Плейстоценовые биобаги и биофичи. О неандертальской и денисовской ДНК у человека

Тема этой публикации – из таких, что постепенно переходят из категории вымысла в число домыслов, затем превращаются в обоснованные гипотезы, доказанные гипотезы, а далее становятся общеизвестными и даже банальными. А затем начинают обрастать подробностями.

Ниже я кратко расскажу о примесях, попавших в геном современного человека от наших более древних собратьев – неандертальского и денисовского человека. Этой темой я всерьез заинтересовался около 9 лет назад, прочитав книгу Александра Маркова «Обезьяны, кости и гены ^[1]». Много раньше, еще в детстве, на волне интереса к «палеолитическим приключениям» в духе Жозефа Рони-Старшего, я посмотрел фильм «Клан пещерного медведя ^[2]» и прочел «Долину лошадей ^[3]» Джин Ауэл. После того, как в 2010 году был расшифрован ^[4] хорошо сохранившийся геном неандертальца, факт нашего скрещивания с неандертальцами не вызывает сомнений, более того – поднимает интересные проблемы, связанные с влиянием неандертальского генофонда на развитие наших популяций. Сванте Пэабо, руководивший вышеупомянутым исследованием 2010 года, с тех пор успел написать книгу «Неандерталец. В поисках исчезнувших геномов ^[5]», но изучением неандертальцев активно занимается по сей день. Именно об этом пойдет речь далее.

Краткий доисторический контекст

Ранее в моем блоге уже была статья об искусстве неандертальцев ^[6], где я очень кратко упоминал о хронологии их обитания в Европе. Вот примерная карта важнейших неандертальских стоянок:

 В бельгийском Анжи в 1814 году, по-видимому, впервые были найдены кости неандертальца, но не были идентифицированы как таковые. В 1856 году Иоахим Неандер обнаружил в Фельдхофере часть черепной коробки с выраженными надбровными дугами, явно не принадлежавшую человеку современного типа. Впоследствии удалось восстановить хронологию заселения Европы и ее этническую карту, а долина реки Дюссель, где находится Фельдхофер, была переименована из Дюссельталя в Неандерталь. С тех пор прижилось название «неандерталец». Неандертальцы были потомками более древнего вида, гейдельбергского человека ^[7], а нашими предками не являются; мы с ними были близкородственными видами. История сосуществования различных видов людей – отдельная большая тема, которая до сих пор уточняется; помимо вышеупомянутой книги Пэабо рекомендую книгу Иэна Таттерсаля «Скелеты в шкафу. Драматичная эволюция человека ^[8]», к изданию которой был непосредственно причастен. В контексте этой статьи остановлюсь на двух основных видах человека, чьи ареалы 50 000 лет назад граничили с ареалом неандертальцев: в Южной Сибири это был денисовский человек ^[9], останки которого были открыты в 2008 году, а в Передней Азии – кроманьонский человек, наш прямой предок, переселившийся в Европу из Африки. По всей видимости, первая встреча кроманьонцев и неандертальцев произошла на территории современного Израиля в районе стоянки Бокер-Тахтит ^[10] около 50 000 лет назад. В Европе кроманьонцы полностью искоренили неандертальцев примерно 28 000 лет назад, а в Западной Сибири вплоть до Енисея неандертальцы могли просуществовать немного дольше. Однозначного мнения о том, что привело к исчезновению неандертальцев, не существует: было ли это физическое уничтожение, проигранная конкуренция или просто ассимиляция. Красочные и очень интересные статьи о контактах между неандертальцами и кроманьонцами есть, например, здесь ^[11] и здесь ^[12]; но я предпочту перейти к нашей основной теме. Ассимиляция неандертальцев кроманьонцами (сапиенсами) – вопрос дискуссионный, а вот гибридизация между нашими кроманьонскими предками, неандертальцами и денисовцами – факт.

Все люди современного типа имеют стабильную небольшую примесь неандертальской ДНК. Некоторые представители Homo Sapiens также гибридизировались с денисовцами. Сегодня носители денисовских генетических примесей живут в Восточной Азии (в частности, на Филиппинах), в Меланезии и на Новой Гвинее.

Неспокойное наследство

В 2010 году в Институте им. Макса Планка в Лейпциге был впервые секвенирован геном неандертальца, а в 2012 году – геном денисовца. При этом геном отдельно взятого современного человека был секвенирован немногим ранее: это сделали в 2007 году с геномом Джеймса Уотсона. Оказалось, что 2% неандертальских вкраплений типичны как для европеоидов, так и для монголоидов, и очевидно сохранились в нашем геноме, так как кодировали иммунные и метаболические адаптации, критичные для выживания в суровых евроазиатских экосистемах.

Вплоть до недавнего времени считалось, что африканцы негроидной расы лишены таких примесей, поскольку неандертальцы в Африке не обитали. Но исследования последних лет все-таки выявляют небольшой неандертальский компонент и в геноме негроидов, так как некоторые европейские сапиенсы мигрировали обратно в Африку и занесли туда с собой неандертальский генофонд.  Согласно исследованию ^[13], опубликованному в журнале «Cell» в 2020 году (в нем были учтены геномы 2504 человек из всех регионов планеты), представители различных человеческих популяций имеют от 1% до 4% неандертальских генов. У европеоидов этот показатель составляет в среднем 1,7% (51 миллион пар оснований), у монголоидов 1,8% (55 миллионов пар оснований) и у негроидов 0,5% (17 миллионов пар оснований). При этом денисовская ДНК составляет 4-6% генома у жителей Меланезии и несколько меньше – у жителей других архипелагов Океании. Также денисовская ДНК обнаружена в геноме гренландских эскимосов. Подробнее рассмотрим те адаптации (полезные в прошлом и не столь полезные в настоящем), которые мы приобрели в результате такого смешения.

По-видимому, неандертальцы были светлокожими и светловолосыми (возможно, рыжеволосыми). Некоторые их гены повлияли на пигментацию человеческой кожи и помогли осветлить ее. В среднеевропейских и сибирских условиях, где жили неандертальцы, количество солнечных дней и дозы ультрафиолета гораздо меньше, чем в привычной сапиенсам Африке, поэтому осветление кожи сыграло важную роль в выработке витамина D (избыточный меланин, защищающий кожу от рака в низких широтах, в Европе оказался не нужен). Также благодаря неандертальским генам кожа наших предков начала грубеть; стали появляться крупные родинки и кератомы. По-видимому, с такими генами светлая кожа начала ровно загорать, а не сгорать на солнце.  

До трети генов, имеющих неандертальское происхождение, связаны с работой иммунной системы; в частности, они регулируют взаимодействие с вирусами. Первые признаки вовлеченности архаичной неандертальской ДНК в работу иммунной системы были выявлены еще в 2011 году, когда группа исследователей из Стэнфорда обнаружила, что многие лейкоцитарные антигены человека (HLA), играющие ключевую роль в распознавании патогенов, имеют неандертальское происхождение.

Кроме того, неандертальские гены значительно влияют на экспрессию генов, кодирующих толл-подобные рецепторы ^[14], отвечающие за врожденный иммунный ответ. Именно поэтому мы могли унаследовать от неандертальцев целый букет аллергических реакций.

Важный неандертальский признак — усиленная свертываемость крови. По-видимому, это был ключевой бонус, обеспечивавший как быстрое заживление ран, так и барьер для инфекций. Но сегодня этот признак приводит к повышенному риску тромбоза. Другой признак, вероятно, связанный с рационом неандертальцев – предрасположенность к ожирению. Неандертальцы были почти 100%-ми хищниками и добывали пропитание загонной охотой; вероятно, они не преуспели в изобретении сложной одежды, так как не особенно в ней нуждались, поскольку хорошо набирали вес. В условиях перманентного голода и тяжелых физических нагрузок это не представляло проблем, а как раз наоборот — помогало быстро восстановить силы и жировой запас. Очевидно, что сегодня этот признак превращается в патологию.

Удивительно разнообразны нейрофизиологические аспекты, также связанные с экспрессией неандертальских генов. Например, эти гены провоцируют повышенную никотиновую зависимость, могут быть связаны с апатичностью и тяжелым восприятием уединения. В 2017 году также были обнаружены корреляции между неандертальскими генами и развитием «совиного» образа жизни. Предполагается, что такая черта могла быть передана северянами южанам, так как длина светового дня в умеренных широтах сильно зависит от сезона, а также на ритм сна и бодрствования может серьезно влиять пасмурная погода.

Гораздо меньше известно о признаках, характерных для денисовского компонента ДНК у современного человека. Денисовские аллели изучались у гренландских эскимосов и у жителей Тибета. По всей видимости, они дали человеку как минимум две полезные адаптации: во-первых, они кодируют активное образование и выгодное распределение подкожно-жировой клетчатки, что улучшает морозоустойчивость. Во-вторых, интересен денисовский ген, открытый ^[15] в 2014 году и присутствующий практически у всех жителей Тибетского нагорья. Он способствует выживанию в условиях высотной местности вообще и гипоксии в частности, оптимизирует усваиваемость кислорода.

COVID-19

В заключение этой статьи упомяну исследование годичной давности ^[16] Сванте Пэабо, выявившее в третьей хромосоме человека небольшой неандертальский фрагмент, провоцирующий тяжелое протекание COVID-19. Длина этого фрагмента – всего около 50 000 оснований ДНК (45 859 651–45 909 024). Фрагмент определенно является неандертальским, а не кроманьонским и не денисовским, поскольку достоверно найден в геноме неандертальца из хорватской пещеры Виндия (см. выше карту стоянок). В рамках проекта «1000 геномов ^[17]» удалось выяснить, что этот участок 3-й хромосомы чаще всего встречается в Юго-Восточной Азии (30% популяции), присутствует в Европе, но в Восточной Азии практически отсутствует:

По какой-то причине естественный отбор поддержал этот гаплотип в районе Бангладеш, откуда данный фактор риска специфически распространился в Азии, сохранившись при этом и у заметного процента европеоидов. Оказалось, что наибольший риск смерти от COVID-19 в Великобритании прослеживается именно у выходцев из Бангладеш.

Пэабо предполагает, что этот фрагмент генома, как и многие другие неандертальские фрагменты ДНК, связан с работой иммунной системы и, возможно, сформировался для защиты от других патогенов. В любом случае, он имеет европейское, а не сибирское происхождение, то есть, является очень древним даже по неандертальским меркам.

Вероятно, в плейстоценовую эпоху скрещивание близкородственных видов людей было сравнительно обычным явлением, и именно такое скрещивание дало кроманьонцам необходимый генетический багаж, позволивший преодолеть азиатские степи. Физическая неприхотливость и крепкий иммунитет неандертальцев и денисовцев оказались менее верным средством для выживания, чем кроманьонская социальность, изобретательность и сравнительно высокая выживаемость детей. Тем не менее, за десять лет изучения генетических включений, доставшихся сапиенсам от «кузенов», открыто более чем немало сюрпризов – и я полагаю, что не менее интересные находки еще впереди. Остается надеяться, что не все они будут связаны с суровыми иммунными, аутоиммунными или метаболическими вызовами, хворями, которых и представить себе не могли наши далекие предки.