ДНК возрастом более миллиона лет и новые факты из истории мамонтов

Впервые исследована ДНК мамонтов, которой более миллиона лет. Ученые показали, что в Восточной Сибири в эпоху раннего плейстоцена обитали мамонты двух генетических линий. Одна из них впоследствии дала начало шерстистым мамонтам. Другая, не известная ранее, смешавшись с линией шерстистых мамонтов, породила колумбийских мамонтов, заселивших Северную Америку.

Изображение:

Авторы статьи Лав Дален и Патриция Печнерова с бивнем мамонта на острове Врангеля

Credit:

Глеб Данилов

Палеогенетики поставили рекорд по глубине, на которую анализ древней ДНК может заглянуть в прошлое, — преодолен предел в миллион лет. Международный коллектив ученых под руководством специалистов из Центра палеогенетики в Стокгольме исследовал геномы трех мамонтов, два из которых старше миллиона лет. Впечатляющее достижение, учитывая, что до этого самым древним был геном древней лошади возрастом 780–560 тысяч лет. Статья с результатами этой прорывной работы опубликована в Nature.

Мамонты появились в Африке примерно 5 млн лет назад и впоследствии расселились по всему северному полушарию. Эволюционные изменения в эпоху плейстоцена (от 2,6 млн лет назад до 11,7 тысяч лет назад) сформировали популяции южных мамонтов (Mammuthus meridionalis) и степных мамонтов (Mammuthus trogontherii), последние дали начало колумбийским мамонтам (Mammuthus columbi) и шерстистым мамонтам (Mammuthus primigenius). Считалось, что колумбийские возникли при первом появлении мамонтов в Северной Америке около 1,5 млн лет назад, а шерстистые — в Северо-Восточной Сибири примерно 0,7 млн лет назад. Впоследствии шерстистые мамонты переселились также и в Северную Америку. Мамонты, сходные со степным, населяли Евразию по крайней мере с 1,7 млн лет назад; последняя популяция вымерла в Европе около 200 тысяч лет назад.

Палеогенетики исследовали ДНК из зубов (моляров) трех мамонтов, найденных в Северо-Восточной Сибири и относящихся к раннему и среднему плейстоцену (до сих пор исследовались геномы только шерстистых мамонтов позднего плейстоцена). Один из мамонтов, получивший условное имя Крестовка, по названию реки, был найден в отложениях вечной мерзлоты, датированных 1,2–1,1 млн лет назад, морфологически он был сходен со степным мамонтом. Второй, Адыча (также по названию реки) по расположению в слоях мерзлоты датировался возрастом 1,2-1,0 млн лет, он также был похож на степного мамонта. Третий — Чукоча, предположительный возраст 0,8–0,5 млн лет, — внешне походил на шерстистого мамонта.

Ученые использовали специальные методы для работы с сильно деградировавшей ДНК. Они отмечают, что ДНК из раннего и среднего плейстоцена была больше фрагментирована и сильнее дезаминирована, чем ДНК из позднего плейстоцена, поскольку последняя постоянно находилась в вечной мерзлоте. Митохондриальную ДНК всех трех мамонтов удалось секвенировать с покрытием более 37х. Из ядерного генома проанализировали 49 млн, 884 млн и 3671 млн пар оснований для мамонтов Крестовка, Адыча и Чукоча, соответственно.

По мтДНК вычислили молекулярно-генетический возраст мамонтов, сравнивая их с мтДНК африканского слона. Молекулярный возраст оказался древнее геологического: 1,65 млн, 1,34 млн и 0,87 млн лет для Крестовки, Адычи и Чукочи соответственно. По очень ограниченным аутосомным данным получили возраст 1,28 млн лет для Адычи и 0,62 млн лет для Чукочи. Авторы отмечают, что это примерно соответствует геологическому возрасту.

По данным митохондриальной ДНК ученые построили филогенетическое дерево мамонтов. Оказалось, что все три изученных образца (раннего и среднего плейстоцена) генетически отличаются от мамонтов позднего плейстоцена из Европы (48 тыс. лет назад) и Сибири (24 тыс. лет назад). На этом дереве Адыча и Чукоча расположились на ветви, предковой для всех шерстистых мамонтов, в то время как Крестовка — на другой ветви. Молекулярная датировка показала, что мтДНК Крестовки отделилась от мтДНК других мамонтов 2,66–1,78 млн лет назад. Примерно такие же значения получились по аутосомным данным, при том, что они очень ограничены.

Итак, полученные данные указывают на существование в Восточной Сибири раннего плейстоцена двух линий мамонтов. Одна из линий, представленная Крестовкой, отделилась от остальных мамонтов до того, как первые мамонты появились в Северной Америке. Вторая, которую представляет Адыча, привела к возникновению шерстистых мамонтов.

Авторы уделили много внимания реконструкции истории колумбийских мамонтов, используя для этого геномы трех шерстистых мамонтов и одного колумбийского. Моделирование с помощью метода admixture graph model показало, что эта история не линейна, а включает в себя генетическое смешение. Геном колумбийского мамонта образовался при смешении линии, к которой принадлежала Крестовка, с линией шерстистых мамонтов. Поскольку вклад каждой линии составляет примерно половину, ученые предположили, что колумбийский мамонт возник при гибридизации двух видов. Это событие произошло не ранее 420 тысяч лет назад. Поскольку мамонты уже жили в Северной Америке с 1,5 млн лет назад, это означает, что до гибридизации североамериканские мамонты принадлежали к линии Крестовки. Внешнее сходство Крестовки со степным мамонтом говорит в пользу ранее предложенной модели, согласно которой ранние североамериканские мамонты произошли от евразийских степных мамонтов, но не в результате распространения южного мамонта в Северную Америку.

«Это важное открытие. Похоже, что колумбийский мамонт, один из самых знаковых видов ледникового периода Северной Америки, появился в результате гибридизации», — говорит соавтор статьи Патриция Печнерова, генетик из Шведского музея естественной истории.

Анализ ДНК такой древности позволяет напрямую исследовать эволюционные изменения. Ученые проанализировали в геноме мамонтов приобретенные аллели, кодирующие белки, сравнив их с соответствующими аллелями в геномах африканского и азиатского слонов. Оказалось, что 85,2% и 88,7% мамонт-специфичных кодирующих белки изменений уже присутствуют в геномах Адычи и Чукочи соответственно. Ученые отмечают, что Адыча (которую они отнесли к степным мамонтам) и Чукоча (отнесенная к шерстистым мамонтам) отличались по морфологии моляров. Но при этом они не зафиксировали увеличение скорости генетических изменений за этот период.

Более всего интересна адаптация к холодному климату, которую ярко демонстрируют шерстистые мамонты. Авторы исследовали 91 генетический вариант, который, как было показано раньше на шерстистых мамонтах, повышает устойчивость к холоду. Среди них гены, вовлеченные в рост шерсти, циркадные ритмы, термочувствительность и отложения белого и бурого жира. Оказалось, что большая их часть присутствует уже в геномах Адычи (87%) и Чукочи (89%). Хотя и не все. Так, хорошо известный ген TRPV3, вовлеченный в устойчивость к холоду у позднеплейстоценовых шерстистых мамонтов, у Чукочи обеспечивал лишь две из необходимых четырех замен в кодируемом белке. Но в целом появление шерстистых мамонтов не сопровождалось повышением скорости адаптивной эволюции. По-видимому, многие специфические для мамонтов генетические изменения возникли раньше.

«Возможность отслеживать генетические изменения в процессе видообразования уникальна. Наш анализ показывает, что большая часть адаптаций к холоду уже присутствовала у предка шерстистого мамонта, и мы не находим доказательств того, что естественный отбор происходил быстрее в процессе видообразования », — говорит соавтор исследования Дэвид Диэс-дель-Молино из Центра палеогенетики.

Прочтение древней ДНК возрастом более миллиона лет на практике подтверждает, что генетическую информацию можно получить из гораздо более древних пластов времени, чем считалось ранее. Оказалось, что методами анализа древней ДНК могут быть изучены геномы видов вплоть до эпохи раннего плейстоцена. Это открывает большие возможности для прямого изучения эволюции на большом временном периоде, в том числе для изучения видообразования.

«Один из главных вопросов — как далеко мы можем уйти в прошлое. Мы еще не достигли предела. Возможно, мы могли бы изучить ДНК возрастом два миллиона лет или даже 2,6 миллиона лет. А до этого времени не было вечной мерзлоты, где ДНК могла бы сохраняться», — считает Андерс Гетерстрём, профессор молекулярной археологии, соруководитель исследований Центра палеогенетики.

Источник

Tom van der Valk, et al. // Million-year-old DNA sheds light on the genomic history of mammoths // Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03224-9

Добавить в избранное

Вам будет интересно