Доклад: Наша история, записанная в ДНК

Платон очень гордился своим определением человека: двуногое без перьев. Оно имело большой успех, пока киник Диоген, ощипав петуха, не изготовил наглядное пособие. Со времен Платона и Диогена появилось немало новых определений, в том числе основанных на описании свойств молекулы ДНК.

Для дальнейшего изложения важно представить себе молекулу ДНК в виде текста, определяющего многие наши особенности как биологического вида. Текст этот записан последовательностью из молекулярных букв — нуклеотидов. В генетическом алфавите их всего четыре: А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин) и Ц (цитозин). Общая длина нуклеотидной последовательности, получаемой от каждого из родителей, — 3 млрд букв.

Генетический текст человека немногим отличается от текстов близкородственных видов. Так, в сходных генах человека и шимпанзе обычно из 100 букв текста 99 одинаковы. А у двух человек (если они не однояйцевые близнецы) в среднем из тысячи только один нуклеотид другой. Именно с такими заменами связаны наследуемые индивидуальные особенности каждого человека.

В последние несколько лет изучение разнообразия генетических текстов (геномов) людей стало одной из самых популярных областей науки. Здесь есть чисто практический интерес: ведь с генетическими особенностями связано здоровье человека. Сегодня в геномные исследования фармацевтические компании вкладывают огромные средства и надеются получить отдачу в ближайшие десятилетия в виде принципиально новых методов диагностики и лечения.

Есть и другой аспект таких разработок: они позволяют реконструировать события давнего прошлого, восстановить историю возникновения вида Homo sapiens и пути миграций разных народов. Эти исследования привели к появлению новых направлений науки — молекулярной антропологии и палеогеномики.

Молекулярные часы и филогенетическое древо

Еще в 60-е годы Л.Полинг и Э.Цукеркандл высказали идею, что скорость накопления мутаций достаточно постоянна: ее можно использовать как своего рода молекулярные часы эволюционной истории. Позже, когда появились методы чтения нуклеотидных последовательностей (секвенирования), скорость накопления мутаций была установлена при сравнении ДНК тех видов, время расхождения которых определялось по палеонтологическим находкам.

Метод молекулярных часов приложим и к изучению событий эволюционной истории человека. Здесь удобным инструментом исследования служит митохондриальная ДНК (мтДНК) и Y-хромосома. Остальные хромосомы при передаче потомству обмениваются сходными кусками генетического текста — рекомбинируют. В результате в каждой хромосоме возникают новые, отличные от родительских, комбинации, что существенно затрудняет анализ накопления мутаций.

Y-хромосома передается только по мужской линии — от отца к сыну. Она присутствует в геноме мужчин в единственной копии и потому ни с чем не рекомбинирует (за исключением небольших участков на концах хромосомы, не влияющих на анализ нерекомбинирующей части). Раз появившись, мутации в Y-хромосоме сохраняются на протяжении тысяч поколений, маркируя тем самым всех потомков индивида, у которого они первоначально возникли. Современные мужчины, имеющие одинаковые мутации в Y-хромосоме, восходят к общему предку по мужской линии. Очевидно, что родные братья, получившие от отца Y-хромосомы с одинаковыми текстами, относятся к одной линии. Однако если у одного из братьев произойдет мутация, которую он передаст своим сыновьям, линии наследования разойдутся на две ветви.

Сейчас созданы базы данных, содержащие информацию о Y-хромосомах десятков тысяч людей со всех уголков Земли. Современные методы генетического и статистического анализа таких больших выборок позволяют установить порядок возникновения мутаций и нарисовать филогенетическое древо, описывающее родственные связи всех людей по мужской линии. Чем раньше возникла мутация, тем ближе к корню древа она располагается и тем больше ветвей будут ее содержать. Так как материал, доступный для исследователя, — это ДНК, полученная от наших современников, филогенетическое древо строится от концов ветвей к корню.

При известной скорости накопления мутаций в расчете на поколение, число мутаций, различающих двух людей, можно перевести в абсолютное время, прошедшее с момента появления их генетических линий, т.е. установить, когда жил последний общий предок этих двух людей. При изучении отцовской линии анализируют около полутора-двух десятков изменчивых участков ДНК (SNP- и STR-маркеры) в Y-хромосоме, размер которой составляет 60 тыс. пар оснований.

Эволюционную историю женской линии можно проследить по митохондриальной ДНК (мтДНК). Плод любого пола получает ее только от матери, поскольку в спермии нет митохондрий. В сравнении с ДНК хромосом это очень маленькая молекула — у человека всего 16 500 пар нуклеотидов. В отличие от ядерных генов, большинство которых представлено одной (в Y-хромосоме) или двумя копиями (в остальных хромосомах), в каждой клетке содержится до нескольких десятков тысяч копий молекул мтДНК. Кроме того, эта молекула — кольцевая, а, как известно, такие молекулы стабильнее, чем линейные. Именно эти особенности позволили исследователям прочесть мтДНК из останков древних людей, в том числе и неандертальцев. Можно считать, что митохондриальная ДНК — подарок природы молекулярным биологам.

Для построения филогенетического древа по материнской линии достаточно определить последовательность нуклеотидов небольших (около 400 пар нуклеотидов) фрагментов, которые мутируют наиболее быстро. Другой метод анализа — определение изменений в участках ДНК, распознаваемых ферментами, рестриктазами. Для большей точности используют комбинацию обоих методов. Поскольку технически изучать мтДНК проще, такие работы были начаты раньше, чем по Y-хромосоме.

“Митохондриальная Ева”

Первые получившие известность исследования мтДНК представителей разных рас выявили общность происхождения всех ныне живущих людей по женской линии. В 1987 г. А.Уилсон и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли получили мтДНК от 147 представителей различных рас [1]. В исследуемом фрагменте они определили количество индивидуальных мутаций, а также их координаты и тип. Анализ показал, что все мтДНК возникли от одной предковой последовательности. По степени их разнообразия Уилсон оценил время, прошедшее с тех пор, как существовала предковая последовательность. Оно вычисляется как время схождения всех линий мтДНК в одну точку, называемую точкой коалесценции. В соответствии с его выводами, общая “праматерь”, к которой восходят все типы мтДНК современных людей, жила в Восточной Африке менее 200 тыс. лет назад. Установить последовательность возникновения мутаций в поколениях предков у обследованных индивидов тогда не удалось, но работы последних лет подтвердили выводы Уилсона.

Вопрос о прародине человечества дискутируется не одно десятилетие. Часть специалистов полагала, что человек возник в одном из регионов мира (наиболее часто упоминалась Африка) и затем расселился по всей Земле. Другая придерживалась так называемой мультирегиональной гипотезы, согласно которой предковый вид Homo erectus превратился в Homo sapiens в различных точках земного шара независимо. С появлением молекулярных данных значительный перевес получила “африканская” гипотеза.

Филогенетическое древо популяций

После работ Уилсона обладательницу предковой мтДНК окрестили “митохондриальной Евой”. Это сразу породило неверные толкования — будто все человечество произошло от одной женщины. На самом деле линии мтДНК современниц “Евы”, несомненно существовавших, до нашего времени не дошли. И произошло это не потому, что “Ева” была особенной. Концепция молекулярных часов построена на предположении о нейтральности большинства мутаций, т.е. подразумевает, что ничем особенным от соплеменниц “Ева” не отличалась. Просто генетическое разноообразие в популяции всегда уменьшается, если в череде поколений случаются резкие падения численности (прохождение “бутылочного горлышка”). А такое в истории человечества случалось не раз. Так что со временем все другие линии, кроме одной, исчезли по статистическим причинам.

Пока люди живут вместе, появляющиеся у них мутации распространяются по всей группе. Если же группы делятся, мутации в них накапливаются независимо. Число таких различий между группами пропорционально времени, прошедшему с момента их расхождения, что и позволяет датировать события популяционной истории. На основе изучения мтДНК населения разных регионов мира удалось выяснить пути и даты основных миграций прекрасной половины человечества.

Африканские предки

К большой радости генетиков реконструкция популяционной истории человечества по Y-хромосоме показала, что “Адам” — предок современных мужчин — жил примерно там же, где и “Ева”. Хотя данные, полученные при анализе Y-хромосомы, менее точны, чем митохондриальные, они также указывают на африканское происхождение человека и единую предковую популяцию. Молекулярные датировки времени ее разделения на ветви, ведущие к современным популяциям, зависят от методов оценки и, по данным разных авторов, колеблются от 30—40 тыс. лет назад (что противоречит палеонтологическим данным) до 180 тыс. лет назад. Как наиболее вероятный называют период от 57 до 135 тыс. лет назад [2].

Гипотезу африканского происхождения человека подтверждает ряд независимых исследований. Особенно интересны работы по изучению народов Южной и Восточной Африки — бушменов и готтентотов. Их языки содержат щелкающие звуки, нигде больше не встречающиеся, и относятся к так называемой койсанской группе (комбинация слов “кой-койн” — самоназвание готтентотов и “сан” — название бушменов), обособленно стоящей в системе языков мира. Они значительно отличаются от остальных африканских народов, в том числе и от своих соседей банту, не только лингвистически, но и антропологически: у них более светлая кожа, узкий нос, для женщин бушменов характерно избыточное отложение жира на ягодицах (стеатопигия), а для мужчин — особое строение половых органов. Отличия проявляются и в мтДНК: у бушменов обнаружена мутация, которая появилась одной из первых после возникновения человека как вида [3]. В Y-хромосоме некоторых бушменов также присутствует древняя мутация, не обнаруженная ни у кого из людей в других частях света, но найденная у обезьян. Вероятно, она возникла еще до разделения предковых линий человека и шимпанзе (5—7 млн лет назад) и непрерывно поддерживалась в части предковой популяции человека и шимпанзе. Возможно, эта мутация сохранилась только у бушменов потому, что их многочисленные предки в определенный момент истории заселяли значительную часть африканского континента. Впоследствии они были оттеснены на юг племенами, говорящими на банту. На это указывают и результаты изучения костных останков людей, найденных в Африке, — они сходны по типу с современными представителями койсанской группы.

Интересно, что популяционные различия по Y-хромосоме оказались в несколько раз выше, чем по мтДНК. Это говорит о том, что перемешивание генетического материала по женской линии более интенсивно, т.е. уровень миграции женщин почти на порядок выше, чем у мужчин [4]. И хотя эти данные на первый взгляд могут показаться удивительными (путешествия всегда считались прерогативой мужчин), их можно объяснить характерной для большинства человеческих обществ патрилокальностью (уходом жены в дом мужа). Брачные миграции женщин оставили более заметный след на генетической карте человечества, чем дальние походы Чингизхана или Аттилы [5].

Исследования ДНК неандертальцев

В 1997 г. генетик С.Пэбо сумел прочесть фрагмент мтДНК, выделенной из останков неандертальца, найденного в 1856 г. в Фельдгоферовской пещере близ Дюссельдорфа в Германии [6]. Эта пещера находится в долине Неандерталь (Neander Tal). В 1863 г. английский антрополог и анатом У.Кинг предложил для находки название Homo neanderthalensis *. Летом 2000 г. появилось сообщение другой группы ученых об исследовании второго образца неандертальской мтДНК из останков скелета ребенка, найденного в пещере Мезмайская на Северном Кавказе [7]. Во втором случае останки точно датированы радиоуглеродным методом — им 29 тыс. лет. Это — представитель одной из последних живших на Земле групп неандертальцев.

* Интересно, что название долины, данное в честь композитора XVII в. Иоахима Ноймана (Neumann — новый человек — по-гречески Neander), означает «новый человек».

Неандертальцы — группа гоминид, предки которых вышли из Африки раньше, чем предки современных людей. Неандертальцы населяли Европу и Западную Азию в период от 300 тыс. до 28 тыс. лет назад. Какое-то время они сосуществовали с человеком современного анатомического типа, расселившимся в Европе около 40 тыс. лет назад. Ранее на основе морфологического сравнения неандертальцев с человеком современного типа было предложено три гипотезы: неандертальцы — прямые предки человека; они внесли некоторый генетический вклад в генофонд Homo sapiens; они представляли независимую ветвь, которую полностью вытеснил человек современного типа.

Места находок останков неандертальцев. Отмечено положение пещер Фельдгофер и Мезмай

Результаты молекулярно-генетических исследований свидетельствуют в пользу третьей гипотезы. Обе неандертальские мтДНК имеют общие отличия от мтДНК людей, выходящие за границы внутривидового разнообразия H.sapiens. Это говорит о том, что неандертальцы — генетически отдельная, хотя и близкородственная человеку ветвь. По числу различий между их мтДНК время существования последнего общего предка человека и неандертальца оценивается в 500 тыс. лет. Палеонтологи считают, что предки неандертальцев появились в Европе около 300 тыс. лет назад, т.е. генетические линии, ведущие к человеку и неандертальцу, разделились раньше этой даты, как показывают датировки по мтДНК.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--