Прочтен геном доисторической женщины, чьим отцом был денисовец, а матерью — неандерталка

Рис. 1. Местонахождения древних Homo, живших не позднее 40 000 лет назад, чью принадлежность к денисовцам, неандертальцам или сапиенсам удалось определить по ядерной ДНК. Синим цветом обозначены неандертальцы, красным — денисовцы, желтым — сапиенсы. Звездочками помечены четыре индивида, чьи геномы удалось прочесть с высоким покрытием (то есть очень качественно): неандертальцы Vindija 33.19 и Altai (Den5), денисовец Den3 и сапиенс Ust’-Ishim 1. Рассматриваемый в обсуждаемой статье индивид женского пола Denisova 11 оказался гибридом первого поколения: отец этой женщины был денисовцем, а мать неандерталкой. Поэтому ее фигурка наполовину красная, наполовину синяя. Синяя точка на фигуре сапиенса Oase 1 отражает тот факт, что у этого кроманьонца был предок-неандерталец в четвертом-шестом колене. Синяя точка на фигурке денисовской девочки Den3 означает небольшую примесь неандертальских генов, полученных предками девочки задолго до ее рождения. Вопросительный знак около индивида Feld2 означает, что его пол под вопросом. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Сванте Пэабо и его коллеги из Института эволюционной антропологии Общества Макса Планка в Лейпциге отсеквенировали геном древнего человека, жившего около 90 000 лет назад на Алтае. Геном был выделен из маленького обломка кости, найденного в Денисовой пещере. Анализ генома показал, что кость принадлежала женщине, чей отец был денисовцем с небольшой примесью неандертальских генов, а мать — чистокровной неандерталкой. Наряду с опубликованным ранее геномом кроманьонца из пещеры Оасе в Румынии, у которого был предок-неандерталец в четвертом-шестом колене, этот факт говорит о том, что гибридизация между сапиенсами, денисовцами и неандертальцами происходила довольно часто. То, что они при этом все-таки сохраняли обособленность, возможно, указывает на генетическую несовместимость (пониженную приспособленность гибридов).

Необыкновенное упорство и изобретательность Сванте Пэабо и его команды позволили фактически поставить секвенирование древних геномов на поток (см.: В геномах поздних европейских неандертальцев не удалось обнаружить следов гибридизации с сапиенсами, «Элементы», 26.03.2018). Но для того, чтобы конвейер работал, нужно постоянно где-то добывать древние кости, в которых сохранилось хоть немного аутентичной ДНК, а это дело непростое.

Систематические и невероятно тщательные раскопки, много лет ведущиеся в Денисовой пещере под руководствам академика А. П. Деревянко, дали бесценный материал для палеогенетических исследований, хотя с точки зрения классической археологии выглядит этот материал более чем скромно: в лучшем случае это отдельные зубы или фаланги пальцев. Из одной такой фаланги был выделен геном денисовского человека (см.: Геном денисовского человека отсеквенирован с высокой точностью, «Элементы», 06.09.2012), из другой — геном алтайского неандертальца (см.: Между сапиенсами и неандертальцами существовала частичная репродуктивная изоляция, «Элементы», 03.02.2014), причем оба генома удалось прочесть очень качественно (с высоким покрытием). Судя по всему, условия в Денисовой пещере весьма благоприятны для сохранения древней ДНК. Позднее из трех зубов извлекли фрагменты ядерных геномов еще троих денисовцев (Den2, Den4 и Den8 на рис. 1; V. Slon et al., 2017. A fourth Denisovan individual).

Впрочем, даже такие находки — большая редкость. Основная масса собранного в Денисовой пещере костного материала — это мелкие неидентифицируемые обломки, неизвестно каким видам животных принадлежащие. Но это не остановило палеогенетиков. Они смело взялись за изучение обломков, анализируя сохранившийся в них коллаген при помощи масс-спектрометрии. Во многих случаях это позволяет определить кость если не до вида, то хотя бы до отряда (M. Buckley, 2017. Zooarchaeology by Mass Spectrometry (ZooMS) Collagen Fingerprinting for the Species Identification of Archaeological Bone Fragments). Этого в данном случае достаточно, потому что другие приматы, кроме людей, вряд ли жили на Алтае в плейстоцене.

Проанализировав более 2000 обломков, ученые обнаружили одну-единственную человеческую косточку, получившую название Denisova 11. Из нее выделили митохондриальную ДНК, которая оказалась неандертальской (S. Brown et al., 2016. Identification of a new hominin bone from Denisova Cave, Siberia using collagen fingerprinting and mitochondrial DNA analysis). Радиоуглеродный анализ показал, что возраст кости превышает 50 000 лет. Её обладателю на момент смерти было не менее 13 лет — об этом можно судить по толщине кортикального слоя кости. Между прочим, судя по изъеденности наружной поверхности обломка, он с большой вероятностью побывал в пищеварительном тракте хищного зверя.

В новой статье, опубликованной 22 августа на сайте журнала Nature, сообщается о черновом (со средним покрытием 2,6) прочтении ядерного генома индивида Denisova 11, который оказался неандертальско-денисовским метисом первого поколения.

Denisova 11 — женщина, потому что следов Y-хромосомы среди прочтенных фрагментов ДНК не обнаружено, а покрытие для X-хромосомы получилось такое же, как и для остальных хромосом. Тремя разными методами удалось показать, что загрязненность генома фрагментами ДНК современных людей не превышает 1,7%.

Чтобы выяснить, к какому виду людей принадлежит Denisova 11, авторы сравнили ее геном с тремя другими: денисовским (Den3), алтайского неандертальца (Den5) и современного африканца. Сравнение проводилось по «продвинутым» (не таким, как у шимпанзе) аллелям. Оказалось, что Denisova 11 имеет одинаковую степень родства с неандертальцами и денисовцами. Этот результат не изменился, когда вместо Den5 использовали второй качественно прочтенный неандертальский геном (Vindija 33.19). Уровень гетерозиготности у Denisova 11 оказался намного выше, чем у Den3 и обоих неандертальцев. Как раз такой уровень гетерозиготности (сравнимый с тем, что наблюдается у современных африканцев) должен быть у потомка от смешанного неандертальско-денисовского брака.

Равная частота встречаемости неандертальских и денисовских аллелей у Denisova 11 означает, что либо доисторическая женщина является метисом первого-второго поколения, либо она — представитель гибридной популяции, в которой гены денисовцев и неандертальцев когда-то смешались в равной пропорции. Чтобы выбрать более вероятный из этих вариантов, ученые проанализировали нуклеотидные позиции, по которым геном алтайского неандертальца наиболее четко отличается от генома денисовца (позиции, в которых неандерталец гомозиготен по одному аллелю, а денисовец — по другому). При этом учитывались только самые «надежные» нуклеотидные различия, а именно трансверсии, которые с наименьшей вероятностью могут возникнуть посмертно. Авторы случайным образом выбирали из прочтенных кусочков генома Denisova 11 два фрагмента, включающих данную позицию, и смотрели, какие нуклеотиды там стоят. При этом возможны три варианта: 1) оба фрагмента как у неандертальца, 2) один как у неандертальца, другой как у денисовца, 3) оба как у денисовца. Нужно учитывать, что два выбранных фрагмента могут с равной вероятностью либо происходить от двух разных гомологичных хромосом, либо оказаться двумя прочтениями одной и той же хромосомы. Поэтому если Denisova 11 является гибридом первого поколения, и, следовательно, гетерозиготна почти по всем рассматриваемым позициям, то ожидаемое соотношение трех названных вариантов будет 25:50:25 (а не 0:100:0, как было бы в том случае, если бы геном был прочтен с абсолютной точностью, фрагменты собраны в целые хромосомы, и можно было бы с уверенностью брать по фрагменту от каждой из двух гомологичных хромосом). Подсчитанное соотношение оказалось очень близким к 25:50:25. Таким образом, можно считать доказанным, что Denisova 11 — гибрид первого поколения. Ее мать была неандерталкой (поскольку митохондриальная ДНК, передаваемая по материнской линии, у нее неандертальская), а отец — денисовцем.

Более детальный анализ показал, что в геноме Denisova 11 есть как минимум пять небольших участков, в которых не одна, а обе хромосомы несут характерные неандертальские аллели, а денисовских почти нет. Это значит, что в денисовской популяции, к которой принадлежал отец изучаемой женщины, была небольшая примесь неандертальских генов — след более древнего эпизода гибридизации. По оценке авторов, этот эпизод мог произойти за 300–600 поколений до рождения отца Denisova 11. Любопытно, что его неандертальская супруга и те древние неандертальцы, что оставили свой след в его геноме, скорее всего, происходили из разных неандертальских популяций. На это указывает слегка повышенный (по сравнению с неандертальцами Den5 и Vindija 33.19) уровень гетерозиготности в упомянутых пяти участках.

Что касается неандертальской матери Denisova 11, то она, как ни странно, оказалась более близкой родственницей хорватского неандертальца Vindija 33.19, чем своей более древней соплеменницы из той же самой Денисовой пещеры (Den5). Возможно, это говорит о каких-то масштабных миграциях неандертальских племен. Например, можно предположить, что после 120 000 лет назад — это примерное время жизни Den5 — европейские неандертальцы пришли на Алтай и вытеснили местную популяцию. Здесь уместно вспомнить, что опубликованные недавно данные по геномам поздних европейских неандертальцев тоже указывают на дальние миграции (см.: В геномах поздних европейских неандертальцев не удалось обнаружить следов гибридизации с сапиенсами, «Элементы», 26.03.2018).

На рис. 2 показана схема родственных отношений неандертальцев и денисовцев, уточненная на основе новых данных.

Рис. 2. Схема родственных связей неандертальцев и денисовцев, основанная на данных по ядерным геномам. По вертикальной оси — время в тысячах лет назад. Ромбами показаны три генома, прочтенных с высоким покрытием (Altai Neanderthal, Denisova 3, Vindija 33.19), кружками — моменты разделения предковых популяций, оцененные по величине различий между геномами. Датировки геномов основаны на молекулярно-генетических данных (упрощенно говоря, чем древнее индивид, тем меньше он успел накопить отличий от шимпанзе) и на предположении, что предки людей и шимпанзе разделились 13 млн лет назад. Синей стрелкой обозначен приток неандертальских генов в денисовскую популяцию, имевший место за 300–600 поколений до времени жизни Denisova 11. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Таким образом, исследование показало, что эпизодов скрещивания неандертальцев с денисовцами было как минимум два. Мы также знаем, что сапиенсы скрещивались с денисовцами не менее двух раз (см. Предки китайцев и японцев скрещивались с двумя разными популяциями денисовцев, «Элементы», 19.03.2018). Гибридизация сапиенсов с неандертальцами тоже происходила неоднократно (B. Vernot et al., 2016. Excavating Neandertal and Denisovan DNA from the genomes of Melanesian individuals). Кроме того, предки пигмеев скрещивались с какой-то неведомой архаичной популяцией в Африке (P. Hsieh et al., 2016. Model-based analyses of whole-genome data reveal a complex evolutionary history involving archaic introgression in Central African Pygmies), а у денисовцев есть примесь другой неизвестной архаичной популяции (У алтайских неандертальцев найдены гены архаичных сапиенсов, а у денисовцев — гены гейдельбергских людей, «Элементы», 25.02.2016). Но самым наглядным доказательством частой метисации является тот факт, что среди немногочисленных древних индивидов с отсеквенированными ядерными геномами нашлось целых два случая совсем недавней гибридизации: кроманьонец из румынской пещеры Оасе, имевший предка-неандертальца в четвертом-шестом колене (Q. Fu et al., 2015. An early modern human from Romania with a recent Neanderthal ancestor), и Denisova 11 — гибрид первого поколения. По-видимому, это значит, что сапиенсы, денисовцы и неандертальцы в периоды совместного проживания на той или иной территории скрещивались друг с другом вполне охотно и часто. Почему же тогда три популяции не слились, а сохранили (вероятно, до самого конца, то есть до вымирания неандертальцев и денисовцев) свою генетическую идентичность и обособленность? Скорее всего, данное противоречие указывает на сильную постзиготическую репродуктивную изоляцию, то есть на пониженную выживаемость или плодовитость гибридов. В таком случае их всё-таки правильнее считать разными видами людей.

Источник: Viviane Slon, Fabrizio Mafessoni, Benjamin Vernot, Cesare de Filippo, Steffi Grote, Bence Viola, Mateja Hajdinjak, Stéphane Peyrégne, Sarah Nagel, Samantha Brown, Katerina Douka, Tom Higham, Maxim B. Kozlikin, Michael V. Shunkov, Anatoly P. Derevianko, Janet Kelso, Matthias Meyer, Kay Prüfer & Svante Pääbo. The  genome of the offspring of a Neanderthal mother and a Denisovan father // Nature. Published online 22 August 2018.

См. также:
1) В геномах поздних европейских неандертальцев не удалось обнаружить следов гибридизации с сапиенсами, «Элементы», 26.03.2018.
2) Предки китайцев и японцев скрещивались с двумя разными популяциями денисовцев, «Элементы», 19.03.2018.
3) Между сапиенсами и неандертальцами существовала частичная репродуктивная изоляция, «Элементы», 03.02.2014.
4) У алтайских неандертальцев найдены гены архаичных сапиенсов, а у денисовцев — гены гейдельбергских людей, «Элементы», 25.02.2016.
5) Михаил Гельфанд. Неравный брак, «Троицкий вариант» №261, 28.08.2018.

Александр Марков