истории

От денисовцев — наших с неандертальцами родственников — почти ничего не осталось. Но ученые все равно смогли восстановить их облик — по ДНК!

Источник: Meduza

Ученые из Еврейского университета в Иерусалиме смогли восстановить внешний облик денисовцев — древних людей, которые являются для нас с неандертальцами сестринской группой. О том, как выглядели неандертальцы, мы сегодня знаем довольно много, но вот об облике денисовцев до сих пор почти ничего не было известно — просто потому, что денисовских скелетов не сохранилось. В распоряжении антропологов до недавнего времени были только три зуба, фаланга пальца и фрагмент челюсти этих людей. Необычность новой работы в том, что даже этого ученым оказалось достаточно: новый анализ ДНК, выделенной как раз из фаланги пальца, позволил узнать особенности анатомии денисовцев, в том числе реконструировать строение их черепа и даже смоделировать внешность. Такой метод — если его результаты окажутся достаточно надежными — потенциально может быть применен далеко за пределами антропологии, в том числе в криминалистике или развлекательной геномике.

Результаты сложной реконструкции, которую выполнили Давид Гохман и Лиран Кармель с коллегами, суммированы в изображениях, которыми авторы проиллюстрировали пресс-релиз о своей работе. На них можно увидеть молодую денисовскую девушку, немного напоминающую своим широким лицом уже известные реконструкции неандертальцев. Как и в случае последних, изображение сделано классическим методом «наращивания» мягких тканей на слепке (или трехмерной модели) черепа, после которого первоначальная скульптура художественно обрабатывается и принимает жизнеподобный (иногда — очень жизнеподобный) вид.

Ключевое отличие новой работы в том, что самой основы для реконструкции — черепа как физического объекта — у ученых не было вовсе. Его, а также весь остальной скелет, удалось восстановить на основе анализа ДНК. По словам авторов, всего удалось обнаружить 56 значимых признаков, по которым анатомия денисовцев отличается от анатомии современных людей и/или неандертальцев, 34 из них приходятся на строение черепа. Однако главная новизна работы заключается не в этих числах, а в самом методе, который позволил их получить.

Для реконструкции внешности денисовцев ученые смотрели не на сам «текст» ДНК, а на «пометки на полях»

Ученые опирались на уже опубликованные последовательности нескольких геномов: один геном денисовца, два — неандертальских, пять принадлежали древним людям современного типа, пять — шимпанзе и еще 55 — нашим современникам.

Общая идея анализа этих геномов заключалась в следующем. Поскольку и у человека, и у его родственников большая часть ДНК приходится не на работающие гены, а на промежутки между ними (темную, если не «мусорную» часть генома), то сами по себе точечные отличия (SNP) между геномами разных людей несут в себе мало информации. Их очень сложно привязать к какому-то понятному внешнему признаку. Гораздо более информативны отличия в активности генов: во-первых, генов меньше, чем SNP; во-вторых, любые SNP проявляют свое влияние через изменение активности генов, так что в ней содержится вся необходимая для реконструкции анатомии информация.

Однако как можно узнать активность генов в организме, жившем тысячи лет назад? Для этого авторы новой работы предложили анализировать не саму последовательность «букв» в ДНК, а посмотреть на то, как эти «буквы» изменялись и деградировали за прошедшее с момента гибели организма время.

Дело в том, что еще при жизни неактивные участки генома в клетках обычно подвергаются специфическому процессу «архивации»: в ДНК, которая попадает в такие молчащие участки, некоторые «буквы» — азотистые основания химически модифицируются, получая дополнительные метильные группы. Это служит маркером «выключения» всей области и ближайших генов. ДНК в более активных областях генома такой модификации не подвергается. Соответственно, если каким-то образом определить карту метилирования генома, можно узнать, какие гены в нем работали, а какие, скорее всего, были выключены.

За десятки тысяч лет, которые неандертальские или денисовские кости пролежали в земле, сами по себе эти метки — маркеры активности, — конечно, не сохраняются. Однако они все равно оставляют следы в ДНК: основания со временем деградируют, причем модифицированные основания делают это по одному пути, а немодифицированные — по другому. Именно это позволяет, зная расположение разных накопившихся «ошибок», узнавать о распределении когда-то существовавшей активности генов. Даже тогда, когда клетки, где эта активность существовала, уже давно исчезли.

Самым сложным оказалось найти в геноме участки, важные для анатомии

Метод получения карты активности генов в древней ДНК, основанный на этом принципе, был опубликован еще в 2014 году. Причем в коллективе авторов той работы были многие из тех, кто участвовал в новой реконструкции. Но для воссоздания анатомии денисовцев одного этого метода было недостаточно — чтобы провести реконструкцию, ученым пришлось придумать еще и довольно сложный способ отбора «правильных» участков генома, активность в которых можно было бы как-то сопоставить с отличиями в анатомии.

Для этого ученые, во-первых, отбросили все участки геномов, активность в которых отличалась от человека к человеку или от шимпанзе к шимпанзе. Другими словами, они оставили только участки, специфичные для каждой исследованной линии гоминид. Во-вторых, авторы отбросили те участки, где активность отличалась менее чем вполовину от контроля (это, кстати, позволило нивелировать разную сохранность ДНК в разных костях, так как скорость деградации варьирует существенно слабее). В-третьих, ученые решили не пытаться количественно предсказать степень отличия одного анатомического признака от другого — они поставили задачу лишь угадать направление изменения. Это позволило существенно упросить анализ и сделать его более устойчивым к ошибкам.

Наконец, вооружившись полученным набором участков геномов, авторы сравнили их активность в ДНК людей, имеющих хорошо описанные генетические заболевания. Если «выключение» какого-то гена в результате заболевания сопровождалось, например, изменением пропорций черепа или размера той или иной кости, то уменьшение активности этого гена у денисовцев интерпретировалось как аналогичное изменение анатомии относительно современного человека. Полученные предсказания сопоставлялись с имеющимися данными по анатомии неандертальцев и шимпанзе, и прошедшие такую проверку предсказательные признаки затем использовались для моделирования внешнего вида денисовцев.

Точность реконструкции подтвердили неожиданно появившиеся новые денисовские находки

Интересно, что еще на этапе рецензирования, до того, как обсуждаемая статья была опубликована, появилось сообщение о неожиданно найденном фрагменте нижней челюсти денисовцев. И предсказания о ее анатомии, сделанные только на основе данных ДНК, в целом достаточно хорошо совпали с реальной денисовской челюстью. Кроме того, если полученная модель анатомии верна, она позволяет понять происхождение необычного черепа, который недавно был найден в Сюйчане — он, как предсказывает модель, также очень похож на денисовский.

Хотя генетики не впервые пытаются использовать данные ДНК для реконструкции внешности, до сих пор полученные ими результаты не были столь впечатляющими, как новая реконструкция. Метод Гохмана и Кармель пока нельзя применить для, например, составления фоторобота преступника по ДНК: как было сказано выше, все отличия между людьми современного типа в методике были отброшены и, соответственно, не могут быть основанием для предсказаний.

Однако общий принцип отбора «правильных» участков генома, активность которых потенциально связана с особенностями анатомии, и использование моногенных заболеваний как обучающей выборки для предсказания анатомических особенностей — все это применимо к современным людям в не меньшей степени, чем к денисовцам. Для предсказания внешности современного человека на основании ДНК технология, безусловно, требует значительного «тюнинга», но объем этой работы не кажется чрезмерным. Тем более что данных, на которые можно опереться, в случае современных людей несравнимо больше, чем в случае денисовцев.