Все, что стоит знать о древней ДНК | 4everScience

Все, что стоит знать о древней ДНК

В 1984 году генетики извлекли 229 пар оснований генетического кода Квагги, подвида зебры, вымершей в конце 1800-х годов. Это достижение доказало, что ДНК может выживать в мертвых существах, и дало толчок новой области науки: палеогенетике. Сегодня технический прогресс позволяет ученым читать миллиарды букв из геномов древних людей и других организмов, изменяя наш взгляд на историю и эволюцию.

«Генетическая запись похожа на потерянную библиотеку … и мы только начинаем изучать язык всех тех книг, которые мы обнаружили», – говорит Йоханнес Краузе, директор отдела археогенетики в Институте истории человечества Макса Планка

Для антропологов ДНК древнего человека, ancient DNA(aDNA), что в переводе древняя ДНК(дДНК) дает понимание, которое невозможно почерпнуть из окаменелостей или артефактов. С помощью дДНК уже решены некоторые важные споры, в том числе о том, взаимодействовали ли современные люди с неандертальцами. Древние геномы однозначно показывают, что наши предки не только встречались, но и спаривались с неандертальцами – несколько раз – между 40 000 и 100 000 лет назад.

В 2015 году дДНК подтвердила, что человек Кенневик, скелет возрастом 8000 лет, обнаруженный в штате Вашингтон в 1996 году, был генетически наиболее близок к коренным американцам. Откровение положило конец 20-летней судебной тяжбе и позволило племенам перезахоронить кости.

В 2010 году геном мизинца из Сибири показал существование денисовцев, ранее неизвестного типа человека, который жил примерно во времена неандертальцев. Денисовская дДНК также показывает, что они скрещивались с предками некоторых живых людей, внося гены, полезные в холодных условиях и на больших высотах.

Десять лет назад эти открытия были бы невозможными; генетики могли читать только короткие отрезки древних геномов. Следовательно, исследования были сосредоточены либо на конкретных генах, либо на узких участках ДНК: мужской Y-хромосоме или наследуемом от матери коде, называемом митохондриальной ДНК. Эти короткие последовательности не отражают полную родословную человека. Для этого исследователям нужна ДНК всего генома. Получить его от живых людей несложно, но извлечь и секвенировать дДНК в масштабе всего генома, которая может распадаться на фрагменты, подвергаться химическим реакциям, изменяющим ее код, и быть загрязненной современной ДНК – сложная задача.

По словам Краузе, с недавней разработкой специализированных методов полногеномного анализа дДНК «мощь археогенетики действительно раскрылась».

Исследования древней ДНК, охватывающие сейчас полмиллиона лет и сотни людей, пересматривают наше понимание основных событий, таких как происхождение и распространение сельского хозяйства. Поскольку дДНК можно использовать для отслеживания эволюции заболеваний и устойчивости к ним человека с течением времени, она также важна для медицинских исследований. И исследователи уже работают над идентификацией генов, уникальных для современных людей, – на самом базовом уровне, которые объединяют и определяют наш вид.

Процесс исследования древней ДНК

1. Экстракция:  в стерильной лаборатории кости и другие уцелевшие ткани очищаются, измельчаются в порошок и растворяются химическими веществами, выделяющими короткие нити ДНК.

Экстракция
Иллюстрация: Cynthia Schroeder

2. Суп из ДНК:  несмотря на очистку, экстракт представляет собой суп из ДНК из образца и загрязненного материала, в основном микробов из почвы, где были захоронены останки. Исследователи добавляют молекулярные теги, которые позже будут работать как штрих-коды, выборочно связываясь с ДНК для инвентаризации и поиска определенных последовательностей.

Суп из ДНК
Иллюстрация: Cynthia Schroeder

3. Копии.  Чтобы прочитать ДНК быстро и точно, компьютеры должны анализировать миллионы копий одновременно. Генетики делают эти копии, нагревая двухцепочечную ДНК, заставляя ее отделиться; Затем ферменты строят новые двойные нити из каждой половины. Повторение процедуры превращает две нити в четыре, затем четыре в восемь и так далее, пока миллионы нитей не будут иметь идентичный код ДНК и теги. Поскольку человеческие геномы идентичны более чем на 99 процентов, исследователи часто выборочно копируют только те части, которые отличаются друг от друга.

Копии ДНК
Иллюстрация: Cynthia Schroeder

4. Секвенирование:  в последнем раунде копирования генетики химически окрашивают различные нуклеотидные основания – более известные по буквам A, T, C и G. Компьютеры затем считывают код, основываясь на порядке появления цветов, анализируя все одинаковые пряди с совпадающими тегами одновременно, чтобы отсеять любые ошибки.

5. Аутентификация:  исследователи используют ряд ключей, чтобы избавиться от примесей в древнем коде: например, нити аДНК обычно короче 100 букв с предсказуемыми моделями деградации.

Аутентификация
Иллюстрация: Cynthia Schroeder

6. Выравнивание:  короткие нити, которые были прочитаны, должны быть расположены в их правильных положениях по всему геному. Программное обеспечение выстраивает их на основе перекрывающихся участков кода и сравнений с ранее секвенированными эталонными геномами.

Доведи до предела

Не надейтесь на ДНК динозавров. Исследования, проведенные в 1990-х годах и сообщавшие о генетическом коде окаменелостей возрастом более 50 миллионов лет, с тех пор были отклонены как случаи заражения. Большая часть дДНК была получена из образцов моложе 50 000 лет и из холодного климата.

Хотя палеогенетика развивается технологически, она всегда будет ограничиваться сохранением: исследователи не могут извлечь ДНК из образцов, которых больше нет.

Когда организмы умирают, их ДНК разлагается. Сколько времени это займет, зависит от таких факторов, как температура, условия захоронения и количество микробов, которые питаются ней. Расчеты предсказывают, что в оптимальных условиях – очень холодных – ДНК может выжить около 1 миллиона лет. На сегодняшний день титул самого старого полного генома принадлежит лошади, обнаруженной в мерзлой земле в Юконе, Канада, возрастом от 560 000 до 780 000 лет. Самая старая ДНК представителя нашего рода Homo – это фрагмент генетического кода 430 000-летних предков неандертальцев, обнаруженный в испанской пещере Сима-де-лос-Уэсос , температура в которой составляет 10 градусов по Цельсию.

Генетики начинают добиваться успеха в более теплых местах, что является приоритетом, поскольку большая часть эволюции человека происходила в Африке. Недавно они обнаружили, что ДНК лучше всего сохраняется – со скоростью восстановления до 100 раз выше – в каменистой кости. Образцы этой крошечной плотной части черепа из таких мест, как Ближний Восток, дали ДНК возрастом до 12 000 лет.

Первые крупные открытия в палеогенетике были сделаны на случайных образцах с хорошо сохранившейся дДНК. Исследователи узнали все, что могли, из имеющихся последовательностей. С помощью современных методов захвата дДНК генетики могут анализировать сотни древних геномов, чтобы ответить на конкретные вопросы. Возникающая генетическая история охватывает земной шар с 430 000 лет назад до наших дней, представляя как отдельных людей, так и целые группы населения.

Атлас древней ДНК

Самый ранний американский геном (Монтана 12600 лет назад

В 2014 году исследователи восстановили геном Анзика-1, младенца, похороненного с помощью инструментов Кловиса, артефактов из первой широко распространенной культуры в Америке. Результаты подтверждают, что коренные американцы в основном происходят от сибиряков, которые мигрировали за несколько тысяч лет до того, как жил Анзик.

Инструменты культуры Кловис

Туберкулез тюленей (Перу 1000 лет назад

Считается, что туберкулез в Америке пришел с европейскими колонистами, хотя более ранние скелеты коренных народов показывают признаки болезни. Исследование 2014 года обнаружило ДНК бактерий туберкулеза в перуанских костях возрастом 1000 лет; Как ни странно, это был не европейский сорт, а скорее всего, заразился от тюленей.

Homo дДНК (Испания 430000 лет назад

В 2016 году исследователи извлекли около 50 000 пар оснований генетического кода из окаменелостей, раскопанных несколько лет назад в пещере Сима-де-лос-Уэсос. Древняя ДНК подтверждает то, что многие археологи долгое время считали: гоминиды из этой пещеры были предками неандертальцев.

Череп
Череп предка неандертальца, раскопанный в пещере Сима-де-лос-Уэсос в Испании.  (Источник: Хавьер Труба / Madrid Scientific Films / Science Source)

Иммигранты ледникового периода (Евразия, 7000-45000 лет назад

Древняя ДНК от 51 человека показывает, что самые первые современные люди, достигшие Европы, вымерли; те, кто прибывали в последующих волнах, начавшихся 37000 лет назад, оставили потомков, которые остаются по сей день. Также, возможно, миграция жителей Ближнего Востока в Европу произошла примерно 14000 лет назад, что было впервые обнаружено анализом ДНК в 2016 году.

Oase 1 (Румыния, 40 000 лет назад

Oase 1, челюсть современного человека, обнаруженная в 2002 году, содержала более 99 процентов загрязненной ДНК. Но в 2015 году исследователи секвенировали достаточно аутентичный код, чтобы показать, что у этого человека был предок неандерталец всего четыре-шесть поколений назад.

Челюстная кость Oase 1. (Фото: Макс Планк / Сванте Пяабо)

Перед Черной Смертью (Евразия, 3000-5000 лет назад)

В 2015 году генетики обнаружили ДНК вызывающих бубонную чуму бактерий Yersina pestis в зубах евразийцев бронзового века, обнаружив, что менее заразные штаммы заражали людей за тысячелетия до исторически задокументированных пандемий.

Денисова пещера (Горный Алтай 50 000-100 000 лет назад

Образцы дДНК из фрагмента одного пальца и трех зубов, найденных в Сибири, позволили выявить денисовцев, недавно обнаруженный тип вымершего человека. В том же месте также была обнаружена кость пальца ноги, которая дала геном неандертальца высочайшего качества из всех известных на сегодняшний день.

Зуб денисовца
Зуб денисовца. (Источник: Институт эволюционной антропологии Макса Планка)

Следите за новостями в Telegram и Facebook.

Вас также может заинтересовать: