Наша история, записанная в ДНК

Наша история , записанная в ДНК Платон очень гордился своим определ ением человека : двуногое без перьев . Оно имело большой успех , пока киник Диоген , ощипав петуха , не изготовил наглядное пособие . Со времен Платона и Диогена появилось немало новых определений , в том числе основанных на описании свойств молекулы ДНК . Для да льнейшего изложения важно представить себе молекулу ДНК в виде текста , определяющего многие наши особенности как биологического вида . Текст этот записан последовательностью из молекулярных букв — нуклеотидов . В генетическом алфавите их всего четыре : А (ад е нин ), Т (тимин ), Г (гуанин ) и Ц (цитозин ). Общая длина нуклеотидной последовательности , получаемой от каждого из родителей , — 3 млрд букв . Генетический текст человека немногим отличается от текстов близкородственных видов . Так , в сходных генах человека и шимпанзе обычно из 100 букв текста 99 одинаковы . А у двух человек (если они не однояйцевые близнецы ) в среднем из тысячи только один нуклеотид другой . Именно с такими заменами связаны наследуемые индивидуальные особенности каждого человека . В последние не сколько изучение разнообразия генетических текстов (геномов ) людей стало одной из самых популярных областей науки . Здесь есть чисто практический интерес : ведь с генетическими особенностями связано здоровье человека . Сегодня в геномные исследования фар м ацевтические компании вкладывают огромные средства и надеются получить отдачу в ближайшие десятилетия в виде принципиально новых методов диагностики и лечения . Есть и другой аспект таких разработок : они позволяют реконструировать события давнего прошлого, восстановить историю возникновения вида Homo sapiens и пути миграций разных народов . Эти исследования привели к появлению новых направлений науки — молекулярной антропологии и палеогеномики . Молекулярные часы и филогенетическое древо Еще в 60-е годы Л.П олинг и Э.Цукеркандл высказали идею , что скорость накопления мутаций достаточно постоянна : ее можно использовать как своего рода молекулярные часы эволюционной истории . Позже , когда появились методы чтения нуклеотидных последовательностей (секвенирования ), скорость накопления мутаций была установлена при сравнении ДНК тех видов , время расхождения которых определялось по палеонтологическим находкам . Метод молекулярных часов приложим и к изучению событий эволюционной истории человека . Здесь удобным инструмен том исследования служит митохондриальная ДНК (мтДНК ) и Y-хромосома . Остальные хромосомы при передаче потомству обмениваются сходными кусками генетического текста — рекомбинируют . В результате в каждой хромосоме возникают новые , отличные от родительских , к о мбинации , что существенно затрудняет анализ накопления мутаций . Y-хромосома передается только по мужской линии — от отца к сыну . Она присутствует в геноме мужчин в единственной копии и потому ни с чем не рекомбинирует (за исключением небольших участков на концах хромосомы , не влияющих на анализ нерекомбинирующей части ). Раз появившись , мутации в Y-хромосоме сохраняются на протяжении тысяч поколений , маркируя тем самым всех потомков индивида , у которого они первоначально возникли . Современные мужчины , имею щ ие одинаковые мутации в Y-хромосоме , восходят к общему предку по мужской линии . Очевидно , что родные братья , получившие от отца Y-хромосомы с одинаковыми текстами , относятся к одной линии . Однако если у одного из братьев произойдет мутация , которую он пер е даст своим сыновьям , линии наследования разойдутся на две ветви . Сейчас созданы базы данных , содержащие информацию о Y-хромосомах десятков тысяч людей со всех уголков Земли . Современные методы генетического и статистического анализа таких больших выборок позволяют установить порядок возникновения мутаций и нарисовать филогенетическое древо , описывающее родственные связи всех людей по мужской линии . Чем раньше возникла мутация , тем ближе к корню древа она располагается и тем больше ветвей будут ее содержат ь . Так как материал , доступный для исследователя , — это ДНК , полученная от наших современников , филогенетическое древо строится от концов ветвей к корню . При известной скорости накопления мутаций в расчете на поколение , число мутаций , различающих двух люде й , можно перевести в абсолютное время , прошедшее с момента появления их генетических линий , т.е . установить , когда жил последний общий предок этих двух людей . При изучении отцовской линии анализируют около полутора-двух десятков изменчивых участков ДНК (S N P- и STR-маркеры ) в Y-хромосоме , размер которой составляет 60 тыс . пар оснований . Эволюционную историю женской линии можно проследить по митохондриальной ДНК (мтДНК ). Плод любого пола получает ее только от матери , поскольку в спермии нет митохондрий . В ср авнении с ДНК хромосом это очень маленькая молекула — у человека всего 16 500 пар нуклеотидов . В отличие от ядерных генов , большинство которых представлено одной (в Y-хромосоме ) или двумя копиями (в остальных хромосомах ), в каждой клетке содержится до нес к ольких десятков тысяч копий молекул мтДНК . Кроме того , эта молекула — кольцевая , а , как известно , такие молекулы стабильнее , чем линейные . Именно эти особенности позволили исследователям прочесть мтДНК из останков древних людей , в том числе и неандертальц е в . Можно считать , что митохондриальная ДНК — подарок природы молекулярным биологам . Для построения филогенетического древа по материнской линии достаточно определить последовательность нуклеотидов небольших (около 400 пар нуклеотидов ) фрагментов , которые мутируют наиболее быстро . Другой метод анализа — определение изменений в участках ДНК , распознаваемых ферментами , рестриктазами . Для большей точности используют комбинацию обоих методов . Поскольку технически изучать мтДНК проще , такие работы были начаты р а ньше , чем по Y-хромосоме . “Митохондриальная Ева” Первые получившие известность исследования мтДНК представителей разных рас выявили общность происхождения всех ныне живущих людей по женской линии . В 1987 г . А.Уилсон и его коллеги из Калифорнийского униве рситета в Беркли получили мтДНК от 147 представителей различных рас [ 1 ]. В исследуемом фрагменте они определили количество индивидуальных мутаций , а также их координаты и тип . Анализ показал , что все мтДНК возникли от одной предковой последовательности . По степени их разнообразия Уилсон оценил время , прошедш ее с тех пор , как существовала предковая последовательность . Оно вычисляется как время схождения всех линий мтДНК в одну точку , называемую точкой коалесценции . В соответствии с его выводами , общая “праматерь” , к которой восходят все типы мтДНК современных людей , жила в Восточной Африке менее 200 тыс . лет назад . Установить последовательность возникновения мутаций в поколениях предков у обследованных индивидов тогда не удалось , но работы последних лет подтвердили выводы Уилсона . Вопрос о прародине человечест ва дискутируется не одно десятилетие . Часть специалистов полагала , что человек возник в одном из регионов мира (наиболее часто упоминалась Африка ) и затем расселился по всей Земле . Другая придерживалась так называемой мультирегиональной гипотезы , согласно которой предковый вид Homo erectus превратился в Homo sapiens в различных точках земного шара независимо . С появлением молекулярных данных значительный перевес получила “африканская” гипотеза . Филогенетическое древо популяций После работ Уилсона обладательницу предковой мтДНК окрестили “митохондриальной Евой” . Это сразу породило н еверные толкования — будто все человечество произошло от одной женщины . На самом деле линии мтДНК современниц “Евы” , несомненно существовавших , до нашего времени не дошли . И произошло это не потому , что “Ева” была особенной . Концепция молекулярных часов п о строена на предположении о нейтральности большинства мутаций , т.е . подразумевает , что ничем особенным от соплеменниц “Ева” не отличалась . Просто генетическое разноообразие в популяции всегда уменьшается , если в череде поколений случаются резкие падения чи с ленности (прохождение “бутылочного горлышка” ). А такое в истории человечества случалось не раз . Так что со временем все другие линии , кроме одной , исчезли по статистическим причинам . Пока люди живут вместе , появляющиеся у них мутации распространяются по в сей группе . Если же группы делятся , мутации в них накапливаются независимо . Число таких различий между группами пропорционально времени , прошедшему с момента их расхождения , что и позволяет датировать события популяционной истории . На основе изучения мтДН К населения разных регионов мира удалось выяснить пути и даты основных миграций прекрасной половины человечества . Африканские предки К большой радости генетиков реконструкция популяционной истории человечества по Y-хромосоме показала , что “Адам” — предок современных мужчин — жил примерно там же , где и “Ева” . Хотя данные , полученные при анализе Y-хромосомы , менее точны , чем митохондриальные , они также указывают на африканское происхождение человека и единую предковую популяцию . Молекулярные датировки време н и ее разделения на ветви , ведущие к современным популяциям , зависят от методов оценки и , по данным разных авторов , колеблются от 30 — 40 тыс . лет назад (что противоречит палеонтологическим данным ) до 180 тыс . лет назад . Как наиболее вероятный называют перио д от 57 до 135 тыс . лет назад [ 2 ]. Гипотезу африканс кого происхождения человека подтверждает ряд независимых исследований . Особенно интересны работы по изучению народов Южной и Восточной Африки — бушменов и готтентотов . Их языки содержат щелкающие звуки , нигде больше не встречающиеся , и относятся к так наз ы ваемой койсанской группе (комбинация слов “кой-койн” — самоназвание готтентотов и “сан” — название бушменов ), обособленно стоящей в системе языков мира . Они значительно отличаются от остальных африканских народов , в том числе и от своих соседей банту , не т олько лингвистически , но и антропологически : у них более светлая кожа , узкий нос , для женщин бушменов характерно избыточное отложение жира на ягодицах (стеатопигия ), а для мужчин — особое строение половых органов . Отличия проявляются и в мтДНК : у бушменов обнаружена мутация , которая появилась одной из первых после возникновения человека как вида [ 3 ]. В Y-хромосоме некоторых бушменов также присутствует древняя мутация , не обнаруженная ни у кого из людей в других частях света , но найденная у обезьян . Вероятно , она возникла еще до разделения предковых линий чело века и шимпанзе (5 — 7 млн лет назад ) и непрерывно поддерживалась в части предковой популяции человека и шимпанзе . Возможно , эта мутация сохранилась только у бушменов потому , что их многочисленные предки в определенный момент истории заселяли значительную ч а сть африканского континента . Впоследствии они были оттеснены на юг племенами , говорящими на банту . На это указывают и результаты изучения костных останков людей , найденных в Африке , — они сходны по типу с современными представителями койсанской группы . Ин тересно , что популяционные различия по Y-хромосоме оказались в несколько раз выше , чем по мтДНК . Это говорит о том , что перемешивание генетического материала по женской линии более интенсивно , т.е . уровень миграции женщин почти на порядок выше , чем у мужч и н [ 4 ]. И хотя эти данные на первый взгляд могут показ аться удивительными (путешествия всегда считались прерогативой мужчин ), их можно объяснить характерной для большинства человеческих обществ патрилокальностью (уходом жены в дом мужа ). Брачные миграции женщин оставили более заметный след на генетической ка р те человечества , чем дальние походы Чингизхана или Аттилы [ 5 ]. Исследования ДНК неандертальцев В 1997 г . генетик С.Пэбо сумел прочесть фрагмент мтДНК , выделенной из останков неандертальца , найденного в 1856 г . в Фельдгоферовской пещере близ Дюссельдорфа в Германии [ 6 ]. Эта пещера находится в долине Неандерталь (Neander Tal). В 1863 г . английский антрополог и анатом У.Кинг предложил для находки название Homo neanderthalensis *. Летом 2000 г . появилось сообщение другой группы ученых об исследовании второго образца неандертальской мтДНК из останков скелета ребенка , найденного в пещере Мезмайская на Северном Кавка зе [ 7 ]. Во втором случае останки точно датированы ра диоуглеродным методом — им 29 тыс . лет . Это — представитель одной из последних живших на Земле групп неандертальцев . * Интересно , что название долины , данное в честь композитора XVII в . Иоахима Ноймана (Neumann — новый человек — по-гречески Neander), озна чает «новый человек». Неандертальцы — группа гоминид , предки которых вышли из Африки раньше , чем предки современных людей . Неандертальцы населяли Европу и Западную Азию в период от 300 тыс . до 28 тыс . лет назад . Какое-то время они сосуществовали с человек ом современного анатомического типа , расселившимся в Европе около 40 тыс . лет назад . Ранее на основе морфологического сравнения неандертальцев с человеком современного типа было предложено три гипотезы : неандертальцы — прямые предки человека ; они внесли н е который генетический вклад в генофонд Homo sapiens; они представляли независимую ветвь , которую полностью вытеснил человек современного типа . Места находок останков неандертальцев. Отмечено положение пещер Фельдгофер и Мезмай Результаты молекулярно-генетических исследований свидетельствуют в пользу третьей гипотезы . Обе неандерталь ские мтДНК имеют общие отличия от мтДНК людей , выходящие за границы внутривидового разнообразия H.sapiens. Это говорит о том , что неандертальцы — генетически отдельная , хотя и близкородственная человеку ветвь . По числу различий между их мтДНК время существ ования последнего общего предка человека и неандертальца оценивается в 500 тыс . лет . Палеонтологи считают , что предки неандертальцев появились в Европе около 300 тыс . лет назад , т.е . генетические линии , ведущие к человеку и неандертальцу , разделились рань ш е этой даты , как показывают датировки по мтДНК . Таким образом , неандерталец эволюционировал в Европе одновременно с предком современного человека в Африке . Известно , что в Европе 40 — 50 тыс . лет назад расселился человек современного типа , а неандертальцы в ымерли 28 тыс . лет назад . Неизвестно , какова связь этих событий — проиграл ли неандерталец в конкуренции с человеком или вымер по другим причинам . Волны миграций и заселение континентов Считается , что циклические изменения климата , происходившие с интерв алом в десятки тысяч лет , играли существенную роль в эволюции и распространении всех видов , в том числе и человека . В периоды похолодания нарастала масса континентальных ледников , обитаемые природно-климатические зоны сдвигались на юг , уровень моря и озер снижался на сотни метров , увеличивалась площадь пустынь , съеживались тропические леса . С наступлением ледника в Европе сокращались обитаемые зоны и численность животных , сплошное “море” жизни распадалось на отдельные “озера” . В периоды потепления повышали сь численность и разнообразие живых форм , виды расселялись на пригодные для жизни территории — из Африки в Азию и Европу через Суэцкий перешеек и в Европе — на освободившиеся из-под ледника территории . Таким образом , контакты африканской и евразийской био т ы определялись глобальными циклами потепления— похолодания . Эти колебания приводили к значительным изменениям флоры и фауны всего Земного шара . . Пути и время расселения людей , установленные при анализе основных материнских и отцовских (показано цветом ) генетических линий Исследования генетического разнообразия современных людей пока зали , что оно значительно ниже , чем , например , у шимпанзе , наших ближайших родственников в мире животных . Это означает , что человек как вид значительно позже шимпанзе прошел через “бутылочное горлышко” — резкое падение численности популяции , и /или это пад е ние для человека было гораздо существеннее , чем для шимпанзе . Различные группы генетиков пришли к выводу , что на протяжении последнего миллиона лет численность популяции прямых предков человека колебалась от 40 до 100 тыс . В период прохождения “бутылочног о горлышка” , около 130 тыс . лет назад , значительно снизилось генетическо разнообразие предков человека , так как их общая численность сократилась до 10 тыс . индивидов и носители многих генетических вариантов исчезли [ 10 ]. Для сравнения — численность ныне живущих шимпанзе (а этот вид находится под угрозой ис чезновения ) составляет 100 — 200 тыс . особей . Схематическое представление популяц ионной истории человека и неандертальца на основе анализа мтДНК и палеонтологических данных . Линии мтДНК современных людей сходятся в точке (точка коалесценции ), соответствующей снижению численности популяции (“бутылочному горлышку” ) и отделяющей человека современного анатомического типа от архаических африканских гоминид . Разделение генетических линий (точка коалесценции ) предшествует разделению популяций . Цветом показаны предполагаемые колебания численности популяций , установленные по уровню разнообразия ДНК современных людей. Сравнительный анализ мтДНК разных популяций современных людей позволил предположить , что еще до выхода из Африки , около 60 — 70 тыс . лет назад (когда также наблюдалось снижение численности , хотя и не столь значительное ), предковая попу ляция разделилась по крайней мере на три группы , давшие начало африканской , монголоидной и европеоидной расам [ 8 ]. В отечественной литературе их обозначают как экваториальная , азиатско-американская и евразийская расы , что более точно отражает их современное географическое распространение . Часть расовых приз наков , возможно , возникла позже как адаптация к условиям обитания . Это относится по крайней мере к цвету кожи — одному из наиболее значимых для большинства людей расовых признаков . Степень пигментации у человека генетически задана и , вероятно , в каждой по п уляции соответствует географической широте обитания . Пигментация обеспечивает защиту от солнечного облучения , но не должна препятствовать образованию , например , некоторых витаминов , предотвращающих рахит и необходимых для нормальной плодовитости [ 12 ]. На основе генетических данных постепенно проясняется картина заселения Азии , Европы и Америки . В недавно опубликованных работах определены частоты древних типов мтДНК и Y-хромосом , принесенных в Европу 40 — 50 тыс . лет назад первыми поселенцами , а также других , распространившихся позже , в том числе и тех , кот о рые отражают экспансию земледельческих племен с Ближнего Востока 9 тыс . лет назад . И здесь генетические исследования пролили свет на еще один вопрос , также вызывавший на протяжении многих лет горячие споры . Как распространяется культура ? Перенимают ли люд и традиции , технологии и идеи от представителей другой культуры (концепция культурной диффузии ); или идеи и технологии путешествуют по миру только вместе со своими носителями , и смена культуры происходит одновременно со сменой населения (концепция демичес к ой диффузии )? До недавнего времени преобладала концепция демической диффузии . Считалось , что земледельцы , пришедшие в Европу из Малой Азии около 10 тыс . лет назад , внесли основную долю в генофонд современных европейцев , вытеснив проживавшие в Европе палео литические популяции [ 9 ]. Однако опубликованные в пр ошлом году , но уже общепризнанные работы [ 10 , 11 ] показали , что генетическая доля мигрантов-земледель цев составляет в современном населении Европы не более 10 — 20%. Это значит , что относительно небольшое число земледельцев привнесло в палеолитическую Европу технические новации , и в результате на всей европейской территории сменился тип хозяйства и культур ы . Генетическое разнообразие народов России В России изучение генетического разнообразия видов имеет очень давнюю традицию , восходящую к работам 20-х годов прошлого столетия основателей отечественной генетики А.С.Серебровского и С.С.Четверикова . Крупнейши й итог популяционно-генетических иследований человека 80 — 90-х годов — пятитомное издание “Генофонд и геногеография народонаселения” под общей редакцией профессора Ю.Г.Рычкова из Института общей генетики РАН (Рычков и др ., 2000). Его труды , выполненные в р а мках фундаментальных научных программ РАН , РФФИ , а также программы “Приоритетные направления генетики” , и сейчас лежат в основе принципов подбора материала для современных исследований и формирования исходных гипотез . Ряд лабораторий , участников российско й программы “Геном человека” (в том числе и наша лаборатория ), изучает генетическое разнообразие народов европейской части России [ 12 ]. Линии мтДНК , попавшие в Европу в эпоху палеолита около 40 — 50 тыс . лет назад , составляют сейчас значительную часть мтДНК людей , населяющих территории от северо-запада Европ ы до Уральских гор . Наиболее четкие различия , обнаруженные между отдельными линиями мтДНК , указывают на их монголоидное или европеоидное происхождение . Мы обследовали русских и большинство народов Волжского бассейна и Урала . Выяснилось , что у всех народов, кроме башкир , по материнской линии преобладает европеоидный компонент . Градиент его падения проходит примерно с запада на восток и не коррелирует с языком этих народов . У русских (население Рязанской , Курской и Калужской областей ), говорящих на языке инд о европейской группы , 97 — 98% материнских линий — европеоидные , а доля монголоидного компонента составляет 2 — 3%. Европеоидные линии преобладают также у народов финно-угорской языковой группы (мари , удмурты , коми ) — от 80 до 94%, и у тюркоговорящих народов , п р оживающих в этом регионе . Так , 85% татар по материнской линии европеоидные , а чувашей 90%. Лишь у их восточных соседей , башкир , монголоидные линии составляют 65%. Значит , современная граница расселения европеоидов и монголоидов географически проходит прим е рно по Уралу , а популяционно-генетически — между башкирами , обитающими по обе стороны Уральского хребта , и их западными соседями - татарами . Повторим , что доля европеоидных и монголоидных линий не коррелирует с языком , на котором говорят эти народы . Материнские генетические линии у народов Волго-Уральского региона . Доля европеоидных л иний мтДНК (цветной сектор ) падает при продвижении с запада на восток , а доля монголоидных (белый сектор ) возрастает . Исследованные этнические группы относятся к различным языковым семьям : индоевропейской (из славянских языков , относящихся к этой семье , пр иведены русские ), уральской (финно-угорские языки ; указаны белым шрифтом ) и алтайской (тюркские языки ; подчеркнуты ) Наши исследования показывают и разнообразные детали формирования отдельных народов . Например , монголоидные линии мтДНК у народов Волго-Урал ьского региона имеют разное происхождение : одни из них появились , вероятно , из Сибири , а другие — из Центральной Азии . Сочетание обнаруженных нами генетических линий образует мозаику , которая характеризует каждый из этих народов . Проектов по изучению гене тического разнообразия людей становится все больше . Они дают сведения , важные для здравоохранения , а также для реконструкции исторических событий . Сейчас известно , что многие мутации не нейтральны , скорость их накопления может быть различной для разных уч а стков ДНК и на разных этапах эволюции . Поэтому абсолютные датировки , полученные на основе молекулярных методов , могут достаточно сильно различаться в зависимости от используемой системы анализа , и должны уточняться по мере развития экспериментальных метод о в и теоретических инструментов исследования . В заключение можно предположить , что сложившиеся к настоящему времени представления о последовательности эволюционных и миграционных событий в истории человека как вида вряд ли сильно изменятся . Это , однако , не исключает сюрпризов при выявлении деталей формирования и взаимодействия разных популяций , приводивших к возникновению и смене языков и культур . Такие исследования помогут не только лучше понять причины , определившие современную структуру народонаселения З емли , но и предсказать тенденции этих процессов , что может быть крайне важным для выработки стабильных и сбалансированных отношений между народами в будущем . Литература 1. Cann R.L., Stoneking M., Wilson A.C. // Nature. 1987. V.325. № 6099. P.31 — 36. 2. Zhivotovsky L.A. // Mol. Biol. Evol. 2001 (in press). 3. Viglant L., Stoneking M., Harpending H. et al. // Science. 1991. V.253. P.1303 — 1307. 4. Seielstad M.T., Minch E., Cavalli-Sforza L.L. // Nat. Genet. 1998. V.20. P.278 — 280. 5. Stoneking M. // Nat. Genet. 1998. V.20. P.219 — 220. 6. Krings M., Stone A., Schmitz R.W. et al. // Cell. 1997. V. 90. № 1. P.19 — 30. 7. Ovchinnikov I.V., Gotherstrom A., Romanova G.P. et al. // Nature. 2000. V.404. № 6777. P.490 — 493. 8. Lahr M.M., Foley R.A. // Yearbook of physical anthropology. 1998. V.41. P.137 — 176. 9. Cavalli-Sforza L.L. Genes, peoples, and languages. N.Y., 2000. 10. Richards M., Macaulay V., Hickey E. et al. // Am. J. Hum. Genet. 2000. V.67. P.125 1 — 1276. 11. Underhill P., Cavalli-Sforza L.L., Oefner P.J. // Nat. Genet. 2000. V.26. P.358 — 361. 12. Orekhov V., Poltoraus A., Zhivotovsky L.A. et al. // FEBS Lett. 1999. V.445. № 1. P.197 — 201.