Палеогеномика

Палеогено́мика — это область науки, основанная на реконструкции и анализе геномной информации вымерших видов.

Благодаря усовершенствованным методам извлечения древней ДНК из музейных экспонатов, кернов льда, археологических или палеонтологических объектов, а также технологиям секвенирования следующего поколения стало возможным:

• обнаруживать генетический дрейф, миграцию древних популяций и взаимосвязи;
• исследовать эволюционную историю вымерших растений, животных и видов Homo;
• идентифицировать фенотипические особенности в разных географических регионах. Учёные также могут использовать палеогеномику для сравнения древних предков с современными людьми.

История становления и методы

ДНК, выделенная из древнеегипетской мумии возрастом 4000 лет

Исследования древней ДНК начались в 1980-х годах в лабораториях Сванте Паабо в Швеции и Аллана Вилсона в США. Первая последовательность древней ДНК была выделена из шкуры вымершего вида зебры в музее, а первая последовательность древней ДНК человека была получена из тканей египетской мумии. Исследование молекул ДНК, сохранившихся с течением времени, открыло доступ к доисторической генетической информации и нашло широкое применение, в том числе в таксономии, палеонтологических реконструкциях, популяционной генетике, гуманитарных аспектах и т. д. Однако низкая сохранность, посмертная модификация ДНК и наличие в образцах ингибиторов сильно усложняли работу с древней ДНК. Поэтому первые исследования проводились в основном на последовательностях митохондриальной ДНК.

Достижения в извлечении ДНК и новые технологии секвенирования значительно расширили возможности изучения древних геномов. Методы обогащения позволяют анализировать образцы, которые ранее считались непригодными из-за повреждений древней ДНК, таких как потеря азотистого основания, превращение метилированного цитозина в тимин, образование перекрёстных связей и фрагментация молекулы. Для обогащения фрагментов древней ДНК используются стратегии создания геномной библиотеки или разделения эндогенных и экзогенных фракций с помощью зондов. Другие стратегии включают расщепление ДНК микробов, обогащение повреждённой матрицы, гибридизацию мишень-зонд, применение микрочипов и обогащение всего генома в растворе. Специальные зонды, обогащённые биотинилированными рНК, позволяют отжигать одноцепочечную ДНК и выделять фрагменты в процессе секвенирования.

Для успешной реконструкции древних геномов требуются специальные методы и программное обеспечение, такие как PALEOMIX (набор конвейеров и инструментов, предназначенных для быстрой обработки данных высокопроизводительного секвенирования) и EAGER (effective ancient genome reconstruction — эффективная реконструкция древнего генома). Эти методы упрощают анализ геномных данных, обработку, аутентификацию и оценку качества образцов древней ДНК. Они также предоставляют инструменты для обнаружения, фильтрации и анализа вариаций в геномах.

Современные технологии высокопропускного секвенирования и биоинформатики позволяют анализировать геномы из окаменелостей возрастом более 100 миллионов лет. Первые работы области позволили получить геномы мамонта и неандертальца. В настоящее время известны геномные данные для разных видов животных, от недавно вымерших до древних. Использование этих данных позволяет исследовать эволюционную историю видов, а также расширяет понимание основ видообразования и адаптации. Для этого применяются два подхода: макро- и микроэволюционный. Макроэволюционный подход сравнивает современные геномы с реконструкцией геномов предков на протяжении миллионов лет. Микроэволюционный подход основан на прямом секвенировании палеонтологического материала и позволяет реконструировать предковый геном. Исследования показали стабильность геномов плацентарных млекопитающих и позволили реконструировать анцестральный геном млекопитающих.

Объекты исследований и основные результаты

Человек и гоминиды

Высококачественные геномы архаичных людей позволяют изучать недавнюю эволюцию человека, включая появление уникальных для Homo sapiens генов, связанных с работой мозга и нервной системы. Согласно анализу геномов неандертальцев, денисовцев и современных людей, эти гены составляют всего 1,5-7 % генома. Изменения в этих генах произошли около 74 000, 600 000 и 200 000 лет назад, возможно, вызванные природными явлениями или другими факторами.

Геномные данные вымерших гоминид существенно помогли лучше понять происхождение современного человека, включая скрещивание между различными видами древних гоминид. Анализ геномов показал, что у современных людей есть ДНК от неафриканских популяций, в частности от денисовцев у людей из Океании. Линии неандертальцев и денисовцев разделились около 390 000 лет назад, а их общий предок с современными людьми отделился 550 000—765 000 лет назад. Эти выводы были сделаны на основе секвенирования генома костей из Денисовой пещеры.

Анализ ДНК неандертальцев и современных людей выявил различия в кодировании белков, включая мутации в генах, связанных с производством минорных антигенов гистосовместимости у мужчин. Эти мутации могут вызывать иммунный ответ у матери во время беременности, влияя на репродуктивную изоляцию. Время до появления самого последнего общего предка между неандертальцами и современными людьми оценивается примерно в 588 000 лет. Анализ генома человеческой популяции показал, что гены, связанные с иммунной системой, являются основными мишенями положительного отбора, гены, связанные с репродукцией и фертильностью, быстро развиваются, а гены, связанные с лактазой, эккринными железами и реакцией на гипоксию, являются генами недавней адаптации человека.

Доступность геномных данных примерно для 1100 отдельных геномов древних людей и архаичных гоминид даёт новое представление о адаптации человека к изменениям в окружающей среде, сельском хозяйстве и патогенах, а также об эволюции и поведении человека. Исследовнаия выявили постепенную эволюцию депигментации кожи у европейцев и адаптацию к низкому содержанию кислорода в высокогорье в Гималаях. Исследования также показали увеличение числа копий гена амилазы у современных людей по сравнению с шимпанзе, что связано с переходом на крахмалистую пищу. Первоначальная дупликация гена произошла после разделения линий человека и шимпанзе.

Растения и животные

Многие не относящиеся к гоминидам позвоночные — древние мамонты, белые медведи, собаки и лошади — были реконструированы путём восстановления древней ДНК из окаменелостей и образцов, сохранившихся при низкой температуре или на большой высоте. Исследования мамонтов наиболее часты из-за высокого содержания мягких тканей и волос из вечной мерзлоты и используются для выявления родства и демографических изменений с более современными слонами. Исследования белого медведя проводятся для выявления влияния изменения климата на эволюцию и биоразнообразие. Исследования собак и лошадей дают представление об одомашнивании. У растений ДНК была выделена из семян, пыльцы и древесины. Была выявлена корреляция между древним и сохранившимся ячменём. Ещё одно применение — выявление процесса одомашнивания и адаптации кукурузы, включающего гены засухоустойчивости и содержания сахара.

Задачи работы с древней ДНК

Извлечение ДНК из древних образцов представляет собой процесс, в результате которого получаются ультракороткие фрагменты. Весьма редко удаётся извлечь ДНК длиной более 200 нуклеотидов. Сильное фрагментирование и ограниченное количество сохранённой ДНК являются основными факторами, которые затрудняют её анализ. Однако благодаря модификациям старых методов и развитию новых методов экстракции, качество получаемых данных после извлечения постепенно повышается.

Относительно вопроса о самом старом образце ДНК существует различие мнений. Возраст первого обнаруженного фрагмента древней ДНК составил 140 лет, другие источники предлагают называть древней ДНК, чей возраст более 100 лет с момента гибели организма.

Исследование древней ДНК позволяет сравнивать геномы разных периодов, включая вымершие виды, и анализировать их генетическое родство с современными родственниками. Филогенетический анализ помогает изучать процессы эволюции и их связь с изменением условий окружающей среды. Учёные уже исследовали отбор в древних популяциях людей, чтобы определить эволюционно выгодные характеристики, влиявшие на историю человечества.

Изучение древних геномов также расшифровывает информацию о заболеваниях, которые поразили цивилизации в прошлом — эпидемии и пандемии — и оказали влияние на историю человечества. Также изучение подобных процессов помогает понять, как отдельные варианты генов (SNP) и более сложные изменения в геноме влияют на здоровье человека и его склонность к определённым заболеваниям. Благодаря древней ДНК, мы можем отслеживать демографические и культурные изменения в различных человеческих популяциях в прошлом и определить направление миграций. Одно из важных применений древней ДНК заключается в изучении процесса одомашнивания.

Анализ древней ДНК имеет некоторое сходство с судебной генетикой. Хотя возраст образцов в последнем случае намного моложе, факторы окружающей среды могут привести к схожему уровню повреждения ДНК. Следовательно, методологии, применяемые в одной сфере могут пригодиться для применения в другой.

См. также

• Митохондриальная ДНК
• Секвенирование РНК
• Секвенирование древней ДНК

Литература

• Челомина Г. Н. 2006. Древняя ДНК // Генетика. Т. 42. Вып. 3. С. 293—309. (Chelomina G. N. 2006. Ancient DNA. Russian Journal of Genetics 42(3): 219—233.)
• Higuchi R. et al. DNA sequences from the quagga, an extinct member of the horse family //Nature. — 1984. — Т. 312. — №. 5991. — С. 282—284.
• Barlow A. et al. Partial genomic survival of cave bears in living brown bears //Nature ecology & evolution. — 2018. — Т. 2. — №. 10. — С. 1563—1570.
• Mathieson I. et al. Genome-wide patterns of selection in 230 ancient Eurasians //Nature. — 2015. — Т. 528. — №. 7583. — С. 499—503.
• Klunk J. et al. Evolution of immune genes is associated with the Black Death //Nature. — 2022. — Т. 611. — №. 7935. — С. 312—319.
• Harney É. et al. Ancient DNA from Chalcolithic Israel reveals the role of population mixture in cultural transformation //Nature communications. — 2018. — Т. 9. — №. 1. — С. 3336.
• Ottoni C., Bekaert B., Decorte R. DNA degradation: current knowledge and progress in DNA analysis //Taphonomy of Human Remains: Forensic Analysis of the Dead and the Depositional Environment: Forensic Analysis of the Dead and the Depositional Environment. — 2017. — С. 65-80.
• Мовсесян Алла Арменовна Палеогеномика: проблемы, достижения, перспективы // Вестник Московского университета. Серия 23. Антропология. — 2010.
• Пилипенко Александр Сергеевич Палеогеномика: происхождение челоевка и этногенетические происхождения // Молекулярная и прикладная генетика. — 2014.

Примечания

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Палеогеномика», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Палеогеномика» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».