Неандертальский геном из Мезмайской пещеры и новая филогения неандертальцев по мтДНК

Митохондриальный и частично ядерный геном неандертальца из Мезмайской пещеры на Северном Кавказе секвенировали ученые из Научно-технологического университета «Сириус» и Института общей генетики РАН при участии коллег из других научных центров, под руководством академика РАН Евгения Рогаева. Генетики также представили картину филогенетических связей между разными популяциями гоминин среднего палеолита, основанную на анализе митохондриальной ДНК.

Исследовали зуб (молочный верхний резец), образец Мезмайская 3, найденный в 3-м слое Мезмайской пещеры, представляющем отложения среднего палеолита. Ранее были изучены останки двух неандертальцев из этой пещеры. По морфологии зуба, сравнив его с находками из других мест, специалисты пришли к выводу, что он принадлежал неандертальскому ребенку 5–6 лет.

Извлеченную из зуба ДНК секвенировали на Illumina HiSeq и картировали на референсный геном человека (GRCh37), а также на обновленную кембриджскую референсную последовательность (rCRS, NC_012920.1) митохондриального генома человека и неандертальскую митохондриальную последовательность (NC_011137.1).

Из ядерного генома секвенированием покрыли 75 Mbp (миллионов пар оснований). На концах фрагментов наблюдалось характерное для древней ДНК дезаминирование (замены С на Т). Соотношение фрагментов Х-хромосомы и аутосом указало на то, что ребенок был девочкой.

Митохондриальный геном Мезмайской 3 удалось реконструировать полностью. При этом в одной позиции мтДНК ученые обнаружили чередование A и G оснований в соотношении 1:2, то есть гетероплазмию — она впервые выявлена у неандертальца. Кроме того, в мтДНК нашли четыре специфичных варианта, не представленные у других неандертальцев. Эти варианты с очень низкой частотой встречаются у современного человека, но отсутствуют у всех прочих древних гоминин.

Авторы провели филогенетический анализ, используя кодирующий регион мтДНК у Мезмайской 3 и 27 ранее изученных неандертальцев, 4 денисовцев, гейдельбергского человека, 10 древних Homo sapiens и 53 современных людей, а также шимпанзе. Филогенетическое дерево показало, что мтДНК у Мезмайской 3 — неандертальского типа и наиболее близка к мтДНК образца Мезмайская 1 из того же слоя пещеры. МтДНК двух этих индивидов и неандертальца из пещеры Стайня (Stajnia S5000) в Польше принадлежат к одной кладе. Применив байесовский подход к мтДНК древних образцов с прямой радиоуглеродной датировкой и мтДНК современных людей, исследователи оценили возраст Мезмайской 3 в 96,3 тысячи лет. МтДНК этого и других ранних неандертальцев (100-70 тыс. лет назад) отличалась от таковой поздних неандертальцев, живших в Европе 60–40 тыс. лет назад.

Сравнение ядерной ДНК Мезмайской 3 и других неандертальцев, денисовцев и современных людей еще раз подтвердило неандертальскую природу индивида. У Мезмайской 3 обнаружилось больше общих приобретенных аллелей с неандертальцами из Чагырской пещеры и пещеры Виндия (Хорватия), чем с алтайским неандертальцем.

Как рассказывал Евгений Рогаев на конференции «Молекулярная диагностика-2021», до сих пор не существовало общей классификации неандертальцев, основанной на их митогеномах. Авторы впервые предложили иерархическую классификацию неандертальской мтДНК, выделив в ней 18 гаплогрупп, отличающихся специфическими вариантами. На филогенетическом дереве они образуют ветви, соответствующие древним (гаплогруппы NA), ранним (гаплогруппы NE), средним (гаплогруппы NM) и поздним (гаплогруппы NL) неандертальцам.

Самая древняя гаплогруппа NA делится на две клады: NA1 и NA2. Представители NA1 найдены на территории Германии (Холенштайн-Штадель) и Испании (Вальдегода). NA2 обнаружена у неандертальца из Денисовой пещеры, она делится на ветви NE и NA2a. NA2a представлена у трех неандертальцев из Денисовой пещеры. NE включает как азиатских, так и ранних европейских неандертальцев (Складина I-4A), вероятно, она была широко распространена у неандертальцев среднего палеолита Европы и Центральной Азии.

NA2a разделяется на гаплогруппы NM и NL. Ветвь NM присутствует только в Европе, в то время как NL есть как в восточной части ареала неандертальцев (Чагырская, Окладникова, Денисова пещеры), так и в западной части. Европейская NM включает неандертальцев с Северного Кавказа (Мезмайская 1 и 3), Центральной Европы (Стайня) и Иберийского полуострова (Гибралтар, Карьер Форбса и Галерея Статуй). Вероятно, это две сублинии: NM2 на Кавказе и NM1 – в Западной и Центральной Европе.

Авторы разработали собственный биоинформатический подход, позволивший анализировать не только последовательности мтДНК, секвенированные с хорошим качеством, но и пересмотреть ранее полученные данные по мтДНК низкого качества и коротким последовательностям. Так, они показали, что неандерталец с Гибралтара принадлежит к той же линии MN, что и индивид из пещеры Стайня. У неандертальцев из Испании найдены две разные гаплогруппы мтДНК: древняя NA1 и NM 1. Индивиды из Чагырской пещеры на Алтае приналежат к гаплогруппе поздних неандертальцев NL, так же как три индивида из Денисовой пещеры. Для индивида Altamura, для которого были секвенированы ультракороткие последовательности, была показана принадлежность к поздним европейским неандертальцам (гаплогруппа NL1).

 Филогенетическое древо, связывающее Мезмайскую 3 с другими митохондриальными геномами человека. Ветви, соответствующие мтДНК современного человека, объединены внизу рисунка. Credit: Scientific Reports, 2022, DOI:  10.1038/s41598-022-16164-9 | CC BY 4.0

Ученые также провели поиск потенциально функциональных вариантов в мтДНК, которые были бы фиксированы у всех неандертальцев или лишь в отдельных кладах. В частности, они нашли неандертальский вариант 827G в гене 12S рибосомной субъединицы, который редок у современных людей и отсутствует у обезьян и у денисовцев. Этот вариант ранее был описан как патогенный, его неполная пенетрация была связана с наследственной глухотой. Ученые не исключают, что адаптационная эволюция разных групп неандертальцев могла быть связана с накоплениями мутаций в мтДНК.

В целом, полученные данные показывают, что для мтДНК большинства секвенированных в настоящее время неандертальцев прослеживается происхождение от азиатской линии NA2. Европейская линия NA1 была найдена только у нескольких ранних европейских неандертальцев и не присутствует в поздних популяциях. Исходя из анализа мтДНК, неандерталец Мезмайская 3 – последний известный представитель ранних ветвей неандертальцев (NE и NM), которые были замещены генетически отличными от них поздними неандертальцами (NL).

Комментирует первый автор статьи к.б.н. Татьяна Андреева, ведущий научный сотрудник ИОГен РАН, старший научный сотрудник Центра генетики и наук о жизни Научно-технологического университета Сириус:

— Филогения митохондриальной ДНК неандертальцев, которую мы предложили, — наиболее полная на сегодняшний день. Она охватывает всех неандертальцев, ДНК которых была когда-либо секвенирована. При этом на филогенетическое дерево мы поместили не только неандертальцев, для которых были получены полные последовательности мтДНК, но и тех, данные по которым были фрагментарны или вообще ограничены очень короткими участками (от 31 п.н.). До сих пор в мире не было общепринятой классификации и номенклатуры митохондриальных гаплогрупп неандертальцев. Мы надеемся, что предложенная нами классификация будет востребована. Так, уже сейчас она дополнила неандертальской ветвью дерево крупнейшей базы данных митохондриальных гаплогрупп Yfull. Примечательно, что, как и для современного человека, по принадлежности к той или иной ветви митохондриального древа, можно определять вероятное место обитания каждого из неандертальцев. В будущем при изучении новых представителей этой вымершей группы, это поможет составить полную картину их возможных миграций по территории древней Евразии.