Кто мы и как сюда попали. Древняя ДНК и новая наука о человеческом прошлом

Райх Дэвид

Реформаторский вклад Кавалли-Сфорца в науку о генетике древних популяций напоминает историю о Моисее, дальновидном вожатом, чей вклад в будущее был выше и больше, чем любого из его сподвижников, создавших новое миропонимание.

Рис. 1б. Современные полногеномные данные показывают, что первичный градиент наследия фермеров Европы идет не с юго-востока на северо-запад, а фактически перпендикулярно этому вектору – с юго-запада на северо-восток; это результат крупной миграции скотоводов с востока, заместившей наследие первых фермеров.

В Библии сказано: “И не было более у Израиля пророка такого, как Моисей…” [2] , но также рассказано,

что Моисею не дозволено было достичь Земли обетованной. Он водил своих людей по пустынным землям сорок лет – и вот наконец поднялся на гору Нево и увидел на западе реку Иордан, а за ней обещанную его народу землю. Но сам так и не ступил на нее. Это право было дано лишь его последователям.

Так же и с генетикой прошлых времен. Кавалли-Сфорца увидел широчайшие возможности генетики для расшифровки истории человечества, когда никто и не помышлял об этом, но его дальновидение обогнало технологии, необходимые для воплощения его идей. Однако теперь все иначе. У нас в сотни тысяч раз больше данных и вдобавок богатейшая коллекция древней ДНК, а это более прямой источник информации о перемещениях популяций, чем археология и лингвистика.

2

Втор. 34: 10.

В 2010 году были опубликованы первые пять ископаемых человеческих геномов: геномы неандертальцев¹⁰, геном древнего денисовца¹¹ и гренландца, жившего примерно 4 тысячи лет назад¹² . В течение следующих лет были обнародованы данные по геномам еще пяти древних людей, а за ними в 2014 году последовал целый букет данных по геномам 38 индивидов. В 2015 году полногеномный анализ древних людей вышел на этап сверхускорения. В трех статьях предлагались данные по 66¹³, 100¹⁴ и 83¹⁵ древним образцам! К августу 2017 года в моей лаборатории прочли полные геномы трех тысяч древних индивидов, но и в других лабораториях работа тоже кипела. Теперь информация поступает с такой скоростью, что за время от прочтения ДНК в образце до его публикации общее количество данных по меньшей мере удваивается.

Рис. 2. Чтение древней ДНК в лабораториях ускорилось теперь настолько, что за время между производством соответствующих данных и их публикацией общая информация по древней ДНК увеличивается больше чем вдвое.

Подавляющая часть методологии прочтения древней ДНК была разработана Сванте Пэабо и его группой в Институте эволюционной антропологии Макса Планка в Лейпциге, Германия, применительно к очень древним образцам, таким как неандертальцы и денисовцы.

Сам я занимался адаптированием этих методов к анализу большого числа образцов сравнительно недавнего возраста, до нескольких тысяч лет (что все-таки тоже немало). Я начал специализироваться в этой области в 2007 году (как правило, процесс такого обучения занимает 7 лет) в лаборатории Сванте Пэабо, работая над проектами неандертальского и денисовского геномов. В 2013 году Пэабо помог мне создать мою собственную лабораторию по древней ДНК – первую в США, которая занималась прочтением ископаемых человеческих геномов. Помогала мне в этом Надин Роланд, которая, прежде чем прийти ко мне, тоже обучалась в лаборатории Пэабо. Мы хотели поставить на поток прочтение индивидуальных древних последовательностей, то есть на основе разработанных в Европе технологий создать геномную фабрику в американском стиле.

Мы с Роланд понимали, что методики, отработанные Маттиасом Мейером и Цяомэй Фу в лаборатории Пэабо, могут стать основой для крупномасштабного анализа древней ДНК. Ведь Мейер и Фу занимались изобретательством, потому что деваться было некуда: они должны были выделить ДНК из костей возрастом примерно 40 тысяч лет (это были ранние современные люди из пещеры Тяньюань в Китае)¹⁶. Дело в том, что когда Мейер и Фу получили экстракт ДНК из костей ног тяньюаньца, то выяснилось, что там лишь 0,02 % ДНК самого тяньюаньца, а остальная ДНК от бактерий, поселившихся в костях после его смерти. Так что прямое секвенирование виделось чересчур дорогим предприятием, даже на оборудовании, которое появилось после 2006 года и удешевило прочтение геномов в сотню тысяч раз. Решение этой проблемы Мейер и Фу позаимствовали со страничек руководства по медицинской генетике. Медикам бывают нужны лишь интересные для тех или иных задач 2 % из всего генома, их научились выделять, отбрасывая остальные 98 %. Так же и

тут: Мейер и Фу выбраковывали ненужные 98 %, а крошечную часть человеческой ДНК оставляли.

Методы выделения ДНК, разработанные Мейером и Фу, стали фундаментом революции древней ДНК и ее успеха. В 1990-х молекулярные биологи научились использовать технику лазерного травления электронных схем в своих задачах: прикреплять к стеклянным или кремниевым пластинам миллионы нужных, прицельно выбранных кусочков ДНК. Эти кусочки ДНК можно затем снимать с пластины специальными молекулярными ножницами (ферментами) в водный раствор. С помощью этого метода Мейер и Фу синтезировали пятидесятидвухбуквенные фрагменты ДНК, которые перекрывали друг дружку концами, подобно черепице на крыше. Получилась почти полная последовательность 21-й человеческой хромосомы. Затем они использовали свойство ДНК спариваться с двойниковыми последовательностями: спаривая искусственно синтезированную “наживку” с кусочками ДНК в растворе, они выловили из экстрактов схожие с “наживкой” фрагменты ДНК. В улове, как выяснилось, находились в основном фрагменты ДНК тяньюаньца. Именно они и были нужны для исследования. Их анализ показал, что тяньюанец был представителем ранних современных людей, той их части, которая привела к современным восточным азиатам. В геноме этого человека оказалось не так уж много следов архаичных линий, сотни тысяч лет назад отделившихся от ветви современного человека. Это противоречило прежним утверждениям, основанным на сравнении формы скелетов¹⁷.

Все эти технологии мы с Роланд приспособили для чтения полных геномов. Вместе с коллегами из Германии мы синтезировали пятидесятидвухбуквенные фрагменты ДНК, покрывающие в сумме более миллиона нуклеотидных позиций; и это те позиции, в которых, как мы знаем, у людей имеются те или иные вариации. С помощью этой “наживки” мы выискивали интересующую нас человеческую ДНК в древних образцах, количество которой в некоторых случаях в сотни раз меньше по сравнению с микробной ДНК. Помимо того, нам удалось на порядок увеличить эффективность поисковых действий: мы просто решили, что весь геном читать не обязательно, а обязательны только информативные фрагменты с вариабельными позициями. Весь процесс автоматизировали с помощью подключения роботов, и в итоге один человек мог за несколько дней проанализировать более девяноста образцов. Наши лаборанты растирали образцы древних костей, готовили из них порошок, из которого затем делали вытяжки ДНК и препараты, пригодные для секвенирования. Но вся эта лаборантская работа являлась лишь начальным этапом. За ним следовала не менее хитроумная задача – рассортировать миллиарды кусочков ДНК по принадлежности к тому или иному индивиду, проанализировать информацию и выявить фрагменты с признаками загрязнений, а оставшиеся фрагменты скомпоновать в удобную базу данных. И все это выполняли компьютерные программы, которые разработал Шоп Маллик, пришедший в мою лабораторию за шесть лет до старта проекта; он постоянно настраивал эти программы в соответствии с новыми методическими приемами и новыми данными – новыми и по качеству, и по масштабу.

Результаты оказались даже лучше, чем мы могли надеяться. Стоимость прочтения генома упала до пяти сотен долларов за образец. А это в десятки раз меньше, чем обычное, в лоб, полногеномное секвенирование. И, что важнее, наш метод позволял считывать значительную часть ДНК-последовательности примерно у половины скелетных образцов, поступавших к нам для изучения, хотя, естественно, вероятность успеха сильно зависела от сохранности образца. Так, для ископаемых образцов из холодных зон России вероятность прочтения ДНК составляла около 75 %, а из жаркого климата Ближнего Востока – лишь 30 %.

Что это нам давало? А вот что: теперь для прочтения полного генома вовсе не обязательно перебирать большое число костных образцов, чтобы найти тот единственный, чья ДНК поддается анализу. Теперь можно получать общегеномные характеристики для подавляющего числа остатков, возраст которых находится в пределах последних 10 тысяч лет. А с такими данными события в популяциях реконструируются с изумительной детализацией, которая буквально переворачивает наше представление о прошлом.

К концу 2015 года в моей гарвардской лаборатории было получено и опубликовано более половины всех мировых общегеномных данных по древним материалам. Мы открыли, что популяция Северной Европы была замещена восточноевропейскими степняками около 5 тысяч лет назад в ходе массовой миграции¹⁸; что 10 тысяч лет назад первые фермеры на Ближнем Востоке были представлены очень непохожими популяциями, которые затем по мере освоения сельского хозяйства распространялись и перемешивались¹⁹; что первые переселенцы на отдаленных островах Тихого океана (речь идет, конечно, о людях, появившихся там 3 тысячи лет назад) вовсе не являются единственными предками сегодняшнего островного населения²⁰.