геному трохи вище, ніж у європейця, об’єднання азіатських фрагментів виявляється меншим, ніж європейських (рис. 1). Це суперечить висвітленій у низці робіт гіпотезі про додаткову гібридизацію предків азіатів з неандертальцями [9, 10]. Питання залишається відкритим, і до нього варто повернутися після удосконалення біоінформатичних методів (наприклад, після створення таких, які б враховували частоти неандертальських варіантів генів у сучасних популяціях) і отримання нового матеріалу. Зокрема, слід врахувати можливість відмінностей в популяційній історії європейців та азіатів і в режимі природного відбору після їх розбіжності.

Ріс. 1. Неандертальська спадщина в геномах сучасних європейців (сині фрагменти, лінії, фігури) і азіатів (червоні) [9]. Вгорі представлено розподіл неандертальських фрагментів у геномах сучасних людей (хромосоми пронумеровані). Сірі ділянки — не пройшли критерії фільтрації; чорні точки — центромери. Внизу ліворуч показано розподіл сумарного розміру неандертальських послідовностей в індивідуальних геномах представників декількох сучасних популяцій європейців і азіатів. Щільність розподілу (ширину смуги) розраховували для таких груп: 98 тосканців (Т); 14 іберійців (І); 85 північноамериканців європейського походження (СЕП); 89 британців і шотландців (БШ); 93 фінів (Ф); 100 осіб з Південного Китаю (ЮК); 97 осіб з Північного Китаю (СК); 89 японців (Я). Внизу праворуч — залежність розміру об’єднання неандертальських фрагментів за всією вибіркою в геномах сучасних європейців і азіатів від порогу помилки перепередбачення (процентної частки фрагментів, помилково передбачених як неандертальські). Діаграма Відня показує розмір загальних і специфічних для європейців і азіатів неандертальських послідовностей при помилці перепередбачення 5%

Інша несподіванка виникла при зіставленні денисівського геному з сучасними. Виявилося, що геноми корінних жителів Нової Гвінеї та Австралії крім неандертальських фрагментів містять ділянки денісівського походження — від 3 до 5% [7, 8]. Ці оцінки весь час переглядаються — мабуть, через недостатню кількість сучасних геномів, доступних для аналізу. Реконструкція геному денисівця — ще одне завдання на майбутнє.

Розмірковуючи про те, яку частину сучасних геномів складають неандертальські (або денисівські) варіанти, правильніше і точніше було б говорити про частку ідентифікованих фрагментів, тому що вона сильно залежить від алгоритму біоінформатичного аналізу (в тому числі і від встановлених порогів). Так, ще в одній роботі неандертальський і сучасний геноми перекривалися приблизно на 30% [11]. Відомо, що середній розмір неандертальських фрагментів з часом (у міру видалення від прабатька) зменшується внаслідок рекомбінації. У якийсь момент їх вже неможливо ідентифікувати: ділянки стають занадто короткими, щоб кількість позицій з неандертальськими алелями, що йдуть поспіль, була статистично значущою. Однак цей же феномен укорочення дозволяє використовувати розподіл довжин неандертальських фрагментів для того, щоб датувати час гібридизації.

У геномі кроманьйонця з Усть-Ішима (Омська обл.), що жив 45 тис. років тому виявили частку неандертальських алелей трохи більшу, ніж у сучасних людей (2,3-0,3% проти 1,9-0,2% в азіатів і 1,7-0,1% у європейців — за одним і тим самим методом оцінки) [12]. Однак неандертальські фрагменти у цього кроманьйонця набагато довші: їх довжина більша, ніж у сучасних геномах, в середньому в 2-4 рази. Підрахунки показують, що гібридизація сталася 60-50 тис. років тому, тобто за 400-200 поколінь до усть-ішимця, кістка якого була незалежно датована стандартними методами. Схожий результат вийшов при дослідженні геному кроманьйонця з Костьонок (Воронезька обл.), який жив приблизно 36 тис. років тому [13]. Трохи більша, ніж у сучасних геномах, частка неандертальських алелей утворює суттєво довші безперервні фрагменти. До речі, схоже, хоча трохи менш точне датування (65-47 тис. років тому) отримали за допомогою аналізу нерівноважного зчеплення 4 неандертальських варіантів генів у сучасних геномах [14].

Найдивовижніший приклад такого роду — послідовність ДНК, витягнутої з 40-тисячолітньої щелепи, яку в 2002 р. знайшли в румунській печері Пештера ку Оасе (рис. 2) [15]. Неандертальські фрагменти в цьому геномі настільки довгі, що дозволяють стверджувати: прадідусь (в крайньому випадку прапрапрадідусь або прапрабабуся) носія щелепи був неандертальцем. Втім, популяція, до якої він належав, не внесла внесок у сучасне генетичне розмаїття в Європі: вона виявилася тупиковою гілкою і не залишила нащадків.

Рис, 2. Нижня щелепа (40 тис. років) людини з румунської печери Пештера ку Оасе — представника популяції, яка виявилася тупиковою гілкою еволюції [16]

Вище було сказано, що неандертальські алелі відсутні в африканських популяціях, а денісовські виявляються тільки в австронезійських. Це не зовсім точно. У геномах масаїв (представників одного з найвідоміших племен Східної Африки) є невелика частка неандертальських алелей, проте їх наявність пояснюється контактами предків масаїв з європейцями, які і занесли ці варіанти. Перевірили це так: проаналізували сусідні з неандертальськими поліморфні (варіабельні) ділянки ДНК — і виявилося, що вони мають європейське походження [10]. Аналогічно в геномах сучасних азіатів і деяких американських індіанців є невелика примісь денісовських варіантів генів, але її схильні пояснювати контактами з предками папуасів [17, 18].

Щоб знайти неандертальський внесок у сучасні геноми, їх порівнюють з геномами неандертальців. А якби останні не були відомі — чи можливо було б ідентифікувати архаїчні ділянки? Так, адже неандертальський фрагмент у сучасному європейському геномі має статистичні особливості: у ньому суттєво більше відмінностей від гомологічних ділянок геномів більшості інших європейців та азіатів і особливо від ділянок геномів усіх африканців. Це дозволяє розпізнавати предкові місця геному, шукаючи ті, які мають велику кількість унікальних варіантів. Щоб протестувати такий метод, можна пошукати неандертальські фрагменти, забувши про відомі геноми, а потім порівняти результати з випадком, коли застосовують стандартний підхід. Точність розпізнавання виявляється меншою, але ненабагато [9].

А тепер застосуємо цей підхід до геномів африканців. Раптом в Африці теж відбувалося щось цікаве? Схоже, що саме так: у геномах кількох етнічних груп виявляються фрагменти, що сильно відрізняють своїх господарів від решти людства [19]. Таких ділянок всього три, і довжина їх невелика (десятки тисяч нуклеотидів), але вони можуть бути свідченням гібридизації африканських кроманьйонців з невідомими гомінідами.

Материнський спадок

Мітохондріальні геноми успадковуються строго по материнській лінії. Як і у випадку з неандертальцем, для денисівця послідовність мітохондріального геному опублікували раніше (хоча і всього на півроку), ніж ядерного [6-8]. Виявилося, що на філогенетичному дереві, побудованому за мітохондріальними геномами, денисівці сильно віддалені від неандертальців і кроманьйонців: розбіжність мітохондріальних ліній денисівців і загальних предків неандертальців і кроманьйонців сталося близько 1 млн років тому. Антропологічних матеріалів мало, тому, виходячи з мітохондріальної послідовності денісівців, їх спочатку віднесли до рано відокремленої гілки роду Homo. Лише після визначення послідовності ядерного геному стало ясно, що це сестринська гілка по відношенню до неандертальців, а історія мітохондрій відображає ^{інтрогресію5}, а не історію виду як такого.

Слід зазначити, що ми знаємо денисівців всього з однієї популяції, і тому неясно, до якої міри можна узагальнювати таке спостереження. Проте воно показує, що денисівці гібридизувалися з давньою гілкою роду Homo. Сліди цієї гібридизації можна бачити і в ядерному геномі, проте вони поки не були досліджені систематично [8]. Це буде зроблено, як тільки (і якщо) стануть доступні нові денисівські геноми.

Найближчим же родичем денісівців по материнській лінії виявився чоловік із печери Сіма де лос ^Весос6 в Іспанії, що жив понад 300 тис. років тому (рис. 3) [20]. Його ядерний геном поки не визначений. Хочеться сподіватися, що вдосконалення експериментальних методик і/або накопичення зразків рано чи пізно дозволять це зробити. Буде вкрай цікаво порівняти його з геномом денисівця, щоб знайти ділянки, що інтрогресували. Однак, як вже було сказано, їх можна шукати і з внутрішніх міркувань: по-перше, як фрагменти підвищеної гетерозіготності (можна припустити, що в них один з варіантів — денисівський, а другий — інтрогресував) і, по-друге, як місця з підвищеною локальною концентрацією відмінностей від неандертальця і кроманьйонця.

Рис, 3. Філогенетичне дерево, побудоване за повними мітохондріальними геномами сучасних азіатів і європейців (жовтий колір), сучасних африканців (синій), неандертальців (зелений), денисівців (блакитний) і людини з печери Сіма де лос Весос (червоний) [20]. Масштаб для гілок дерева — число нуклеотидних замін на одну позицію (тобто кількість замін, поділена на довжину послідовності)

Повернемося ненадовго до взаємин кроманьйонців, неандертальців і денисівців, які реконструюються за ядерними геномами. Найближчий родич неандертальця — неандерталець з печери Мезмайська на Північному Кавказі, і розбіжність між ними істотно менша, ніж між алтайським денисівцем і тим денисівцем, внесок якого ми бачимо в геномах австронезійців [5]. Поки не виявлено інтрогресії у зворотному напрямку, тобто внеску кроманьйонців у геноми неандертальців і денисівців. Втім, це може бути тривіальним наслідком того факту, що відомо відносно невелике число геномів стародавніх людей. Нарешті, поки нічого не сказано про те, до якого з вивчених неандертальців ближче той, чий внесок є в геномі людини з Пештера ку Оасе, хоча, здавалося б, це відносно просте питання [15].

Відомо більше 10 щодо протяжних фрагментів мітохондріальних геномів неандертальців, тому попередні висновки про структуру популяції можна робити лише з усіма застереженнями про недостатність даних і про обережність з узагальненням мітохондріальної історії на історію виду. Примітно, що мітохондрії неандертальців, які жили в Європі менше 48 тис. років тому, дуже схожі, тоді як азіатські і давніші європейські мітохондрії суттєво різноманітніші [21]. При цьому кістки, з яких виділяли ДНК для визначення цих геномів, були знайдені в різних частинах Європи — як у південній (Іспанії, Хорватії), так і в північній (Німеччині) (рис. 4). Мабуть, це означає, що більшість груп європейських неандертальців вимерли приблизно 50 тис. років тому, в період піку оледеніння, а потім відбулося повторне заселення Європи нащадками групи, що вижила. Слід зазначити, однак, що у відповідній статті час розбіжності мітохондріальних геномів неандертальців і денисівця — 350 тис. років тому, що істотно менше оцінок, наведених іншими вченими. Втім, це не впливає на зроблені висновки, оскільки датування зразків отримані і традиційними археологічними методами, незалежно від молекулярної реконструкції.

Рис, 4. Філогенетичне дерево, побудоване за фрагментами мітохондріальних геномів неандертальців, і карта, що показує місця (печери) палеоантропологічних знахідок [21]. Синій колір відповідає «молодим» європейським неандертальцям, червоний — азіатським і «старим» європейським. На філогенетичному дереві числа перед дужками позначають номери, присвоєні фрагментам, знайденим в одному місці, але належали різним людям

Існує ще один спосіб дослідити стародавні мітохондріальні геноми. Справа в тому, що ядерні геноми людини містять велику кількість нефункціональних фрагментів мітохондріального геному. Такі ділянки накопичують випадкові мутації, проте в силу особливостей механізмів реплікації та репарації ДНК це відбувається істотно повільніше, ніж накопичуються заміни в самому мітохондріальному геномі. Тим самим, такі фрагменти виявляються свого роду геномними скам’янілостями, які зберігають відбиток мітохондріального геному, що існував в момент його вбудовування в ядерний геном. Для одного з фрагментів це сталося майже 3 млн років тому [22].

Якими вони були?

Неандертальці були світлошкірими, з рудим волоссям і світлими очима. Про це нам розповів варіант гена MC1R, що кодує меланокортиновий рецептор 1-го типу, який відповідає за пігментацію у людей [23]. Деякі неандертальці могли відчувати гіркий смак фенілтіокарбаміду — речовини, яку 70% сучасних людей вважають гірким, а інші несмачним. У неандертальця з іспанської печери Ель ^{Сідрон7} виявили відповідний алель гена рецептора гіркого смаку TAS2R38 (TASte Receptor 2 member 38) [24]. Денисівці, навпаки, мали темну шкіру і коричневе волосся [8]. Ген амілази — ферменту слини, який каталізує гідроліз крохмалю, — не був дуплікований ні у денисівців, ні у неандертальців; таке пристосування до харчування рослинною їжею було тільки у кроманьйонців [25]. До речі, подібна дупликація сталася у собак під час їхнього одомашнення [26]. Зате і у денісівців, і у неандертальців є мутація в гені рецептора до лептину LEPR (LEPtin Receptor), що впливає на метаболізм бурого жиру і, можливо, адаптацію до холоду (у азіатів у цьому гені інша мутація) [27].

Цікаві результати дає також зіставлення кількох неандертальських геномів. Неандертальці з печери Ель Сідрон селилися патрілокально, тобто дружина і діти жили в племені чоловіка [28]. Ми знаємо це, тому що серед групи мешканців цієї печери, які жили приблизно в один час, у жінок виявили кілька варіантів гіперваріабельної області мітохондріального геному, а у всіх чоловіків вона була однією і тією ж, — значить, плем’я приймало жінок з боку. Якість прочитання деяких ядерних геномів така, що ми можемо розрізнити алелі, що знаходяться на гомологічних хромосомах, і тим самим вивчати рівень гетерозіготності (середня кількість відмінностей) і ділянки гомозіготності (тотожні ділянки геному, що виникають в результаті близькородних шлюбів). Виявилося, що генетичне розмаїття в групах денісівців і неандертальців було менше, ніж у сучасних групах [8, 24]. Як наслідок, негативний (очищаючий) відбір був ослаблений, тому у всіх трьох добре досліджених геномах неандертальців спостерігається підвищена кількість слабеньких алелей (для денисівця подібний аналіз не проводився) [29]. При цьому генетичні відстані між представниками названих груп були суттєво більшими, ніж для сучасних етнічних груп. Нарешті, в геномі алтайського неандертальця виявили відносно довгі ділянки гомозіготності, що свідчить про переважання близькородинних шлюбів (середнього ступеня споріднення — приблизно як у двоюрідних або троюрідних братів і сестер) [29]. У сукупності з підвищеним числом слабеньких мутацій це може означати помітний генетичний вантаж. До речі, у денисівців, які жили трохи раніше в тій же печері, підвищеної частки ділянок гомозіготності не спостерігається [8].

Що вони дали нам

Аналізувати неандертальський внесок у сучасні геноми можна по-різному. Концептуально найпростіший підхід — вивчати неандертальські алелі окремих генів, їхні частоти в сучасних популяціях. Також можна дослідити, які функціональні групи генів мають підвищену частку в реконструйованій частині неандертальського геному. І нарешті, можна перевірити, чи не підвищена в обраних групах генів середня частота неандертальських алелей в тій чи іншій сучасній популяції. Насправді ці методи застосовують у різних поєднаннях.

Серед функціональних груп генів виділяють три. По-перше, це гени, від яких залежать структура і колір шкіри і волосся:

• BNC2, ген, кодуючий фактор транскрипції в кератиноцитах (висока частота неандертальського алеля у європейців);
• KRT6A/ KRT5, кластер кератинових генів (висока частота у європейців і азіатів);
• POU2F3, ген, кодуючий фактор транскрипції, що впливає на поділ і диференціювання кератиноцитів (висока частота в азіатів);
• SCL45A2 і HERC2, алелі, що визначають світлу шкіру (європейцям вони дісталися від неандертальців);
• MC1R, ген, що визначає колір шкіри (неандертальський варіант поширений у азіатів, особливо у тайваньців);
• HYAL2, ген, який відповідає за адаптацію до ультрафіолетового випромінювання (висока частота неандертальського варіанту в азіатів) [9, 11, 30-32].

Еволюційне трактування цих спостережень досить просте. Коли темношкірі кроманьйонці, предки євроазіатів, пішли з Африки на північ і гібридизувалися з неандертальцями, вже пристосованими до життя в умовах істотно слабшого (інша широта) і рідкісного (інший клімат) сонячного випромінювання, вони отримали неандертальські варіанти відповідних генів, що виявилися адаптивними.

По-друге, неандертальські і денисівські варіанти часто зустрічаються в генах, що визначають роботу імунної системи [33-36]. Це можна пояснити в рамках тієї ж логічної схеми. В Азії та Європі кроманьйонці зустрілися як з новими патогенами і паразитами, так і з пристосованими до них неандертальцями. Звідси — неандертальські варіанти

• гена STAT1, що впливає на активність вродженого імунітету (в Меланезії часті і неандертальські, і денисівські варіанти);
• кластеру генів OAS, що протистоять вірусним інфекціям (у багатьох європейців і азіатів — від неандертальців, у австронезійців — від денисівців);
• деяких алелей генів головного комплексу гістосумісності класу I.

Нарешті, частка неандерталь