МД-2023: Палеогеномика

Секция по анализу древней ДНК в этом году называлась «Палеогеномика России», и не случайно. Проблему, стоящую перед отечественными специалистами, подчеркнул ведущий секции, член-корр. РАН Егор Прохорчук: до последнего времени Россия оставалась донором материала для изучения древней ДНК, на ее территории находятся интереснейшие археологические памятники, места палеонтологических находок, но анализ материала проводился в зарубежных лабораториях. С одной стороны, сказал Прохорчук, наука интернациональна, но с другой стороны, интерпретации полученных генетических результатов зачастую расходятся с представлениями российских археологов, которые десятилетиями работают с этими памятниками. Древняя ДНК порой начинает доминировать над археологическими артефактами. Проблема может быть частично разрешена созданием в стране полного цикла исследований объекта — «от археологии до математики», и появление лабораторий, которые могут работать с древней ДНК, — это очень важный этап.

С докладом академика РАН Евгения Рогаева о возможностях анализа древней ДНК для решения исторических вопросов, выступила его соавтор Татьяна Андреева (Университет «Сириус», МГУ имени М.В. Ломоносова). Она напомнила, что с появлением первых методов анализа древней ДНК его использовали в криминалистике, затем в палеонтологии, и наконец специалисты убедились, что ДНК хранит историческую информацию, которую можно расшифровать. Так возникла новая наука — историческая генетика. Одним из первых случаев, когда таким способом была решена историческая загадка, стало исследование природы наследственной болезни крови в царской семье Романовых, когда по анализу древней ДНК удалось найти патогенетическую мутацию в гене фактора 9 свертывания крови и поставить диагноз «гемофилия типа В».

Объектами исторической генетики могут быть не только костные останки, но и волосы, фрагменты одежды, следы крови на оружии, а также медицинские препараты прошлого. Анализ исторической ДНК сталкивается с теми же трудностями, что и анализ палеоДНК, сказала Татьяна Андреева: деградация, контаминация и постмортальные мутации. Приходится работать с короткими фрагментами ДНК — не более 50 нуклеотидов, А постмортальные мутации — замены С на Т на концах фрагментов — служат метками возраста материала, это так называемые «усы древности». При подготовке библиотек ДНК наиболее эффективным оказалось использование одноцепочечных фрагментов.

Татьяна Андреева привела несколько примеров исследований исторической ДНК, проведенных в лаборатории Евгения Рогаева. Так, ученым удалось выделить ДНК из двух волосков, даже без волосяных луковиц, из локона, приложенного к портрету предположительно царевича Алексея из Государственного исторического музея. Фрагменты ДНК из волосков были очень короткими, не более 30 нуклеотидов, но последовательность мтДНК по всем позициям совпадала с мтДНК императрицы Александры Федоровны и с мтДНК царевича Алексея из костных останков. В итоге — принадлежность портрета убедительно подтверждена (подробнее на PCR.NEWS).

Андреева рассказала и о проекте «Генетическая история населения Русской равнины», в котором участвуют Университет «Сириус», Институт археологии РАН, ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН и МГУ. В рамках этого проекта специалисты исследовали ДНК легендарных скифов, при этом показали, что европейские скифы, жившие в северном Причерноморье, генетически отличны от азиатских кочевников той же скифской культуры. Исследованиям древнерусского населения препятствует практика трупосожжения, практиковавшаяся у славян, поэтому материала очень мало, каждая находка уникальна. Так, исследование черепа VII—VIII века, найденного в Курской области, показало, что его мтДНК идентична мтДНК Белы III, короля Венгрии; такая же последовательность встречается у современных жителей Дании. Можно предположить, что эта митохондриальная гаплогруппа возникла на территории России, и затем население мигрировало на северо-запад.

В исследовании населения древнего Ярославля (1238 год) установлено происхождение некоего индивида, которого по одежде и артефактам считали монголом. Однако генетики нашли у него европейскую мтДНК и геномные варианты, соответствующие европейскому типу внешности. А анализ ДНК трех индивидов из саркофага домонгольского периода в Великом Новгороде, где ожидали обнаружить родственников, показал, что это не так: мужчина, женщина и ребенок имеют мтДНК географически разных линий. В этом случае генетики поставили перед археологами загадку, почему эти люди были похоронены в одном саркофаге?

В лаборатории обращаются и к более древним временам, так, были исследованы несколько образцов из Мезмайской пещеры на Кавказе (подробнее на PCR.NEWS). Найденный там зуб, как установили генетики, принадлежал не человеку, а барану, фрагмент височной кости также оказался не человеческим. Но был также найден зуб неандертальской девочки. Ученые сравнили ее мтДНК со всеми ранее изученными образцами, реконструировали полное митохондриальное дерево всех неандертальцев и на его основе предложили свою классификацию этих людей. Девочка из Мезмайской пещеры принадлежала к одной из последних ветвей более древних неандертальцев, которые жили 90–70 тыс. лет назад, а потом были замещены более поздними.

Член-корр. РАН Егор Прохорчук, руководитель лаборатории в ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН, определил палеогенетику как в большей степени прикладную науку. «Мы — инструмент в руках археологов, — подчеркнул он. — Мы не хотим навязывать свои гипотезы. И я был бы очень аккуратен в использовании древней ДНК в исторических вопросах». В качестве иллюстрации к этому предостережению он напомнил о немецком археологе Густафе Косинне (1858–1931), который, исходя из данных археологии о европейской культуре шнуровой керамики и лингвистики — об истоках немецкого языка, заявил, что в силу происхождения немцы могут по праву считать своими некоторые регионы Восточной Европы; впоследствии эти идеи подхватили нацисты.

Прохорчук кратко остановился на методах анализа древней ДНК. Основным методом служит трэппинг с использованием панели, содержащей 1 млн 200 тысяч реперных снипов — маркеров для палеогенетического исследования. На втором этапе иногда используют шотган-секвенирование. Кстати, именно его команда придумала термин «усы древности» для обозначения С-Т-переходов на концах фрагментов. Но чтобы произошло это дезаминирование, нужно как минимум 100 лет; с этого возраста ДНК можно считать древней. Как правило, 95–97% всей выделенной из образца ДНК составляет бактериальной ДНК. Интересно, что в древней ДНК сохраняются и эпигенетические метки, анализ которых может показать, какие именно гены были активны в момент смерти животного или человека.

Егор Прохорчук рассказал о последней, недавно опубликованной работе — полногеномном исследовании останков великого князя Дмитрия Александровича из захоронения в Спасо-Преображенском соборе Переяславля-Залесского, сына Александра Невского (подробнее на PCR.NEWS). Важно, что по археологическому контексту и историческим источникам это наиболее достоверный древний образец из рода Рюриковичей по сравнению с другими изученными. Ученые использовали при его анализе трэппинг на 1 млн 200 тыс снипов, причем 300 тыс снипов анализировали на Y-хромосоме. Они показали, что Y-хромосома Дмитрия Александровича, принадлежащая к гаплогруппе N1a, на филогенетическом дереве кластеризуется с образцами современных Рюриковичей с той же гаплогруппой. Это указывает на общее происхождение, их общие предки восходят к Ярославу Мудрому, родоначальнику трех ветвей Рюриковичей: Мстиславовичей, Ольговичей и Юрьевичей. Современные Рюриковичи с другой гаплогруппой, R1a, не группируются на дереве друг с другом, что противоречит версии об их общем происхождении. Собственно, в любой династической линии бывают приемные или незаконнорожденные дети. Что касается мтДНК Дмитрия Александровича, то она принадлежит к восточноевразийской гаплогруппе, и это ставит задачу перед будущими исследователями — проследить происхождение великого князя по материнской линии. Наконец, генетика показала, что Дмитрий Александрович с наибольшей вероятностью имел карие глаза и темные волосы.

Исследователи также обнаружили генетическую близость изученного генома и людей эпохи раннего металла, оставивших могильник на Большом Оленьем острове недалеко от Мурманска около 3600 лет назад. «Поскольку между ними три тысячи лет, мы не можем говорить о прямом родстве, скорее, то и другое отражает распространение на восток сибирского генетического компонента, который ранее был обнаружен у оленеостровцев, — говорит Прохорчук. — И этот след остался в геноме Рюриковича».

Егор Прохорчук остановился на методах, которые специалисты использовали для моделирования происхождения князя Дмитрия Александровича из нескольких предковых популяций. Наиболее достоверные результаты получаются при моделировании из трех источников: скандинавский компонент (викинги с шведского острова Оланд), восточный (на него подошли кочевники-авары) и сибирский. Наконец, скандинавский компонент можно заменить на компонент древних славян (например, поздний образец со стоянки Сунгирь во Владимирской области).

 Результаты моделирования генома князя Дмитрия Александровича из трех предковых компонент: древнерусского славянского населения (синий), древнего восточноевразийского компонента (зеленый) и представителей степных кочевников (оранжевый) А — раннего железного века или Б — раннесредневекового населения Центральной Европы (степных кочевников с территории Венгрии). Credit: Acta Naturae. 2023. Т. 15, № 3 (58),  C. 50-65. |  CC BY 4.0 DEED

В заключение докладчик высказал пожелание, чтобы в будущем анализ ДНК стал стандартом для характеристики всех древних образцов и было общедоступное место, куда любой археолог мог отнести свои находки, чтобы этот анализ получить.

Кристина Жур, работающая в той же лаборатории ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН, рассказала о палеогенетическом исследовании, которое позволило проверить гипотезу о путях миграций человека. Исследовали зуб из могильника 5197–4850 гг.. до н.э. в районе города Нальчик. Этот могильник один из самых ранних известных погребальных комплексов на Кавказе. ДНК, выделенную из зуба, ученые сравнили с другими древними геномами, чтобы выбрать одну из трех гипотез происхождения человека из Нальчика. Первая гипотеза: это потомок самого древнего населения Кавказа. Вторая: это представитель переселенцев первой волны, у которых есть генетический компонент иранских или анатолийских земледельцев. Третья: это представитель степного энеолитического населения, смешавшегося с местным кавказским.

Положение генома из Нальчика в пространстве главных компонент оказалось промежуточным между степью и Кавказом, что указывает на контакты с населением степи. Авторы предположили, что примерно к 5000 лет до н.э. (а может быть, и раньше) на Северном Кавказе появилось население, объединившее генофонд кавказских охотников-собирателей с генофондом раннего докерамического неолита, вероятно, с территории Северной Месопотамии — Загроса, и это население в дальнейшем взаимодействовало с восточными охотниками-собирателями из степи. Это предположение встраивается в схему основных миграционных потоков, которые принесли сельское хозяйство с Ближнего Востока в Европу. Генетики показали, что миграции земледельцев могли распространяться и через Кавказ. Они подчеркивают, что это предположение не противоречит археологическим данным.

Следующие два доклада были представлены антропологами. Александра Бужилова, академик РАН, директор НИИ и музея антропологии МГУ имени М.В. Ломоносова, рассказала, как исследования древней ДНК помогают узнать, какими заболеваниями страдали наши предки. Некоторую информацию о состоянии здоровья человека по костным останкам можно получить и антропологическими методами — какие-то болезни оставляют следы на костях, но далеко не все. Поэтому сотрудничество с палеогенетиками для палеоантропологов оказалось очень полезным. Так, во многих случаях с помощью генетического анализа удалось выяснить причину массовых захоронений — зачастую они были связаны с эпидемиями инфекционных заболеваний.

Александра Бужилова приводит в пример одни из первых проектов такого рода, в которых ей довелось участвовать. Это анализ ДНК из массовых захоронений в Марселе, где предположительно были погребены жертвы средневековой чумы. И генетики методом ПЦР действительно наши в костях ДНК возбудителя чумы. Это была первая подобная работа, статья опубликована в 1998 году. Так появилось направление палеоэпидемиологии.

Чума из всех инфекционных болезней более всего исследована палеогенетиками. Они показали, что смертоносная средневековая эпидемия XIV–XV вв. началась на территории Крыма, затем попала в Италию, затем охватила остальные европейские регионы. Проследили, что эпидемия XIX века пошла из Китая. Заглянули в историю более глубоко и подтвердили, что античная Юстинианова чума VI века происходила с территории Африки. Затем пошли еще дальше вглубь и выяснили, что чума в Европе была распространена еще в бронзовом веке, а принесли ее из степи вездесущие «ямники», кочевники ямной культуры. Миграции на большие расстояния привели к тому, что еще 5000 тысяч лет назад чума встречалась даже в прибалтийском регионе, причем геномы древней бактерии из Прибалтики и Прибайкалья очень похожи, что говорит о большой скорости распространения. Один из самых интересных результатов, полученных генетиками, состоит в том, что ранние формы бактерии чумы не имели гена, позволяющего инфекции передаваться с блохами.

Палеогенетические исследования туберкулеза установили, что это очень древнее заболевание, он возник около 70 тысяч лет назад и, очевидно, сопровождал миграцию современных людей из Африки. Но вплоть до времени, когда люди перешли к оседлому образу жизни и производящему хозяйству, вспышек туберкулеза не было. Они появились около 10 тысяч лет назад, причем были приурочены к районам окультуривания растений. Один из них — Китай, где стали выращивать рис. Интересно, что ранние штаммы туберкулеза, обнаруженные на территории Перу, были связаны с морскими млекопитающими, это позволяет относить туберкулез к исходно зоонозным заболеваниям.

Не менее древней, чем туберкулез, оказалась проказа (лепра). История ее происхождения еще не закрыта, хотя зоонозный путь также не исключен — проказу нашли у белок, низших приматов и броненосцев (последних, очевидно, заразили люди во время колонизации Америки, но теперь они могут быть резервуаром). В истории описано несколько вспышек проказы, которые теперь подтверждены и генетически. В античности она была редка, в средние века в Европе стала гораздо более частой; возможно, роль в ее распространении сыграли крестоносцы.

А вот что с трудом поддается генетическому анализу, так это сифилис и другие трепонематозы. Среди них есть венерические и невенерические, и у каждой формы своя история. Но, к сожалению, трепонема очень плохо сохраняется в костных останках. Поэтому генетики не могут ответить на часто возникающий вопрос — был ли Колумб, то есть европейские колонизаторы, прибывшие в Америку, виноват в эпидемии сифилиса. Но другие источники говорят, что Колумб, скорее всего, ни при чем: как в Европе сифилис был до открытия Америки, так и у коренных жители Америки он встречался до европейской колонизации, хотя, по-видимому, не в таких масштабах.

Свой доклад Александра Бужилова закончила словами, что генетическая адаптация к инфекциям у современного человека началась, собственно говоря, не так давно — около 5000 лет назад, поэтому «мы в этом неофиты, и нас еще очень многое может ожидать на этом пути».

Доклад Марины Карапетян, также представляющей НИИ и музей антропологии, был посвящен реконструкции биологического родства и брачных практик по древней ДНК из захоронения. В совместной работе с немецкими палеогенетиками, которые проводили генетический анализ, они изучали останки из кургана эпохи бронзы в Южном Зауралье, в Челябинской области, в селе Неплюевка. В кургане, датированном от 1914 до 1626 лет до н.э., обнаружено 35 погребений с останками 44 индивидов. Генетики проанализировали ДНК 32 человек — 20 детей и подростков, 12 взрослых. Двадцать один из них оказались близкими родственниками первой-третьей степени родства. Из 7 взрослых мужчин 6 находились в близком родстве, при этом взрослые женщины не были биологическими родственниками. Все потомки — дети и внуки — были связаны между собой родством по мужской линии, за одним исключением.

Из этих данных специалисты сделали вывод о том, что для общества людей, которые возвели курган, была характерна патрилокальность и патрилинейность (мужчины оставались на месте и передавали свой род по мужской линии), а также экзогамия (заключение союзов с женщинами из других мест). Поскольку среди погребенных в кургане большую долю составляют дети, не исключено, что они стали жертвами эпидемии. Это пример показывает, как палеогенетика помогает создать представление не только о биологии, но и о социальной жизни наших предков.

Информация о докладчиках

Татьяна Владимировна Андреева, к.б.н., АНО ВО «Университет «Сириус», Сочи, Краснодарский край; МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва.

Егор Борисович Прохорчук, д.б.н., профессор, чл.-корр. РАН, ФГУ ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН, Москва.

Кристина Валерьевна Жур, ФГУ ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН, Москва.

Александра Петровна Бужилова, д.и.н., академик РАН, Научно-исследовательский институт и музей антропологии им. Д.Н. Анучина, МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва.

Марина Кареновна Карапетян, к.б.н., Научно-исследовательский институт и музей антропологии им. Д.Н. Анучина, МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва.