Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Порошок кости из сибирской пещеры помог качественно прочесть геном неандерталки

Схема Чагырской пещеры, где в 2011 году нашли фалангу, из которой позже извлекли материал для секвенирования генома древнего человека

Fabrizio Mafessoni et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020

Немецкие и российские ученые секвенировали геном неандертальца из сибирской пещеры Чагырская, сообщается в Proceedings of the National Academy of Sciences. ДНК получили из фаланги пальца, найденной в 2011 году. Качество покрытия этого генома выше, чем у уже известных геномов того же вида. Выяснилось, что человек, которому принадлежала фаланга при жизни, был женского пола и состоял в более близком родстве с неандертальцами из хорватской пещеры Виндия, чем с людьми того же вида из Денисовой пещеры, расположенной всего в сотне километров от Чагырской. Кроме того, геном этой женщины позволил предположить, что у неандертальцев подкорковая структура головного мозга под названием стриатум играла особую роль.

В последние два десятилетия технологии секвенирования ДНК позволяют читать геномы давно умерших организмов, собирая те из коротких последовательностей нуклеотидов. Поэтому существует уже два генома неандертальцев и один — денисовца (видовой статус этого Homo еще не определен) с высококачественным покрытием. Также есть несколько геномов неандертальцев с умеренно качественным покрытием, в которых каждый нуклеотид в среднем нашли в двух фрагментах (длина фрагментов может быть самой разной).

Под качеством покрытия здесь имеется в виду число раз (N), которое один нуклеотид генома в среднем попал в какой-нибудь фрагмент последнего. Геном чаще всего представлен несколькими молекулами ДНК — хромосомами, а они при секвенировании очень редко бывают цельными, особенно в случае древних образцов. Заранее не известно, в каком порядке должны идти фрагменты, есть ли повторяющиеся последовательности и сколько их. Кроме того, часть фрагментов ДНК может потеряться, и все это надо учитывать. Поэтому те последовательности, которые есть, лучше «читать» несколько раз.

При этом учитывается общая длина гаплоидного генома (G) и средняя длина фрагментов, из которых его собирают (L). Среднее покрытие (C) для генома вычисляется по формуле C = LN / G.

Достаточно кратко и понятно о сборках, фрагментах, прочтениях и покрытиях написано здесь (на русском) и здесь (на английском).

Чем выше качество покрытия генома, тем больше вероятность, что все нуклеотиды в последовательности стоят именно так, как они были расположены на самом деле. В палеоантропологии это может быть важно для понимания родства древних людей, в том числе относящихся к разным видам, а также просто из-за того, что древняя ДНК сильно фрагментирована и без многократных прочтений непросто понять, какой участок с каким связан и за каким идет.

Поэтому исследователи из Института эволюционной антропологии Общества Макса Планка и Института археологии и энтографии СО РАН под руководством Сванте Паабо (Svante Pääbo) секвенировали геном человека, концевую фалангу пальца руки которого обнаружили при раскопках в пещере Чагырская на Алтае в 2011 году. По форме фаланги не удалось определить, какому конкретно пальцу она принадлежала (ясно только, что не большому). Сравнение ее с уже известными фалангами сапиенсов, неандертальцев и денисовцев показало, что ее обладатель был неандертальцем.

Из кости высверлили 30 миллиграмм вещества и экстрагировали из него ДНК. Из фрагментов дезоксирибонуклеиновой кислоты собрали ядерный геном. Среднее покрытие генов в аутосомах (неполовых хромосомах) составило не менее 30x, а среднее покрытие всего генома — 27,6x. Так как последовательностей, характерных для генов Y-хромосомы, практически не обнаружили, решили, что фаланга принадлежала женщине, а немногие фрагменты «мужских» генов оказались загрязнением современным генетическим материалом (они составляли не более 1 процента от всей полученной ДНК).

Полученный геном сравнили с уже известными для неандертальца из хорватской пещеры Виндия и неандертальца из Денисовой пещеры, которая расположена в 106 километрах от Чагырской пещеры, где обнаружили фалангу. Это позволило определить и возраст чагырской неандерталки, и степень ее родства с европейским и азиатским представителями вида. Выяснилось, что она жила около 80000 лет назад — на 30000 лет позже неандертальцев в Денисовой пещере и на 30000 лет раньше конспецификов из Хорватии. Притом последним она приходится более близким родственником, и каменные орудия неандертальцев из Чагыра и Виндии более похожи, чем орудия из Чагыра и Денисовой пещеры.

Также исследователи оценили распространенность гомозиготных участков в ДНК неандерталки из Чагырской пещеры и индивидов, чьи геномы сравнивали с ее ДНК. Чем таких участков больше, тем, скорее всего, ниже было генетическое разнообразие в популяции, которой принадлежал индивид, а это обычно наблюдается в закрытых группах особей, которые имеют мало контактов с другими. Чагырские неандертальцы, судя по всему, жили обособленно: средний размер их популяции определили в 60 человек (возможно, она была даже меньше). Денисовские неандертальцы, которые жили на 30000 лет раньше, тоже были замкнутой группой, а люди из Виндии — нет.

Наконец, генетики оценили, какие гены неандертальцев особенно отличаются от генов сапиенсов. Для этого они воспользовались данными по новому геному женщины из Чагырской пещеры, а также по геномам индивидов из Виндии и Денисовой пещеры. Очень много несинонимичных замен (то есть таких, которые влияют на структуру белка, кодируемого данным геном) обнаружили в генах, активных в стриатуме в период эмбрионального развития. Эта структура мозга регулирует программы произвольных движений, затормаживая лишние (при повреждении стриатума развивается, например, хорея Гентингтона или болезнь Паркинсона). Вероятно, стриатум играл какую-то особую роль у неандертальцев, но какую именно, пока сказать невозможно. Чтобы узнать это, нужно больше геномов с высококачественным покрытием.

Мы неоднократно писали об исследованиях геномов древних и современных людей: сибирских сапиенсов, которые оказались предками коренных американцев, жителей Южной Азии (и выяснилось, что их родство со степными среднеазиатскими кочевниками коррелирует с социальным статусом), меланезийцев (у них нашли гены как неандертальцев, так и денисовцев) и других. Также новые методы сравнения геномов показали, что у коренных африканцев есть гены неандертальцев, а раньше считалось, что это не так.

Светлана Ястребова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.