Можно ли выяснить, как выглядел древний человек, если от него осталась только ДНК? Генетики разработали такую методику, проверили её на неандертальцах и шимпанзе, а затем применили к геному загадочных денисовцев. Теперь по получившемуся портрету они стараются «опознать» денисовцев среди останков древних гоминин Азии. Правда, не все учёные в восторге от возможностей нового метода.
Уже почти 10 лет антропологи всего мира гадают: как выглядели денисовцы? Дело в том, что об этих таинственных гомининах, населявших восток Евразии десятки тысяч лет назад, мы знаем в основном по их ДНК. Фаланга мизинца, несколько зубов да крошечный обломок черепа, к которым недавно добавилась половинка нижней челюсти — вот пока что все останки денисовского человека, доставшиеся учёным. Возможно, в музейных хранилищах находятся и прочие части скелета, даже целые черепа этих древних людей, да только как это выяснить? Далеко не из всех древних находок удаётся выделить хотя бы фрагментарную ДНК, а без неё денисовца не опознать. Пока что предсказывать внешность по геному у учёных получается, мягко говоря, не слишком хорошо. Более или менее научились определять только цвет глаз, волос и кожи — и то, такие методики отточены на европейцах, а с людьми из других популяций работают далеко не всегда.
Так мы узнали, что у денисовской девочки были, вероятно, карие глаза, смуглая кожа и тёмные волосы. Прочие человеческие черты поддаются предсказаниям с большим трудом. Ведь мало знать, какие гены с каким признаком связаны, необходимо ещё оценить, насколько каждый ген активен, и каков результат их совместной работы. Кроме того, методика поиска ассоциаций между генами и анатомическими особенностями работает с теми чертами, по которым разные люди отличаются друг от друга. Если очень грубо, у одних людей глаза голубые, у других карие — сравнивая их геномы, можно попытаться понять, какие отличия в ДНК отвечают за цвет глаз. А как быть с видоспецифическими признаками, которые зафиксировались и примерно одинаковы у всех современных людей?
Группа учёных из Еврейского университета в Иерусалиме (ивр. האוניברסיטה העברית בירושלים), под руководством профессора Лирана Кармеля (לירן כרמל), опубликовавшая недавно статью в Cell, движется другим путём. Их подход в том, чтобы оценить отличия древних гоминин от современного человека по особенностям метилирования ДНК. Напомню, что ДНК — молекула, состоящая из четырёх видов азотистых оснований — аденина, гуанина, тимина и цитозина. Метилирование — прикрепление особых химических меток — метильных групп, к определённым участкам ДНК, приводящее к изменению активности генов. Обычно метилирование происходит в цитозине, стоящем «справа» от гуанина (обозначается CpG. Участки, где много CpG, называются «CpG островки»). Известно, что если метилирован участок гена, близкий к промотору — условно говоря, «началу» гена, — то активность гена, как правило, падает.
Израильский генетик Давид Гохман (דוד גוכמן) и его коллеги разработали методику, позволяющую находить следы метилирования в древних геномах. Дело в том, что при разложении древней ДНК цитозин теряет аминогруппу — деаминируется. В результате, из обычного цитозина получается основание урацил. А если цитозин метилирован, то при деаминировании получится не урацил, а тимин. Таким образом, если в том месте генома, где у современного человека есть CpG островок, в древней ДНК стоит урацил, то исходный цитозин был неметилирован. А если кроме урацила в этой позиции встречается ещё и тимин, то можно заключить, что в части клеточных геномов цитозин был в древности метилирован.
Подход позволяет восстановить «метилом» (термин, образованный по аналогии с такими как «геном», «биом») — совокупность метилированных участков конкретного генома. Так исследователи реконструировали метиломы денисовца, двух неандертальцев и 5 древних сапиенсов, возрастом от 45 до 7,5 тыс. лет. Добавив к ним данные по современным людям и шимпанзе, составили карту участков генома, по-разному метилированных у разных видов. Учитывались только те особенности метиломов современных людей, которые встречаются у всех поголовно, не зависят от пола, возраста или заболеваний. В списке оказалось 873 отличия в метилировании ДНК современного человека, 939 отличий, общих для денисовцев и неандертальцев, 750 специфических отличий неандертальца, 443 — денисовца и 2000 — шимпанзе. Далее учёные отбросили метилированные участки, которые находятся в генах слишком далеко от промоторов. Предстояло выяснить, на каких скелетных особенностях отражается метилирование генов, оставшихся в списке. Для этого учёные использовали базу данных HPO (Human Phenotype Ontology), в которой содержится информация о 4000 наследственных моногенных (то есть, вызываемых единственной мутацией) аномалиях и о связанных с ними генах. Ход мысли исследователей такой: многие наследственные нарушения из этой базы связаны с мутациями, приводящими к потере функции, то есть к отключению гена. А отключение можно приблизительно уподобить резкому снижению активности, вызванному метилированием. Конечно, совпадение неполное, но можно оценить, в каком направлении изменится признак, если ген перестанет работать (в результате метилирования или мутации — неважно). При этом выбрали только те гены, которые влияют на строение скелета — ведь древняя ДНК происходит из костей и зубов.
Понятно, что на каждую часть скелета могло приходиться несколько генетических аномалий и связанных с ними генов, поэтому суммарный эффект не всегда можно оценить. Например, если поломка одного гена приводит к «расширенному тазу», а отказ другого — к «суженному», неясно, что должно получиться в сумме. Поэтому исследователи отдавали предпочтение «однонаправленным» признакам, для которых однозначно можно определить вектор изменения, типа «задержки созревания» или «более короткой челюсти».
Затем методику проверили на неандертальцах. Подход показал хорошие результаты: в частности, исследователям удалось верно предсказать 62 из 75 признаков, по которым неандертальский скелет отличался от нашего. Хорошо справилась методика и с предсказаниями особенностей шимпанзе.
Предстояло опробовать разработанный метод на ДНК денисовца. Исследователи выделили 2 категории признаков. В первую (21 признак) попали черты, общие у денисовцев с неандертальцами, а во вторую (11 признаков) — специфически денисовские особенности. Поскольку денисовцы родственны неандертальцам, логично, что вторая группа меньше первой.
Что же роднит денисовцев с неандертальцами? Массивные челюсти, низкий и расширенный книзу череп, толстая эмаль зубов, широкий таз, толстые пальцы — хорошо узнаваемый образ европейского пещерного человека. Однако в отличие от неандертальцев, у денисовцев вытянутая зубная дуга, более крупный мыщелок нижней челюсти, увеличенная ширина теменных костей. Есть и черты, по которым денисовцы больше похожи на нас, чем на неандертальцев, например, у них столь же широкое расстояние между височными костями, и они так же рано, как мы, теряют зубы (что бы это ни значило). Ширина лица у денисовцев оказалась промежуточной: меньше, чем у неандертальцев, но больше, чем у нас. То же касается и выступания лицевой части, размеров лопаток и сроков созревания.
Здорово! По этому набору можно даже попробовать нарисовать портрет денисовца. Разумеется, уже нарисовали. Но как проверить сделанный прогноз? Единственная возможность — по недавно найденной челюсти денисовца. К радости исследователей, из нескольких особенностей челюстей и зубов, предсказанных методикой, большая часть совпала с «оригиналом»: у денисовца действительно длинная зубная дуга, челюсть высока спереди и широка сзади.
Исследователи сами были удивлены тем, насколько хорошо себя показала методика, основанная только на метилировании ДНК, хотя далеко не только метилирование влияет на активность генов. Вероятно, причина в том, что разные уровни управления транскрипцией генов в геноме тесно взаимосвязаны. В будущем учёные надеются разобраться со всей совокупностью этих уровней, научиться оценивать изменения белков и таким образом давать более точные количественные прогнозы.
Не собираясь почивать на лаврах, исследователи сами указали на слабые стороны методики: подход не даёт конкретных размеров и цифр, а скорее указывает на направления отличий скелета, а в некоторых случаях — просто на сам факт этих отличий. Кроме того, поскольку в руках у специалистов пока что метилом единственного денисовца, речь идёт, скорее, о реконструкции строения конкретного индивида, а не всего «денисовского рода».
Наконец, исследователи обращают внимание, что некоторые находки древних людей из Китая очень хорошо «ложатся» в полученный набор признаков денисовца. Например, недавно найденные два черепа из округа Сучан возрастом чуть более 100 тыс. лет: у них ряд особенностей совпали с предположительно денисовскими, включая необычно большую ширину теменных костей. Может быть, протеомный анализ, с помощью которого удалось распознать денисовскую челюсть, поможет разобраться и с находками в Сучан?
Не все исследователи спешат восторгаться новой методикой. Антрополог Джон Хокс (John D. Hawks) пишет в своём блоге, что предсказание особенностей скелета неандертальцев с помощью метилома не впечатляет: «здесь слишком много степеней свободы для исследователей». Он ссылается на более раннюю работу, где с помощью подобной методики пытались предсказывать строение бедренных костей у современных приматов, но результат оказался невнятным: эффект, даваемый метилированием, не удавалось отличить от действия среды и других факторов. Хокс полагает, что методика останется спорной, пока не будет прояснён механизм, связывающий метилирование с конкретными особенностями скелета, а до этого далеко.
Кстати, совсем недавно мы писали о новом исследовании утраченной части фаланги денисовца. Она оказалась узкой и изящной, а вовсе не по-неандертальски толстой, как предсказывал новый метод.