Прочтен ядерный геном человека из Денисовой пещеры

Зуб из Денисовой пещеры: слишком большой для сапиенсов, слишком примитивный для неандертальцев. Фото из обсуждаемой статьи в Nature
Зуб из Денисовой пещеры: слишком большой для сапиенсов, слишком примитивный для неандертальцев. Фото из обсуждаемой статьи в Nature

Отсеквенирован ядерный геном девочки, оставившей фалангу своего мизинца в Денисовой пещере на Алтае 30–50 тысяч лет назад. Подтвердился вывод, сделанный в марте на основе анализа митохондриального генома того же индивидуума: «денисовцы» представляли собой особую расу или вид, отличный от сапиенсов и неандертальцев. Новые данные показали, что денисовцы были генетически ближе к неандертальцам, однако скрещивались и с сапиенсами, а их гены сохранились в современном человечестве. Больше всего денисовских генов обнаружено у жителей Меланезии, заселенной сапиенсами около 45 тысяч лет назад.

В заметке Человек из Денисовой пещеры оказался не сапиенсом и не неандертальцем (Элементы, 27.03.2010) мы подробно рассказали о Денисовой пещере и о том слое пещерных отложений, в котором в 2008 году была сделана уникальная находка — фаланга мизинца человеческого ребенка, жившего здесь 30–50 тысяч лет назад. Всего 9 месяцев прошло с момента публикации статьи о митохондриальном геноме денисовца, и вот уже журнал Nature публикует отчет исследователей о новом блестящем достижении — секвенировании ядерного генома загадочного обитателя алтайской пещеры.

Анализ денисовского митохондриального генома показал, что последняя общая праматерь денисовцев, сапиенсов и неандертальцев по непрерывной женской линии жила около 1 млн лет назад. Последняя общая митохондриальная праматерь сапиенсов и неандертальцев жила много позже — 500 тысяч лет назад. «Митохондриальная Ева» современных сапиенсов жила около 150–200 тысяч лет назад. Аналогичная «Ева» поздних неандертальцев (всех, чьи мтДНК отсеквенированы к сегодняшнему дню), жила всего лишь 100 тысяч лет назад. Молодой возраст неандертальской «митохондриальной Евы» указывает на период резкого сокращения численности — «бутылочное горлышко» в истории неандертальской популяции, когда многие митохондриальные линии были утрачены.

Однако необходимо помнить, что мтДНК — лишь малая часть генома, передающаяся строго по женской линии и в большой степени подверженная случайным перипетиям генетического дрейфа (см.: Древнейшая история человечества пересмотрена, «Элементы», 02.03.2006). Установление времени жизни «митохондриальных Ев» — лишь первый шаг к пониманию подлинных генеалогий. Анализ ядерных геномов позволяет получить гораздо более точную реконструкцию истории и родственных взаимоотношений наших предков и их вымерших родственников.

Прочтение ядерного генома неандертальца позволило установить, что наши популяции реально разделились 270–440 тысяч лет назад, то есть заметно позже времени жизни нашей с неандертальцами «Евы» (500 тысяч лет). Впрочем, «Ева» и должна быть старше момента разделения популяций. Чтобы понять, почему это так, можно нарисовать хаотически ветвящееся дерево, произвольно разделить верхнюю часть его кроны вертикальной линией, а потом найти трех «Ев» (точки схождения концевых ветвей) для каждой из половинок кроны и для обеих половин вместе.

Работа проводилась в Институте эволюционной антропологии им. Макса Планка в Лейпциге — там же, где был прочтен полный геном неандертальца и митохондриальный геном денисовца. Авторы имеют немалый опыт работы с древней ДНК, и с каждым новым проектом качество работы повышается. На этот раз они использовали важную новую хитрость. При помощи ферментов урацил-ДНК-гликозилазы и эндонуклеазы VIII они аккуратно удаляли из фрагментов древней ДНК поврежденные временем кусочки, в которых цитозины превратились в урацилы. В итоге количество ошибок в прочтенном геноме сократилось на порядок по сравнению с геномом неандертальца.

Авторам немало помогло то обстоятельство, что древняя человеческая ДНК в денисовской фаланге удивительно хорошо сохранилась. В большинстве неандертальских костей ДНК неандертальца составляет менее 1%, всё остальное — бактериальные загрязнения. В косточке из Денисовой пещеры доля древней человеческой ДНК составляет около 70%. Средняя длина сохранившихся фрагментов ДНК (60–75 п.н., пар нуклеотидов) тоже выше, чем в наиболее хорошо сохранившихся неандертальских костях (обычно не более 50 п.н.)

Как обычно, было сделано всё возможное, чтобы не допустить попадания в пробы современной человеческой ДНК. Для проверки эффективности принятых мер использовали три метода. Пробы проверили на наличие митохондриальной ДНК H. sapiens, на присутствие фрагментов Y-хромосомы (в ходе этого анализа стало ясно, что денисовец был девочкой), кроме того, в двух независимо полученных «библиотеках» отсеквенированных фрагментов денисовской ДНК сравнили соотношение «примитивных» (как у общего предка с шимпанзе) и «продвинутых» (как у сапиенсов) нуклеотидных позиций. Все тесты показали, что уровень загрязнения проб фрагментами современной ДНК находится в пределах десятых долей процента. Общая длина прочтенных кусочков ядерной ДНК — 5,2 млрд нуклеотидов, что в 1,9 раза больше длины всего генома. Однако многие фрагменты повторяются, и весь геном целиком они не покрывают (как и в случае с геномом неандертальца).

Детальное сравнение денисовского генома с геномами сапиенсов, шимпанзе и неандертальцев (авторы отсеквенировали фрагменты ядерных геномов неандертальцев из России, Испании и Германии в дополнение к «главному» хорватскому геному) позволило уточнить генеалогию исследованных популяций. Выяснилось, что денисовцы всё-таки ближе к неандертальцам, чем к сапиенсам. Сначала разделились предки сапиенсов и двух других популяций, а немного позже предки денисовцев отделились от предков неандертальцев. Уже после этого второго разделения неандертальцы испытали резкое сокращение численности («бутылочное горлышко»), которое привело к сильному сокращению генетического разнообразия неандертальской популяции. Поэтому поздние неандертальцы генетически намного менее разнообразны, чем современные люди. В этот период многие аллели и митохондриальные гаплотипы были потеряны неандертальцами, в том числе, возможно, были утрачены и варианты митохондриальной ДНК, близкие к «денисовскому».

Генеалогия денисовцев, неандертальцев и сапиенсов, основанная на сравнении ядерных геномов. 10 индивидуумов, сверху вниз: денисовец, 4 неандертальца, представители пяти современных народов: сан (бушмен), китаец, папуас, француз, йоруба. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Генеалогия денисовцев, неандертальцев и сапиенсов, основанная на сравнении ядерных геномов. 10 индивидуумов, сверху вниз: денисовец, 4 неандертальца, представители пяти современных народов: сан (бушмен), китаец, папуас, француз, йоруба. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Имеющихся данных недостаточно, чтобы дать однозначный ответ на вопрос, почему по мтДНК денисовский человек сильнее отличается от неандертальцев и сапиенсов, чем по ядерному геному. Одно из двух: либо варианты мтДНК, близкие к денисовскому, случайно потерялись в результате дрейфа в популяциях неандертальцев и сапиенсов, либо девочка из Денисовой пещеры получила свою архаичную мтДНК в результате эпизодического скрещивания ее предков с какими-то другими представителями человеческого рода — с поздними эректусами, например, или с гейдельбержцами.

Прочтение неандертальского генома показало, что вскоре после выхода из Африки сапиенсы скрещивались с неандертальцами в Передней Азии. В дальнейшем интенсивной гибридизации, по-видимому, не было, но неандертальские гены успели проникнуть в наш генофонд и распространились по всей Азии и Европе в ходе последующего расселения сапиенсов. Поэтому 1–4% генов современных азиатов и европейцев имеют неандертальское происхождение. Чистокровными сапиенсами оказались только африканцы, живущие к югу от Сахары.

Нет ли в нас также и примеси денисовской крови? Для ответа на этот вопрос авторы использовали методики, сходные с теми, которые ранее позволили показать присутствие неандертальских генов у современных азиатов и европейцев и их отсутствие у африканцев. В частности, рассматривались нуклеотидные позиции, в которых у француза или китайца стоит один нуклеотид, у африканца — другой, у шимпанзе присутствует один из этих двух вариантов, а у архаичного человека (денисовца или неандертальца) — другой. По таким позициям неандертальские геномы оказываются сходны с французским в среднем на 4,6±0,7% чаще, чем с геномом йоруба. Это как раз и показывает, что у француза есть неандертальские гены. Однако денисовский геном оказывается сходен с французским лишь на 1,8±0,5% чаще, чем с йоруба, и примерно такие же цифры были получены для других комбинаций (француз и сан, китаец и йоруба, китаец и сан). Это значит, что если евразийские геномы и содержат какую-то денисовскую примесь, то она невелика по сравнению с неандертальской. Для объяснения этой небольшой денисовской примеси даже не требуется привлекать гипотезу о непосредственном скрещивании сапиенсов с денисовцами. «Денисовские» гены в принципе могли быть получены евразийскими сапиенсами через посредничество неандертальцев в ходе того же самого периода гибридизации в Передней Азии около 80 тысяч лет назад.

Интересный и неожиданный результат был получен, когда авторы сравнили денисовский геном с данными по 938 современным людям из 53 разных народов со всех концов света. У этих людей не секвенировались полные геномы, а только определялось аллельное состояние 642 690 полиморфных однонуклеотидных локусов (SNPs). Этих данных оказалось достаточно, чтобы обнаружить примесь денисовских генов у современного населения Меланезии, включая Новую Гвинею. У других современных человеческих популяций подобных примесей не обнаружено.

Новые данные позволили уточнить вклад неандертальцев в геномы современных евразийцев. Геномы жителей Евразии, по новым оценкам, содержат 2,5±0,6% неандертальских генов (что не противоречит опубликованным ранее цифрам 1–4%), а геномы меланезийцев вдобавок к неандертальским имеют еще 4,8±0,5% денисовских генов.

Наиболее вероятная реконструкция популяционной истории неандертальцев, денисовцев и сапиенсов. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Наиболее вероятная реконструкция популяционной истории неандертальцев, денисовцев и сапиенсов. Предки современных людей отделились от предков сапиенсов и денисовцев в момент времени tv (между 270 и 440 тысячами лет назад). Затем денисовцы отделились от неандертальцев (tD). Еще позже часть сапиенсов вышла из Африки в Переднюю Азию (tAfr). Здесь они скрещивались с неандертальцами (поток генов от неандертальцев к предкам современных евразийцев, f1). Значительно позже имела место гибридизация предков современных меланезийцев с денисовцами (поток генов f2), не повлиявшая на остальные популяции сапиенсов. N — размер популяции. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Кроме фаланги мизинца, в Денисовой пещере в том же 11-м слое был найден почти целый человеческий коренной зуб. Это то ли второй, то ли третий верхний левый моляр, и самое необычное в нём — его большой размер. Если это третий моляр (зуб мудрости), то он больше, чем у всех известных ископаемых представителей человеческого рода, за исключением H. habilis и H. rudolfensis. Если это второй моляр, то он кое-как укладывается в диапазон изменчивости H. erectus. Зуб не имеет специфических неандертальских признаков, которые заметны уже у предполагаемых предков неандертальцев, живших в Атапуэрке (Испания) между 350 и 600 тысячами лет назад.

Авторам удалось выделить из зуба ДНК и отсеквенировать митохондриальный геном. Он оказался почти таким же, как в фаланге мизинца, не считая пары нуклеотидных замен. Зуб принадлежит молодому, но всё же взрослому человеку, фаланга — ребенку, из чего следует, что появление денисовцев в пещере в ту эпоху не было случайным событием. Похоже, эти неведомые люди действительно жили в Денисовой пещере. Может быть, это они, а не до сих пор не найденные здесь сапиенсы, изготовили сложные верхнепалеолитические орудия, изобилующие в 11-м слое? (Подробнее об этих орудиях см. в заметке Человек из Денисовой пещеры оказался не сапиенсом и не неандертальцем.) Впрочем, авторы отмечают, что артефакты 11-го слоя, возможно, происходят из двух разных эпох. Не исключено, что пещерные отложения подверглись перемешиванию. В таком случае зуб и мизинец, вероятно, относятся к более древней эпохе (около 50 тысяч лет назад), а верхнепалеолитические артефакты — к более поздней. Если так, их изготовителями, наверное, были всё-таки сапиенсы, поселившиеся здесь позже, но не оставившие археологам ни зубов, ни мизинцев. Денисовцы же довольствовались среднепалеолитическими (мустьерскими) технологиями.

Будем надеяться, что новые археологические находки помогут нам узнать больше о странных родичах неандертальцев с архаичными зубами и митохондриями, оставивших заметный след в генофонде современного человечества.

Источник: David Reich, Richard E. Green, Martin Kircher, Johannes Krause, Nick Patterson, Eric Y. Durand, Bence Viola, Adrian W. Briggs, Udo Stenzel, Philip L. F. Johnson, Tomislav Maricic, Jeffrey M. Good, Tomas Marques-Bonet, Can Alkan, Qiaomei Fu, Swapan Mallick, Heng Li, Matthias Meyer, Evan E. Eichler, Mark Stoneking, Michael Richards, Sahra Talamo, Michael V. Shunkov, Anatoli P. Derevianko, Jean-Jacques Hublin, Janet Kelso, Montgomery Slatkin, Svante Pääbo. Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia // Nature. 2010. V. 468. P. 1053–1060.

См. также:
1) Человек из Денисовой пещеры оказался не сапиенсом и не неандертальцем, «Элементы», 27.03.2010.
2) Геном неандертальцев прочтен: неандертальцы оставили след в генах современных людей, «Элементы», 10.05.2010.

Александр Марков


17
Показать комментарии (17)
Свернуть комментарии (17)

  • petrenko  | 24.12.2010 | 08:27 Ответить
    > Похоже, эти неведомые люди действительно жили в Денисовой пещере

    Скорее, видимо, их там регулярно употребляли в пищу. Странно было бы умершего родственника разбрасывать по полу своей пещеры.
    Ответить
    • chief > petrenko | 24.12.2010 | 10:17 Ответить
      Мощный вывод на основании зуба и фаланги пальца.
      Ответить
      • Reaper > chief | 24.12.2010 | 22:30 Ответить
        А хранить труп в пещере, в которой живешь - это нормально? :)
        Ответить
        • Kostja > Reaper | 24.12.2010 | 23:09 Ответить
          нормально
          Ответить
        • Александр Марков > Reaper | 25.12.2010 | 11:47 Ответить
          Зуб и кончик мизинца - еще не труп. Может, девочка оттяпала себе мизинчик, играя острым мустьерским рубилом. А молодой человек получил дубиной по морде в ходе выяснения внутрисемейных отношений, зуб выплюнул.
          Да, кстати, есть вероятность, что кончик мизинца - от мумифицированной руки. Там слишком хорошо ДНК сохранилась, такое могло быть при быстром обезвоживании тканей.
          Ответить
          • petrenko > Александр Марков | 26.12.2010 | 07:10 Ответить
            Недавно отсеквентировали целую семью неандертальцев, употребленных в пищу, похоже, прямо по месту их проживания:
            http://news.sciencemag.org/sciencenow/2010/12/grisly-scene-gives-clues-to-nean.html?etoc

            Возможно обе гипотезы верны! (ну то есть и денисовцев съели в их собственной пещере).
            Ответить
            • AK47 > petrenko | 27.12.2010 | 17:04 Ответить
              Ну вы поскромничали этак: "съели"... мол кто - непонятно, в статье же (спасибо за ссылку!) сказано недвусмысленно: ГРИЗЛИ! :)
              }{отя конечно могли быть и "соотечественники"... невпервой однако;)))
              Ответить
              • MayDay > AK47 | 28.12.2010 | 19:28 Ответить
                grisly - ужасная
                Ответить
                • AK47 > MayDay | 29.12.2010 | 14:35 Ответить
                  гм.. вот что значит заниматься *только* науками... ;) - смайликов даже не заметили ;)
                  ...да, воистину - сугубо правополушарные... :(
                  впрочем - реакция вполне предвидимая мною.
                  Ответить
  • VladNSK  | 25.12.2010 | 10:20 Ответить
    Статья очень интересная. Спасибо Маркову!

    У меня вопрос, немного в строну. Вот цитата: "В частности, рассматривались нуклеотидные позиции, в которых у француза или китайца стоит один нуклеотид, у африканца — другой, у шимпанзе присутствует один из этих двух вариантов, а у архаичного человека (денисовца или неандертальца) — другой"

    Под африканцем видимо понимается некий среднестатистический африканец. Не совсем понятно, что это такое.

    Но мне еще более непонятно кто понимается под французом? Среднестатистический житель Франции? Но во Франции кто только не живет: и галлы, и норманны, и выходцы из Северной Африки (арабы и многие другие). Вроде бы генетически они должно довольно сильно различаться. Возможно, на уровне проведенного генетического анализа эти различия несущественны? Если так, то почему все-таки использовали слово "француз"? Может быть под "французом" понимается некий абстрактный житель Средиземноморья?
    Ответить
    • Александр Марков > VladNSK | 25.12.2010 | 11:48 Ответить
      Это ясно из предыдущей заметки, на которую ссылка дана в начале. Использовались для сравнения геномы: двух конкретных африканцев (одного бушмена и одного йоруба), одного конкретного француза, одного конкретного китайца. Никаких "среднестатистических". Полных человеческих геномов пока не так много.
      Ответить
      • VladNSK > Александр Марков | 26.12.2010 | 09:56 Ответить
        Понятно. Спасибо!
        Ответить
  • Алексей Щекин  | 25.12.2010 | 12:22 Ответить
    Александр, а возможен или когда будет проведен анализ ДНК таких интересных представителей рода, как Homo floresensis и даже поздних реликтовых Homo erectus?
    Ведь возраст найденных их останков не превышает 50 тыс. лет, что делает вполне возможным проведение этого анализа.
    Ответить
    • chief > Алексей Щекин | 26.12.2010 | 00:25 Ответить
      Надежда есть, но помимо возраста, важны еще условия. На Флоресе и на Яве тепло и влажно, для сохранности органики не самый подходящий климат.
      А поздние датировки эректусов - кстати, весьма и весьма спорны.
      Ответить
  • Чалдон_в_пимах  | 26.12.2010 | 20:10 Ответить
    Не, ну это просто свинство: я живу в пятистах километрах от пещеры, а больше всего денисовских генов обнаружено, видите ли, у каких-то жителей Меланезии!
    Ответить
  • Svetlana_Burlak  | 26.12.2010 | 21:42 Ответить
    Отдельная фаланга мизинца - выглядит похоже скорее не на объедки каннибальской трапезы, а на довольно распространённый (то ли и посейчас, то ли до недавнего прошлого), по свидетельствам этнографов, обычай отрубать себе фалангу пальца в знак траура. Начинают с концевой фаланги левого мизинца. А потом - как пойдёт. У этнографов есть фотографии таких изуродованных ручек, что ужас просто. Причём делают так обычно женщины. Кстати, такое объяснение иногда предлагают для наскальных изображений кистей рук - многие из них без отдельных фаланг. Правда, те пещерные руки - это верхний палеолит. А тут рановато как-то: и для девочки, по возрасту, и для вида, который, вроде бы, не должен ещё быть такой умный...
    Ответить
    • Эхолалия > Svetlana_Burlak | 17.08.2011 | 07:55 Ответить
      А мне представляется, что наскальные обводки кистей рук с недостающими пальцами ничего не могут сообщить о наличии в верхнем палеолите изуверских обычаев. Ведь сами эти обычаи - результат многотысячетелетней истории народов, которых мы целенаправленно изучаем только последние 200-100 лет. А в среднем и верхнем палеолите гораздо вероятнее бытовой травматизм. Я к тому, что ключик к мизинцу и отпечаткам с оттяпанными фалангами можно поискать не в этнографии, а в палеопсихологии. Взрыв речевых способностей не только затормозил, но и буквально больно ударил по моторным автоматизмам и зрительной ориентировке сапиенсов, по крайней мере в онтогенезе современных сапиенсов существует этап резкого торможения сенсо-моторного интеллекта в следствие "речевого взрыва". Известно, что ребёнок 2-4 лет резко теряет способность справляться с задачами, которые элементарно решают шимпанзе в визуальном поле, из-за того,что ребёнок начинает ориентировать свои действия исходя из речевых представлений. Он не может в экспериментальной комнате подставить стул, чтоб достать банан, только потому что помнит- нужная "лестница" находится у него дома(А.Валлон). Вспоминаемый неотделимо от слова образ орудия, требуемого прошлым опытом деятельности, сильно мешает ребёнку увидеть стул у себя под носом. К 5- 7 годам это неприятное последствие первичного "оразумления" проходит и компенсируется с многократным преимуществом за счёт развития эгоцентрической речи, а затем и внутренней речи.
      По эндокрану черепов денисовцев, если их откопают, можно будет кое-что сказать. Были ли у них височные зоны мозга, отвечающие за речевой слух и слухо-речевую память, относительно более развиты чем затылочные (зрительные), в сравнении с таким же отношением у сапиенсов и обратным отношением у неандертальцев. Если были, то у них вполне мог быть и тормозной период в онтогенезе и,может не столь ранний и сжатый как у нас, но всё же. Причём этот тормозной эффект не требует обязательных произносительных способностей. Если ребёнок не говорящий или почти не говорящий, но зоны слухо-речевой памяти в норме, то этот период просто начинается позже, длиться дольше и с другими итогами, протекает с известными поведенческими отклонениями от "оразумления".
      Даже если денисовцы не говорили меж собой по анатомическим или этологическим причинам, но нейрофизиологически имели "речевой слух", то 30-50 тыс. лет назад им уже было кого постоянно слышать- обильно вокализующих сапиенсов (с которыми они делили общую эконишу и возможно даже скрещивались). Вполне может быть, что слышать их стало весьма вредно для детских популяций обоих видов. Денисовцев это могло привести, например, к остановке воспроизводства орудий из-за трудностей научения молоди (отсюда и отрубленные фаланги), и к затяжному экологическому кризису, из которого смогли выйти только сапиенсы, ведь после остановки стереотипного воспроизводства, они сумели десятикратно скомпенсировать утрату , за счёт развития высших психических функций. Дело в том, что воспринимаемый на слух речевой раздражитель обладает свойством тормозить текущую зрительно-двигательною координацию, даже если он беспредметен, например, просто сопровождает ситуацию.(закон отрицательной индукции И.Павлова) Сапиенс выбирается из этого неудобства исключительно благодаря способности к экспрессивной речи. Так в описанной выше ситуации, ребёнок начинает говорить вслух о лестнице сначала сам себе, затем просить или требовать возможности сходить за ней или принести её (кто ж его отпустит в наше время?), но самое главное, он не принимает задачи на "создание" орудия из находящегося рядом стула, ему проще отказаться от банана, чем от ИДЕИ лестницы. Психологам этот прорыв известен, он называется возникновением "эгоцентрической речи", появлением речевой регуляции поведения. Неговорящие палеоантропы в принципе могли под воздействием регулярно слышимой речи сбиваться в процессе изготовления орудий, а затем и отказываться от изготовления новых орудий в пользу уже существующих. Сапиенсам остановка воспроизводства орудий пошла на пользу, ведь замен они получили фиксируемую в слове ИДЕЮ орудия,по которой его можно будет в дальнейшем смастерить из частей других материалов, подобно тому как слово можно собрать из разных морфов, произнесённых разными индивидами. Идея орудия более пластична чем непосредственный конкретный образ орудия оторванный от способа его изготовления, образ по которому орудие можно только взять там где оно было оставлено, навязчиво искать его, если обнаружится пропажа, и в конце концов отобрать у кого нибудь.
      Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»