Андрей Манахов: историческая генетика — реконструкция прошлого по анализу древней ДНК

@PCR.news

Завершило цикл лекций научно-просветительского проекта «Метафаза» PCR.NEWS и парка Зарядье выступление Андрея Манахова. Лектор рассказал об исторической генетике, особенностях работы с древней ДНК и о том, как современные методы помогают решать загадки прошлого. Например, как исследовали геном царевича Алексея, кем была живущая в горах женщина из абхазских легенд, сохранились ли потомки скифов и где «юноша с хорьком» подобрал хорька.

Credit:

Мария Лукина

Последняя в этом году лекция в рамках научно-просветительского проекта «Метафаза» PCR.NEWS и парка Зарядье была посвящена исторической генетике. Ее прочитал Андрей Манахов, в.н.с. Научного центра генетики и наук о жизни Научно-технического университета «Сириус». Он рассказал о возможностях реконструкции прошлого — отдельных людей, народов и культур — при помощи анализа древней ДНК и о результатах работы в этой области Консорциума, возглавляемого д.б.н., академиком РАН Евгением Рогаевым и объединившего специалистов из университета «Сириус», Института общей генетики РАН, Института археологии РАН, МГУ и ФИЦ «Биотехнологии» РАН.

Андрей Манахов начал с определения исторической генетики. Это область исследований, которая применяет современные молекулярно-генетические методы анализа древней ДНК для изучения исторических, археологических и культурных объектов и событий. Цель таких исследований — идентификация и выявление родства и исторического происхождения отдельных индивидов, культур и народов. Палеоантропологическая и археологическая генетика возникла параллельно с внедрением генетических методов в криминалистику, когда стало понятно, что по последовательностям ДНК можно проводить идентификацию личности. Историческую генетику можно условно ограничить временем начала исторического периода — около 5 тысяч лет назад. Рекордный возраст древнего образца, из которого удалось извлечь и анализировать ДНК, это около 1 млн лет (образец мамонта), а самый древний человек — неандерталец возрастом 400 тысяч лет. Андрей Манахов привел пример анализа и более древней ДНК — речь идет об «экосистемной ДНК», которая была выделена из грунта в Гренландии возрастом 2 млн лет, и на этой основе была реконструирована экосистема того времени.

Основные объекты для извлечения древней ДНК — это кости и зубы, практика показывает, что лучше всего ДНК сохраняется в каменистой части височной кости и в улитке внутреннего уха. Другие объекты — это музейные экспонаты, к которым относятся пряди волос, одежда со следами крови, которая может стать источником ДНК. Сегодня исследователи научились работать с очень малыми количествами — для выделения ДНК им нужно 100–200 мг образца.

Говоря о трудностях выделения древней ДНК, Андрей Манахов указал контаминацию и рассказал о способах борьбы с нею — специальные помещения и защитные костюмы. Далее он сказал о деградации ДНК и постмортальных заменах нуклеотидов — в ней происходит дезаминирование и превращение цитозина в тимин. Это одновременно и мешает исследователям, и помогает — большая частота таких замен создает так называемые «усы древности», которые указывают на древность образца.

Технологические этапы работы состоят в подготовке образца, выделения ДНК из костной муки, очистки и оценки качества. Затем нужно подготовить ДНК для секвенирования, для этого по определенной технологии формируют библиотеки ДНК, проводят тестовое секвенирование и получают миллионы прочтений (ридов). Работая с ними, специалисты определяют, древняя ли это ДНК, принадлежит ли она человеку, как много в ней бактериальной ДНК и есть ли современные загрязнения. Образец считается хорошим, если в нем 10–20% ДНК человека. Если образец годный, на следующем этапе его обрабатывают смесью ферментов, чтобы исправить постмортальные замены и превратить тимины обратно в цитозины. И формируют уже окончательную ДНК-библиотеку, которая идет на глубокое секвенирование. Для него используют высокопроизводительные секвенаторы; современные приборы, например Nova Seq S4, позволяют за один запуск прочитать 20–25 древних образцов. Если образец плохого качества, с малым количеством человеческой ДНК, то применяют методы ее обогащения нужными участками — ДНК гибридизируют со специально подобранными олигонуклетидами, что позволяет прочитать определенные, интересующие исследователей, генетические варианты (обычно это панели, включающие 1 млн 200 тыс или 600 тыс полиморфизмов).

Далее Андрей Манахов рассказал про методы анализа как современных, так и древних геномов. Анализ главных компонент (РСА) позволяет увидеть, к каким современным или древним популяциям генетически близок данный образец. Метод ADMIXTURE показывает, какие генетические компоненты (современные или древние) составляют данный геном.

Для демонстрации возможностей анализа древней ДНК генетик привел несколько примеров из результатов работы научного коллектива под руководством академика Евгения Рогаева. Историю про то, как удалось из музейного образца волоса из локона, прикрепленного к портрету предположительно царевича Алексея, извлечь и реконструировать мтДНК. Она полностью совпала с мтДНК Александры Федоровны и ее детей, а также потомков по материнской линии королевы Виктории. Следующий сюжет рассказывает, как генетики опровергли нечеловеческую природу живущей в горах женщины из абхазских легенд; мтДНК из ее черепа оказалась принадлежащей человеку (не йети!) и характерной для африканских популяций.

Андрей Манахов рассказал, что сейчас исследователи активно работают над изучением генома Ивана Грозного — последнего из Рюриковичей. Задача состоит в том, чтобы получить гаплотип его Y-хромосомы и ответить на вопрос о скандинавском происхождении Рюрика. Другое интересное исследование — из Института неврологии передали образцы срезов мозга В.И. Ленина. Специалисты работают над медико-генетическим анализом: они хотят понять, была ли у Ленина мутация, вызывающая повышенную кальцинацию сосудов, что могло стать причиной его смерти от инсульта.

Продолжается история с идентификацией останков Романовых. В 2017 году была проведена повторная генетическая экспертиза останков. Были получены образцы от родственников по мужской линии — это Александр III, а для Александра II удалось получить образцы из Эрмитажа (бушлат и шинель, сохранившие остатки крови после покушения). Сравнение по Y-хромосоме этих образцов с образцами Николая II и царевича Алексея показало, что у всех четырех представителей мужской линии Y-хромосома абсолютно идентична. Такие же гаплотипы были обнаружены у ныне живущих родственников, ведущих свое происхождение от Николая I. Аналогичный анализ был проведен по мтДНК для Александры Федоровны, ее детей и прямых потомков королевы Виктории по женской линии, получены идентичные гаплотипы мтДНК.

Еще одна история, связанная с Романовыми — ученые проследили природу наследственной болезни крови. В древних образцах они проанализировали два гена, связанные развитием гемофилии, и нашли мутацию в гене фактора свертываемости крови 9, которая приводит к гемофилии В. У царевича Алексея эта мутация была найдена в гемизиготном состоянии, такая же мутация в гетерозиготном состоянии была у его матери и у его сестры Анастасии – это линия материнской наследственности, ведущая от королевы Виктории. Ученые провели функциональный анализ данной мутации — она расположена в интронной последовательности — клонировали ее в плазмиду и выяснили, что эта мутация влияет на сплайсинг, что приводит к дефектному белку.

Перейдя к исследованию происхождения народов и культур, Андрей Манахов сформулировал его цель как характеристику населения Русской равнины в различные исторические эпохи. За несколько лет специалистам удалось проанализировать более 600 древних образцов. Обзор результатов по эпохам ученый начал с исследования неандертальцев из Мезмайской пещеры Краснодарского края. Удалось исследовать мтДНК и ядерный геном из зуба неандертальской девочки возрастом примерно 70 тысяч лет. Сравнив его с другими последовательностями, ученые предложили систематику неандертальцев на основе мтДНК. Они показали, что изученный образец принадлежит к наиболее древней группе неандертальцев, которая исчезла около 70 тыс лет назад, а другой ранее изученный неандерталец из Мезмайской пещеры, возрастом примерно 40 тыс лет, отстоит от него далеко. Таким образом, неандертальцы жили в этой пещере долго, заселяли ее несколько раз. Интересно, что в этом образце, так же как и у других изученных неандертальцев, обнаружена фиксированная мутация в гене 12S субъединицы рибосомальной РНК, которая связана с семейными случаями глухоты, обусловленной приемом аминогликозидных антибиотиков (глухота может возникнуть как побочный эффект от приема этих антибиотиков у носителей данной мутации). Неандертальцы, конечно, не принимали антибиотики, по, по-видимому, ели грибы.

Продвигаясь дальше по лестнице времени, Андрей Манахов перешел к Homosapiens, охотникам-собирателям, жившим в Евразии в районе 45 тыс лет назад. Многие из ветвей людей нашего вида того времени вымерли и не оставили потомков в современном человечестве, другие ветви сохранились и дали начало популяциям Западной Евразии и Восточной Азии. Анализ образцов эпохи мезолите/неолита, обнаруженных на на территории Русской равнины, показал, что на протяжении нескольких тысяч лет данную территорию населяли люди, генетически близкие к группе восточноевропейских охотников-собирателей.

Пролистнув несколько тысячелетий, исследователи обратились к периоду железного века (примерно VII век до н.э.) и скифской культуре, распространенной на обширной территории Евразии, как в азиатской части, так и в европейской, и связанные общей культурой. Исследователи изучили более 130 геномов скифов разных периодов. Оказалось, что скифы Причерноморья на графике главных компонент образуют плотный кластер, они значительно отличаются от азиатских скифов. Никакой из современных европейских народов не находится так близко к скифам генетически, чтобы считаться их потомками. Вместе с тем большее число общих аллелей скифы имеют с западноевропейскими и балтийскими народами, чем с южными и азиатскими. мтДНК, характерная для скифов, встречается в современных популяциях Польши и Дании, а Y-хромосома — как на севере, так и на юге.

Следующий по времени период исследований относится к представителям древнерусской общности и помогает понять, кем же были славяне. Ученые секвенировали более 100 геномов с древнерусской территории (X-XIV вв). Результаты показали, что северные образцы генетически связаны с финно-угорскими племенами, а образцы с центральных и южных территорий образуют три кластера: основной и два дополнительных, один тяготеет к балтам, другой — к южноевропейским популяциям. В поисках ответа на вопрос о влиянии варягов на древнерусское общество они сравнили эти геномы с геномами викингов. Оказалось, что последние частично пересекаются со славянским кластером, но масштабного вклада викингов в славянские популяции не наблюдается. Это влияние прослеживается на уровне отдельных индивидов — так, в женском погребении из кургана вятичей образец показал сходство с образцом викинга из датского клана. Наконец, при реконструкции внешности по древнерусским геномам получено преимущество более светловолосых и голубоглазых индивидов в северной популяции, что ожидаемо.

В заключение Андрей Манахов рассказал несколько сюжетов, когда генетикам удалось разобраться в загадках, полученных от археологов. Первый связан с исследованием ранних славян (образцов мало из-за обычая трупосожжения), когда один индивид (VII-VIII вв) обнаружил полное совпадение по мтДНК с королем Венгрии Белой III, который правил в XII веке. Обнаружена и историческая связка между этими индивидами, которая объясняет генетическое сходство. Другая история — «юноша с хорьком» из могильника XII века в Вологодской области. Генетики проанализировали геном хорька, который явно был домашним животным, и показали его сходство с лесными хорьками, значит, он был пойман в лесу и одомашнен. Последний сюжет — исследование мужчины из домонгольского захоронения в Ярославле. По характерным сапогам археологи предполагали его монгольское происхождение, но генетики показали, что его мтДНК типична для славян, а предполагаемая внешность — светлые волосы и голубые глаза. Более глубокий антропологический анализ останков показал, что, скорее всего, он был ярославским кузнецом.

Данные о правообладателе фото и видеоматериалов взяты с сайта «PCR.news», подробнее в Правилах сервиса
Анализ
×
Манахов Андрей
Лукина Мария
Рогаев Евгений
Грозный Иван
ИА РАН
Сфера деятельности:Образование и наука
2
РСА
Сфера деятельности:Страхование
26
Технический университет
Компании