Секвенирована ДНК неандертальцев из грунта пещер

В Институте эволюционной антропологии Макса Планка (Германия) разработали новые методы обогащения и анализа ядерной ДНК человека из образцов, которые легко набрать почти на любых археологических раскопках, — почвы (седимента). Соавторами новой работы, где проанализирована ДНК неандертальцев, стали ученые из Испании, России, Польши и Канады.

ДНК неандертальцев и денисовцев обычно извлекают из зубов и фрагментов костей, но это редкие и ценных находки. На данный момент получены полные или частичные последовательности ядерного генома, из 23 остатков древних гоминин — 18 неандертальцев, главным образом из Европы, четырех денисовцев и знаменитой девочки Денни, ребенка неандерталки и денисовца. Скудость геномных данных затрудняет реконструкцию истории древних людей.

В 2017 году была опубликована работа о митохондриальной ДНК (мтДНК) неандертальцев и денисовцев, извлеченной из отложений эпохи плейстоцена. Однако мтДНК, несет информацию только о материнской линии и не всегда отражает полную историю популяции. Ядерная ДНК содержит гораздо больше информации, но при ее выделении удается получить меньшее количество копий, и многие локусы оказываются неинформативными для популяционно-генетического анализа. Также проблемы создает преобладание микробной ДНК и присутствие ДНК других млекопитающих.

«В геноме человека есть много участков, которые очень похожи, например, на ДНК медведя», — говорит Бенджамин Верно, первый автор работы. Поэтому авторы статьи разработали специальные методы отсева ДНК других видов. «Мы хотели быть уверены, что не изучаем по случайности какой-то неизвестный вид гиены», — сказал Верно.

Ученые исследовали более 150 образцов из трех из трех палеолитических памятников, где неандертальцы обитали от 50 000 до 200 000 лет назад, — из Денисовой и Чагырской пещер на Алтае, а также из пещеры под названием «Галерея статуй» (Galería de las Estatuas) в археопалеонтологическом комплексе Сьерра-де-Атапуэрка на территории северной Испании.

Уже было известно, что в осадочных породах алтайских пещер хорошо сохранилась мтДНК, кроме того, в обеих пещерах были найдены останки костей неандертальцев, из которых удалось выделить ДНК, — иными словами, есть геномы для сравнения. Древние гоминины обитали в Денисовой пещере не менее 250 тысячелетий, а в Чагырской пещере есть свидетельства проживания неандертальцев на протяжении 10 тысячелетий. В «Галерее статуй» найдено почти 500 каменных артефактов, принадлежащих к мустьерской культуре; неандертальцы обитали там более 40 тысячелетий, однако найти удалось всего одну фалангу пальца ноги.

В Денисовой пещере исследовали те же образцы, где ранее находили мтДНК, в двух других пещерах взяли множество образцов из слоев, относящихся к палеолиту.

Митохондриальную ДНК из Чагырской пещеры и «Галереи статуй» выделяли по ранее разработанным протоколам. Полученные последовательности, вместе с теми, что ранее были секвенированы из образцов Денисовской пещеры, использовали для построения филогенетического дерева. Интересно, что один из «испанских» митохондриальных геномов оказался сходным с мтДНК неандертальца возрастом около 120 тыс. лет назад из пещеры Холенштайн-Штадель (Германия) — его мтДНК среди всех неандертальских наиболее близка к основанию дерева.

Для обогащения ядерной ДНК авторы разработали набор зондов, таргетирующий 1,6 миллиона однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) в ядерном геноме. Фрагменты ДНК, перекрывающие эти сайты, выделили методом гибридизационного захвата. Каждый полученный фрагмент соотносили с известными геномами млекопитающих с помощью специального программного обеспечения. А чтобы ДНК «неизвестного вида гиены» не была принята за человеческую, в зонды добавили сайты «диагностики гоминин», полученные из сравнения геномов рода Homo, шимпанзе и бонобо с другими видами. По этим сайтам ДНК неандертальца особенно резко отличается от ДНК медведя.

Ядерная ДНК из различных образцов Денисовой пещеры принадлежала либо неандертальцам, либо денисовцам, смешанных образцов не было. Образцы из двух других локаций ожидаемо оказались неандертальскими. Авторы также применили подход, используемый при изучении ДНК из более традиционных образцов, для определения пола древних людей: оценку соотношения ридов из Х-хромосомы и аутосомной ДНК. Для трех образцов удалось определить принадлежность к мужскому полу, еще для трех — к женскому. В двух «мужских» и двух «женских» образцах была мтДНК только одного типа, что может указывать на принадлежность всех «человеческих» ридов из этого образца одному индивиду, а не разным.

Филогенетический анализ, основанный на ядерной ДНК, позволяет предположить наличие двух «точек ветвления» в неандертальских популяциях. Сначала, 135 тысяч лет назад, разошлись пути предков «алтайской неандерталки» из Денисовой пещеры, обитателей Холенштайн-Штадель, пещеры Складина в Бельгии и неандертальцев «Галереи статуй», чья ДНК была найдена в седименте, а также общих предков неандертальцев из пещер Чагырской и Виндии (Хорватия). Эта последняя линия снова разветвилась около 100–115 лет назад; ее потомки, помимо неандертальцев из Виндии и Чагырской, — неандерталец из пещеры Мезмайская в Краснодарском крае, и другие, более поздние неандертальцы из «Галереи статуй». Миграции неандертальцев, вызвавшие это ветвление, происходили в начале позднего плейстоцена и, возможно, были связаны с изменением климата в последний межледниковый период.

Известно, что типичная неандертальская морфология развивалась в несколько этапов: «классические» неандертальцы, которых мы привыкли видеть на рисунках, появились лишь около 100 тысяч лет назад. Это событие совпадает по времени с более поздним расхождением популяций, отмеченным в данной работе, подчеркивают авторы.

Особо интересен тот факт, что ДНК из образцов грунта может быть индивидуальной, а не только характеризовать популяцию в целом. Возможно, в будущем по набору таких образцов удастся оценить генетическую неоднородность неандертальских популяций.