Палеогенетика и историческая генетика. Что нового?
Обзор секции "Древняя ДНК. Палео- и историческая генетика"Мутация, изменившая лошадиную спину, геномы Рюриковичей, загадочные древние люди с деформированными черепами из Приморского края, ДНК из манекена в погребении Оглахты, эпигенетика неандертальцев и денисовцев и многое другое — на конференции «Генетика 2025» ИОГен РАН.
Как отметил ведущий сессии по древней ДНК конференции «Генетика 2025» чл.-корр. РАН Егор Прохорчук, палеогенетика решает исторические вопросы, реконструирует внешность древних людей, состояние их здоровья, образ жизни, может проследить за ключевыми этапами хозяйственной деятельности. Сегодня исследования включают не только геномику, но и эпигеномику древних образцов, и от строения генома наших предков ученые делают первые шаги к пониманию того, как гены у них работали.
Как люди изменяли лошадей, а лошади людей
Онлайн-выступление Людовика Орландо, профессора Университета Поля Сабатье в Тулузе (Франция), было посвящено древним геномам лошадей. Возглавляемая им команда долгое время исследовала процесс одомашнивания лошадей в поисках ответов на вопросы: когда, где и как это происходило? Они секвенировали геномы современных лошадей из разных точек планеты и извлекали ДНК из остатков древних лошадей. Сравнивая ее с эталонным геномом современной лошади, реконструировали геном древней лошади размером 2,5 Gb. Задача состояла в том, чтобы установить фенотипические черты древних лошадей, которые нельзя определить по археологическим остаткам, и понять, происходило ли изменение фенотипа под влиянием человека, что можно было бы считать начальным этапом селекции.
За 15 лет работы Орландо и его коллеги изучили 3000 образцов ДНК древних лошадей. Они увидели, что генетический профиль одомашненной лошади возник в истории человека довольно поздно — самая ранняя одомашненная лошадь жила около 4,5 тысяч лет назад, то есть 2,4–2,5 тысяч лет до н.э. В процессе одомашнивания от 2,5 до 2,1 тысяч лет до н.э. вид проходил через «бутылочное горлышко», после чего уже одомашненные лошади стали распространяться и их численность увеличивалась.
Сравнивая ДНК лошадей из географически разных мест, ученые попытались проследить популяционную историю домашней лошади. Оказалось, что до 3000 лет до н.э. в разных регионах — в Западной Европе, Восточной Европе, Центральной Азии и Сибири — доминируют различные генетические профили лошадей; это говорит о том, что локальные популяции не смешивались, миграция была ограниченной. Но после 2000 до н.э. в разных регионах доминирует один и тот же генетический профиль, которого раньше не было.
«Мы показали, что этот генетический профиль возник в районе Нижнего Дона и Волги, — говорит Орландо. — Через 100 лет он появляется в Анатолии, затем в Европе и в Центральной Азии. За 250–300 лет он распространяется по всему миру».
Примерно к этому же времени, к началу II тысячелетия до н.э., археологи относят самые первые приспособления для упряжи лошадей, а в гробницах синташтинской культуры (бронзовый век, Южное Зауралье и Южный Урал) находят останки людей, захороненных вместе с лошадьми и колесницами. Значит, в это время одомашненных лошадей уже запрягали в колесницы. Но за несколько веков до этого, около 3000 лет до н.э., происходила массовая миграция степных кочевников ямной культуры в Западную Европу, где они смешались с местными земледельцами, и в Южную Сибирь. Было распространено мнение, что ямники перемещались на лошадях, — уж очень большие расстояния они смогли преодолеть. Но если бы это было так, рассуждает Орландо, мы бы наблюдали такую же миграцию лошадей, которую можно было бы генетически отследить. Однако в это время не наблюдается следов миграций лошадей ни по археологическим остаткам, ни по генетическим профилям. Очевидно, миграция ямников происходила до одомашнивания лошадей.
Итак, люди начали приспосабливать лошадей для своих целей 2,5–2,1 тысяч лет до н.э., и селекция прежде всего повлияла на интенсивность репродукции — средняя длина поколения лошади снизилась с 8 до 4 лет.
Далее ученые попытались определить, какие фенотипические признаки стали предметом отбора. Они посмотрели на частоты аллелей и выбрали те, которые в период от 2,7 до 2,1 тысяч лет до н.э. увеличили свою частоту. Один из этих аллелей связан с анатомией спины лошади и конфигурацией позвоночника. Мутации, которые закрепились и распространились в ходе одомашнивания, привели к тому, что спина лошади стала более плоской. Второй аллель ассоциирован с мышечной силой и координацией. Ученые проверили их роль на мышиной модели и подтвердили, что мутации в этих генах связаны с анатомией позвоночника и локомоцией. По-видимому, селекция, которая сопровождалась изменениями в этих генах, изменила анатомию спины лошади и улучшила ее подвижность, что способствовало распространению верховой езды. Это, в свою очередь, радикально увеличило мобильность людей и сыграло огромною роль в дальнейших исторических событиях.
Мария Шварновна — еще один геном на древе Рюриковичей
В своем докладе чл.-корр. РАН Егор Прохорчук, руководитель лаборатории геномики и эпигеномики позвоночных ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологий», рассказал о реконструкции генома великой княгини Марии Шварновны (Марии Всеволжей), жены Всеволода Большое Гнездо, бабушки Александра Невского. За свою благочестивую жизнь, покровительство просвещению и искусству и основание монастыря она была канонизирована как преподобная Мария Владимирская (Ясыня), ее мощи находятся в основанном ей Свято-Успенском Княгинином женском монастыре во Владимире. Для работы с ее останками, как и с останками других святых, ученые получили разрешение РПЦ.
Ранее группа Егора Прохорчука исследовала геномы Дмитрия Александровича, сына Александра Невского, и Владимира Ярославича, сына Ярослава Мудрого. Основная интрига исследования Марии Шварновны была в том, что согласно летописям она происходит из древнего осетинского (аланского) рода, поэтому ее и называли ясыней. Но другие источники сообщали, что она дочь чешского князя (отсюда отчество Шварновна). Противоречие мог разрешить анализ генома, и его успешно секвенировали. Детали исследования будут опубликованы в статье, которая уже принята к печати.
На генеалогическом древе видно, что Марию Шварновну и великого князя Дмитрия Александровича разделяют три поколения, то есть она приходится ему прабабушкой. Родственные связи между ними и другими Рюриковичами генетики подтверждали методом IBD (identical by descent), который оценивает длину сегментов общего происхождения в паре геномов — чем она больше, чем ближе родство.
Для оценки генетической близости индивидов к тем или иным популяциям использовали метод анализа главных компонент (PCA), который показал, что геном Марии Шварновны в генетическом пространстве расположился между популяциями Кавказа и Центральной Азии. На том же графике геном Дмитрия Александровича находился в степном кластере, а геном Владимира Ярославича — в европейском. Проверяя гипотезу об аланских (осетинских) корнях Марии Шварновны, исследователи также сравнили ее геном с современными популяциями, и она оказалась между турками и таджиками. А по спектру вклада древних популяций ее геном показал сходство с древними среднеазиатскими геномами. Попытки же моделирования ее генома с использованием древних славянских и центральноевропейских популяций не удались.
«Таким образом, — говорит Егор Прохорчук, — из двух гипотез археологов о происхождении Марии Шварновны — аланской и центральноевропейской — аланская, безусловно, доминирует, но с большим степным восточным компонентом, пришедшим из Азии».
Скифы могли пить вино, но не могли есть фруктов
Д.б.н. Татьяна Андреева, зав. лабораторией эволюционной геномики ИОГен РАН, представила работу палеогенетиков группы академика РАН Евгения Рогаева (университет «Сириус», ИОГен РАН) — генетическое исследование скифов, степных кочевников железного века.
Подробнее об этой работе подробнее можно прочитать на PCR.NEWS.
Ученые поставили перед собой задачу ответить на нерешенные вопросы о происхождении скифов, а также о их внешности и образе жизни — эти сведения до сих пор можно было почерпнуть лишь из описания Геродота и других древнегреческих историков. Они изучили более 130 геномов из захоронений с обширной территории, включая ранних, классических и поздних скифов. Геномы удалось секвенировать с высоким покрытием (до 20х). Их анализ прежде всего показал, что «скифский мир», объединенный культурными особенностями, был генетически неоднородным. Европейские скифы значительно отличались от азиатских, в их генетическом профиле не обнаружено восточноазиатского компонента, который присутствует у скифов Азии. Вместе с тем скифы отличаются и от предшествующих популяций бронзового века с той же территории.
Генетики обнаружили родственные связи между скифскими индивидами со Среднего Дона и описали большое родословное дерево, объединенное отцовской линией, включающее в том числе знатных скифов.
Полногеномный анализ позволил провести медико-генетическое исследование скифов и определить некоторые фенотипические признаки. Представления Геродота о внешности скифов, в общем, подтвердились — они были голубоглазыми, светловолосыми или рыжеволосыми, а бронзовый цвет кожи мог быть обусловлен гемахроматозом — нарушением обмена железа, — в сочетании с мясной диетой. У скифов не нашли генетической непереносимости алкоголя (они могли много пить, как и описывали древние историки), но не нашли и мутации толерантности к лактозе. Это необычно для степного народа, но можно предположить, что они употребляли не сырое молоко, а кисломолочные продукты. Наконец, у скифов обнаружили мутацию, вызывающую непереносимость фруктозы. Это очень редкая мутация, и ее современные носители, вероятно, унаследовали ее именно от скифов. У двух скифских индивидов преклонного возраста она была обнаружена в гомозиготном состоянии — это доказывает, что они действительно не употребляли в пищу ни фруктов, ни меда, а на мясо-молочной диете мутация позволила им прожить долго.
Что касается современных потомков скифов, то ни один народ не может себя таковым назвать, хотя наибольшее число общих аллелей со скифами несут современные жители Западной Евразии, включая жителей северо-западных регионов России.
Загадка деформированных черепов остается загадкой
Кристина Жур (лаборатория геномики и эпигеномики позвоночных ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологий») рассказала об исследовании геномов древних индивидов из Приморского края, одного из наименее изученных в историческом отношении регионов Евразии.
Генетикам представилась возможность изучить черепа из двух пещер. Индивид, погребенный в пещере Треугольная, жил около 3000 лет назад. Самая примечательная его особенность — искусственно деформированный череп, вытянутый в продольном направлении. Традиция деформирования черепов известна во многих культурах мира, в частности, такие черепа находили в северо-восточном Китае, в Якутии (на Колыме), у носителей неолитической бойсмановской культуры Южного Приморья, у охотников-собирателей с Японских островов. Специалисты секвенировали ДНК из черепа в Треугольной, подтвердили его принадлежность женщине и определили ее митохондриальную гаплогруппу B4b1a3a, возникшую в Южной Сибири. Но было бы интересно проследить связь традиции деформирования черепов с миграциями населения.
Второй изученный образец, зуб из пещеры Перспективная, еще более древний — его возраст 7–7,5 тысяч лет. По многим археологическим признакам этот памятник похож на пещеру Чертовы ворота, где ранее была найдена неолитическая стоянка примерно с такой же датировкой и изучены геномы нескольких индивидов. Зуб из Перспективной также принадлежал женщине, ее митохондриальная гаплогруппа D4m имеет восточноазиатское происхождение.
На графике анализа главных компонент два генома с разными датировками оказались в одном кластере с образцами из бассейна Амура и Хуанхэ. Геном из Треугольной пещеры, с деформированным черепом, группируется с представителями бойсмановской культуры (где также часть черепов имеет деформации). Образцы из Треугольной и Перспективной оказались очень сходными по предковым компонентам, что говорит о генетической преемственности в этом регионе от мезолита до бронзового века. Они похожи также на геномы людей бойсмановской культуры и людей из пещеры Чертовы ворота. Анализ IBD показал, что женщина из Перспективной находилась в родстве 5-й степени с людьми из Чертовых ворот, так что подтвердилась гипотеза археологов об их принадлежности к одной популяции. Около половины генома женщины из Треугольной составлял китайский компонент (Западное Ляо), что указывает на связь с Восточной Азией. Эту связь подтверждают археологические данные о миграции на эту территорию земледельцев, возделывающих просо.
Загадку деформации черепов генетическими методами решить не удалось. Деформированный череп из Треугольной не показал генетического сходства с деформированными черепами из Якутии и с Японских островов. Сравнение же с геномами черепов бойсмановской культуры, деформированных и не деформированных, дало результат, обратный ожидаемому. Так что, пока у этой традиции не найдено генетического компонента.
Древняя ДНК из травы и кожи
ДНК содержится не только в останках людей и животных, но и в изделиях из биоматериалов. Анализу ДНК древних артефактов был посвящен доклад Артема Недолужко (Европейский университет в Санкт-Петербурге). Эти артефакты были найдены в могильнике Оглахты (Минусинская степь в Южной Сибири) который принадлежит к таштыкской культуре, относящейся к железному векув. Могильник расположен в Хакасии, на берегу реки Енисей, и датируется II–IV вв. н.э. Особенностями погребального обряда в этой культуре были гипсовые маски на лицах погребенных.
Интересно, что в этом погребении рядом с останками двух людей лежали два кожаных манекена, набитые травой и содержавшие в себе кремированные останки, то есть в одной могиле сочетались два вида погребения — захоронение тел и кремация.
Анализ ДНК людей из могильника в Оглахты показал генетическое разнообразие и отсутствие родственных связей до третьего колена. (О начале этой работе PCR.NEWS писал три года назад.) Также группа палеогенетиков провела анализ ДНК, выделенной из травяной набивки и кожи манекена.
Для идентификации растений использовали геном хлоропластов. Процент эндогенной ДНК был достаточно мал, но методы метагеномики все же позволили получить информацию о таксономической принадлежности. Помимо мятликов, ковылей и других злаков, которые и сейчас произрастают в Сибири, ученые нашли довольно редкое растение – колеантус маленький. Этому растению для жизни необходимо какое-то время быть под водой, оно связано с паводками, и снижение уровня воды в реках может приводить к его исчезновению. Поскольку до строительства Красноярской ГЭС уровень воды в Енисее был другим, ученые предположили, что в то время колеантус мог расти в Минусинской степи, но потом его локальные популяции исчезли.
На следующем этапе генетики попытались извлечь и проанализировать древнюю ДНК из кожи манекена. Сравнение с базой митохондриальных геномов показало, что большая часть фрагментов ДНК принадлежит безоаровому козлу и домашней козе. Это вполне понятно, так как люди таштыкской культуры занимались не только земледелием, но и скотоводством.
Палеоэпигенетика — новый тренд в палеогенетике
Ученые могут не только прочитывать последовательность нуклеотидов в древней ДНК, но и определять, насколько активными были в ней те или иные гены, благодаря анализу эпигенетических меток. И это дополнительный источник сведений об образе жизни наших предков. На конференции выступили с онлайн-презентациями два лидера этого направления из Израиля. Эта команда исследователей еще в 2019 году смоделировала внешние особенности денисовцев по данным метилирования генома. Многие их выводы подтвердились, когда было доказано, что череп «человека-дракона» принадлежал денисовцу, и не исключено, что представления о фенотипе этой группы людей поможет в поиске других останков денисовцев.
Эран Мешорер, профессор Еврейского университета в Иерусалиме, рассказал о дифференциальном метилировании ДНК генов, связанных с вокальным и лицевым аппаратом, у современного человека, неандертальца и денисовца. Он начал с того, что показало сравнение геномов современного человека и неандертальца, секвенированных с высоким покрытием. В них было найдено менее 90 нуклеотидных замен, приводящих к замене аминокислот, и более 30 тысяч замен в некодирующей части генома. Так что, вероятно, большинство морфологических отличий неандертальцев от современных людей связаны именно с этими некодирующими заменами, регулирующими работу генов. Можем ли мы что-то сказать о регуляции генов у древних людей?
В регуляторных элементах — энхансерах и промоторах находятся CpG-островки (участки с высокой частотой цитозин-гуаниновых динуклеотидов). Если эти CpG-островки метилированы, то есть к цитозину присоединена метильная группа, то экспрессия нижележащих генов подавлена. Поэтому, считывая паттерн метилирования ДНК, мы можем судить об активности генов.
Эран Мешорер объяснил, как выявляют метилирование в древней ДНК. Известно, что в ней происходит дезаминирование, при котором обычный цитозин превращается в урацил (при анализе древней ДНК урацилы в ней удаляют), но если цитозин был метилирован, то он превращается в тимин. Это различие позволяет математическим методом вычислить области, где цитозин переходит в тимин, и таким образом картировать участки метилирования.
Исследователи сравнили карты метилирования в геномах неандертальца, денисовца и современного человека и сфокусировались на участках, которые метилированы по-разному. При этом они изучали разные образцы — зубы, кости черепа, бедренные кости, фаланги пальцев и т.д. Таким образом выявили около 870 специфичных для современного человека участков метилирования. А привязав эти участки к генам, нашли около 600 дифференциально метилированных генов. Эти гены были неравномерно распределены по тканям — больше всего их найдено в образцах гортани и лицевой части черепа. Это наводит на мысль, что они участвовали в работе голосового аппарата.
На примере одного такого гена NFIX Эран Мешорер показал, что экспрессия его у неандертальца, денисовца, древних современных людей и нынешнего современного человека обратно коррелирует с его метилированием. У наших современников этот ген в большей степени метилирован, следовательно, менее активен. Функцию гена NFIX проверили на трансгенных мышах с его оверэкспрессией, и действительно, у этих мышей изменяется вокализация в ультразвуковом диапазоне.
В дальнейшем ученые нашли дифференциально метилированные гены у людей современного типа, живших в разное время — охотников-собирателей, земледельцев и наших современников. Эти гены были связаны с метаболизмом, и авторы предположили, что за последние 10 тысяч лет изменилась их регуляция. Ключевым событием, которое к этому привело, стало изменение рациона питания с переходом к сельскому хозяйству.
Как нарисовать портрет денисовца
Тему палеоэпигенетики продолжил доктор Лиран Кармель, профессор Еврейского университета в Иерусалиме, коллега и соавтор Эрана Мешорера. Он подчеркнул, что значительная часть фенотипических различий древних людей определяется не последовательностью ДНК, но изменениями в регуляции работы генов, и узнать это мы можем путем анализа паттернов метилирования. И самое главное — он объяснил, как можно перейти от метилирования ДНК костных останков к эпигенетической регуляции в мозге древних людей.
Большая часть генов, дифференциально метилированных у современного человека, связана с анатомией вокального тракта и лица, в топ этого списка вошли пять генов (в том числе ранее упомянутый ген NFAX). Эти пять генов были связаны с такими отличиями неандертальца от современного человека, как скошенный лоб, надбровные дуги, широкий нос, выдающаяся вперед нижняя челюсть и отсутствие подбородка.
Далее исследователи задумались, можно ли с помощью этого подхода выявить фенотипические черты денисовцев. Из-за очень малого числа костных остатков, принадлежность которых денисовцам подтверждена генетическим анализом, не было достоверно известно, как они выглядели, в чем были похожи на неандертальцев и чем отличались. Ученые отследили, где у современных людей увеличивается метилирование в промоторах генов по сравнению с неандертальцами и денисовцами (метилирование промоторов снижает экспрессию). Неандертальцы здесь служили для сравнения. Поскольку их внешность известна по костным остаткам, можно было проследить, к каким изменениям внешности приводит изменение метилирования тех или иных генов. Точность таких предсказаний для различных черт анатомии черепа составила 82,8%, а если учитывать только направление изменений, то 87,9%. Затем эти данные экстраполировали на денисовцев, и таким образом были прогнозированы анатомические черты денисовцев. На основе этого прогноза художник изобразил денисовскую девочку, жившую около 70 тысяч лет назад.
Самая большая проблема состоит в том, что ученые в исследованиях древней ДНК ограничены костными остатками. Можно ли на основе метилирования ДНК из костей получить информацию о метилировании ДНК в других тканях, например, в мозге? Метилирование ДНК происходит в эмбриогенезе, когда эмбриональные клетки дифференцируются с образованием разных клеточных типов. И если представить, что в эволюции изменилось метилирование каких-то генов между человеком и неандертальцем, то в зависимости от того, на какой стадии эмбриогенеза оно произошло, это изменение затронет разные ткани. Если оно произошло на поздней стадии, то оно будет наблюдаться, например, только в костях. Если же оно произошло на ранней стадии, до того, как разделились предшественники костной и нервной тканей, оно затронет и костную ткань, и мозг. Следовательно, идея состоит в том, чтобы выявить дифференциальное метилирование костной ткани на ранних стадиях развития.
Для этого специалисты сравнивали современного человека, неандертальца и шимпанзе. В случае костей мы знаем уровень метилирования у всех трех организмов, в случае мозга — только у современного человека и шимпанзе. Если мы видим, что в каком-то локусе в костях у современного человека высокий уровень метилирования, а у неандертальца и шимпанзе — низкий, то очевидно, что произошло усиление метилирования, специфичное для современных людей.
Как узнать, тканеспецифичное оно или фундаментальное? Посмотрим на мозг. Например, в мозге современного человека в этом локусе высокий уровень метилирования, но и в мозге шимпанзе высокий уровень метилирования. Значит, это тканеспецифичное изменение, и поскольку их общие предки разошлись в эволюции раньше, чем общие предки современного человека и неандертальца, значит, и в мозге неандертальца в этом локусе должен быть высокий уровень метилирования. Но если в мозге шимпанзе в этом локусе низкий уровень метилирования, значит, изменение фундаментальное, и в мозге неандертальца уровень метилирования должен быть низким (как и в костях).
На этой основе ученые разработали алгоритм для поиска паттерна метилирования по всему геному. Проверка на шимпанзе и макаках-резусах показал, что алгоритм работает хорошо. Был найден 71 ген с различными паттернами метилирования у древних и современных людей. В планах ученых — изменять метилирование в культуре нейронных клеток с помощью модифицированного редактора CRISPR-Cas и таким образом получить неандертальский фенотип нейронов.
Информация о докладчиках
Людовик Орландо, профессор, директор Центра антропобиологии и геномики Тулузы (CAGT), Университет Поля Сабатье (Тулуза, Франция).
Егор Борисович Прохорчук, чл.-корр. РАН, руководитель лаборатории геномики и эпигеномики позвоночных ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологий».
Татьяна Владимировна Андреева, д.б.н., зав. лабораторией эволюционной геномики ИОГен РАН, Университет «Сириус».
Кристина Валерьевна Жур, м.н.с. лаборатории геномики и эпигеномики позвоночных ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологий».
Артем Валерьевич Недолужко, научный руководитель лаборатории палеогеномики Европейского университета в Санкт-Петербурге.
Эран Мешорер, профессор Института наук о жизни им. Алексанлра Зильбермана и Центре наук о мозге им. Эдмона и Лили Сафар Еврейского университета в Иерусалиме.
Лиран Кармель, профессор вычислительной биологии Института наук о жизни им. Алексанлра Зильбермана Еврейского университета в Иерусалиме.