Десятки тысяч лет назад где-то на побережье Средиземного моря или в оазисе посреди ближневосточной пустыни какой-то мужчина-неандерталец полюбил представительницу вида Homo sapiens, или же наоборот, "холёный и прогрессивный" человек разумный проявил интерес к дикой неандертальской женщине. Как бы то ни было, ныне живущие на территории Европы и Азии современные люди всё ещё несут в своих геномах следы тех давних союзов.
Человек разумный и неандерталец имеют общего предка, который, вероятно, жил на территории Африки более полумиллиона лет назад. Затем же предки неандертальцев первыми мигрировали в Европу и Азию, в то время как предки современного человека стали покидать Африку менее 100 тысяч лет назад. Они скрещивались с неандертальцами, поселившимися на территории от Западной Европы до Сибири.
Теперь два исследования, впервые проанализировавшие остатки неандертальской ДНК в генетическом материале большого количества современников, помогли определить гены, которые мы некогда унаследовали от наших вымерших “двоюродных братьев”. Учёным удалось выделить в том числе и те гены, что повлияли на волосы и кожу Homo sapiens, а также принесли некоторые заболевания.
Эти исследования также показывают, что такие древние смешанные пары не были полностью совместимы. Неандертальцы и современные люди обладали различными генетическими фонами, и потомки их союзов в течение долгого времени были менее плодовиты и жизнеустойчивы.
“Это издержки скрещивания”, – поясняет генетик Джошуа Эйки (Joshua Akey) из Вашингтонского университета, ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Science. Генетик Дэвид Рейч (David Reich) из Гарвардской медицинской школы в Бостоне (Harvard Medical School), возглавивший исследование, опубликованное в Nature, соглашается: “Когда неандертальцы и современные люди скрещивались, они были на краю биологической совместимости, ведь два генома не встречались друг с другом примерно полмиллиона лет. Это совсем не то, что происходит в человеческой популяции сегодня”.
Для изучения генетического наследия неандертальцев каждая команда разработала новые методики, способные точно идентифицировать ДНК неандертальцев в геноме современных людей. С помощью обоих методов были исследованы европейские и азиатские геномы, секвенированные с 2008 года в рамках первого этапа проекта “1000 геномов” − крупнейшей в мире базы данных о генетической изменчивости человека.
Команды исключили жителей Африки из своего исследования, потому что, скорее всего, за последние 90 тысяч лет на территории этого континента человек разумный и неандерталец не пересекались.
Соответственно сейчас коренные жители Африки не несут практически никаких следов ДНК неандертальцев. Одним словом, учёные посчитали, что следы древних межвидовых отношений можно найти лишь в клетках неафриканцев.
Один из методов, разработанный генетиком Срирамом Санкарараманом (Sriram Sankararaman) из Лаборатории Рейча в Беркли, использует программное обеспечение, которое берёт подпись генома неандертальцев в ДНК человека в качестве эталона. Оно способно распознать возможные сегменты ДНК неандертальцев на основе однонуклеотидных полиморфизмов или одной вариации пар оснований, найденных в геноме неандертальцев при сравнении с геномами африканцев. Оно также опирается на длину сегментов − ключ к пониманию того, когда именно гены были введены в современный геном человека (со временем части ДНК разбиваются и рекомбинируют).
После того, как команда изучила более 60% из 1004 восточноазиатских и европейских геномов, учёные смогли определить конкретную версию неандертальского гена, которая влияет на функцию белка кератина, содержащегося в коже, ногтях и волосах. Кератин среди прочего придаёт коже водонепроницаемость, сохраняет её чувствительность к холоду и теплу и блокирует действие патогенов. Исследователи предполагают, что аллель неандертальцев, возможно, помог нашим предкам быстро адаптироваться к холодным температурам в Европе и Азии.
Дополнительные аллели, обнаруженные коллективом Рейча, также влияют на кератин и, похоже, способствуют повышенной восприимчивости современного человека к таким заболеваниям, как диабет, волчанка, болезнь Крона и даже никотиновой зависимости. Хотя маловероятно, что представители этого древнего вида покуривали в своих пещерах (скорее всего, такая мутация на самом деле имеет несколько функций). Обнаруженные аллели, возможно, не несли никакого негативного влияния на организмы неандертальцев, но из-за плохой совместимости с ДНК людей они вызывают подобные заболевания у ныне живущих.
Исследовательская группа Эйки разработала инструмент для поиска архаичной ДНК в современных геномах, в данном случае используя базу из 379 европейских и 286 восточноазиатских геномов (также полученных в ходе проекта “1000 геномов”). Их метод тоже опирается на длину сегментов ДНК и их отличия от африканских последовательностей. Но в данном случае не был использован опорный геном неандертальцев, так что теоретически команда Эйки могла бы с помощью своего метода обнаружить ДНК любого архаичного вида человека.
Эта команда также обнаружила гены неандертальцев, отвечающие за кератин и пигментацию кожи (в том числе ген BNC2) − этим можно объяснить то, что у европейцев кожа светлее, чем у жителей Африки. Светлая кожа свойственна жителям северных широт. Неандертальцы покинули Африку прежде, чем “Хомо сапиенсы”, и успели адаптироваться к новым условиям.
Команда Эйки также обнаружила большой участок генома современного человека, который не несёт в себе никаких следов неандертальского наследия, и он включает в себя ген FOXP2, отвечающий за речь. Существуют гипотезы, согласно которым неандертальцы не могли услышать современную речь. Им противоречат другие, которые наделяют “двоюродных братьев” способностью к разговору.
“Обнадёживает, что наши результаты похожи”, – говорит Эйки.
Как и авторы предыдущих исследований, анализировавшие гораздо меньшее количество современных геномов, обе команды пришли к выводу, что от 1% до 3% генома среднестатистического европейца или азиата восходит к неандертальцам.
Общая сумма неандертальских генов в современных геномах значительно выше, так как разные люди имеют различные “ассортименты” древних генов. Команда Эйки восстановила около 20% от общего генома неандертальцев, а команда Рейча – около 30%.
“Некоторые предлагают, что если бы было возможно скрестить неандертальцев с современным человеком, науке было бы легче понять биологию вымершего вида, но ведь эта задача уже была выполнена, – говорит Рейч. – И произошло это 60 тысяч лет назад”.
Добавим, что больше всего исследователей поразило то, что в 20 областях современного генома человека обе команды обнаружили “пустыни” из неандертальских генов. Многие из них особенно повлияли на Х-хромосому. Например, оказалось, что мужчины с неандертальскими генами, работающими в яичках, имеют меньше детей (из-за этого примерно треть “потомков” неандертальцев вымерла и, может быть, со временем генетическая подпись древнего вида исчезнет из ДНК людей навсегда).
В исследованиях, проведённых на животных (мышах, кроликах и плодовых мушках), гибридные самцы в конце концов становятся бесплодными раньше самок. Так как самцы несут лишь одну Х-хромосому, они не производят потомства с партнёром, чья Х-хромосома не совместима. Самка же располагает двумя Х-хромосомами, так что имеет больше шансов на создание потомства. По этой причине, по мнению учёных, мы, скорее всего, унаследовали больше генов от неандертальцев-женщин, нежели от мужчин.
В будущем исследователи планируют расшифровать больше архаичных геномов и проследить влияние на генетические изменения современного человека других вымерших видов. Например, в ближайших планах – изучение последовательности генома жителей Папуа-Новой Гвинеи, а также сравнение его с ДНК денисовца − древнего человека, оставившего большую часть своих генетических следов на территории Океании.