Table of Contents

Введение

Идея о том, что неандертальцы и ранние современные люди не только сосуществовали, но и скрещивались, изменила наше понимание эволюции человека. В течение десятилетий палеоантропологи спорили о том, были ли эти две группы отдельными видами, неспособными производить плодородное потомство. Восстановление высококачественной древней ДНК из окаменелостей неандертальцев и последующее секвенирование генома неандертальца дало окончательный ответ: произошло скрещивание, и его генетическая подпись сохраняется в геномах миллиардов людей сегодня. В этой статье рассматриваются надежные генетические доказательства этой доисторической примеси, исследуется, как ДНК неандертальцев влияет на современные человеческие черты, и рассматриваются последствия для эволюционной истории нашего вида.

Генетические доказательства неандертальской смеси

Секвенирование генома неандертальца

Первый черновик генома неандертальца, опубликованный в 2010 году Институтом эволюционной антропологии Макса Планка, стал вехой в исследовании древней ДНК. Выделив ДНК из костей, обнаруженных в пещере Виндия в Хорватии, исследователи собрали эталонный геном, который можно было сравнить непосредственно с современными людьми. Это первоначальное исследование показало, что неандертальцы имели больше генетических вариантов с неафриканскими популяциями, чем с африканцами, образец, лучше всего объясненный древним потоком генов. Последующие улучшения в технологии секвенирования, включая использование одноцепочечной библиотечной подготовки и более строгий контроль загрязнения, позволили создать геном неандертальца высокого покрытия из носоглоточной кости, найденной в Денисовой пещере, Сибирь. Этот высококачественный геном уточнил оценки примеси и подтвердил, что скрещивание было широко распространено по всей Евразии.

Выявление ДНК неандертальцев в современных геномах

Сравнительная геномика была краеугольным камнем исследований примесей. Ученые используют статистические методы для обнаружения сегментов ДНК в современных геномах человека, которые больше похожи на неандертальскую ссылку, чем на ссылку шимпанзе, с отрывом, который не может быть объяснен родовым полиморфизмом. Эти сегменты, известные как интрогрессированные гаплотипы, обычно охватывают от десятков до сотен тысяч базовых пар. Исследования в масштабах всей популяции показывают, что неафриканские люди несут около 1-4% неандертальской ДНК, причем восточноазиатские популяции часто демонстрируют несколько более высокие пропорции, чем европейцы. Эта разница может отражать дополнительные события примеси или узкие места популяции во время миграции из Африки, которые дифференциально влияют на пропорции предков.

Время и география скрещивания

Анализируя длину интрогрессированных сегментов неандертальцев и моделируя их распад в течение поколений, исследователи оценивают, что первичные события скрещивания произошли примерно 45 000 - 65 000 лет назад, вскоре после того, как современные люди расширились за пределы Африки. Это время согласуется с археологическими доказательствами перекрытия жилья в Леванте и Европе. Некоторые исследования предполагают, что могли быть множественные импульсы потока генов, с более ранними встречами на Ближнем Востоке и более поздними эпизодами в Европе или Центральной Азии. Географическое распределение неандертальской родословной в современных популяциях поддерживает модель ограниченной начальной примеси, за которой следуют расширения диапазона, которые распространяют эти оценки времени. см. Санкарараман и др. (2014) в природе .

Наследие ДНК неандертальцев у современных людей

Иммунная система и восприимчивость к болезням

Одна из наиболее функционально эффективных категорий ДНК, интрогрессирующей неандертальцами, включает иммунную систему. Несколько аллелей, унаследованных от неандертальцев, влияют на экспрессию толл-подобных рецепторов (TLR), цитокинов и других компонентов врожденного иммунитета. Например, варианты, полученные из неандертальцев, в кластере генов TLR1-TLR6-TLR10, связаны с измененными реакциями на бактериальные и грибковые патогены. Эти варианты обнаруживаются на высоких частотах в неафриканских популяциях, что предполагает, что скрещивание обеспечивает кратчайший путь для адаптации к новым патогенам, встречающимся во время миграции из Африки. Однако не все неандертальские иммунные аллели полезны; некоторые способствуют повышенному риску аутоиммунных заболеваний, таких как волчанка и болезнь Крона. Полный каталог таких ассоциаций представлен в Dannemann et al. (2016).

Кожа, волосы и пигментация

Гены неандертальцев также оставили свой след на видимых физических признаках, особенно тех, которые связаны с пигментацией кожи и текстурой волос. Варианты в гене MC1R, которые, как известно, влияют на рыжие волосы и светлую кожу у европейцев, были связаны с интрогрессией неандертальцев. Исследования также выявили аллели, полученные из неандертальцев, которые влияют на толщину волос и направление шерсти волос на голове. Эти черты, вероятно, обеспечивали адаптивные преимущества, поскольку современные люди колонизировали более высокие широты с более низким УФ-облучением. Включая варианты неандертальцев, ранние современные люди могли быстрее развить более светлую кожу, которая облегчала синтез витамина D в регионах с меньшим количеством солнечного света. Селективное преимущество этих аллелей пигментации кожи поддерживается их высокой частотой в евразийских популяциях сегодня.

Влияние на метаболизм и другие физиологические особенности

Помимо иммунитета и пигментации, ДНК неандертальца влияет на широкий спектр физиологических процессов. Варианты, связанные с метаболизмом холестерина, обработкой жира и даже коагуляцией крови, свидетельствуют о происхождении неандертальцев. Некоторые из них могли быть полезны в холодных средах или в периоды нехватки пищи. Например, аллели, полученные из неандертальцев, в генных семьях и FADS связаны с различиями в хранении липидов и метаболизме жирных кислот. Однако те же аллели могут также предрасполагать людей к метаболическим расстройствам, таким как диабет 2 типа и гипертриглицеридемия. Эта двойная природа — полезна в родовых средах, но потенциально вредна в современных условиях — является повторяющейся темой в исследованиях архаической интрогрессии.

Различия в популяции у неандертальцев

Неафриканское население

Неандертальская родословная не равномерно распределена по всем неафриканским популяциям. Восточные азиаты несут в среднем примерно на 15-30% больше ДНК неандертальцев, чем европейцы. Несколько гипотез объясняют эту разницу: дополнительные события примеси в Азии, различия в очистительном отборе, которые более эффективно удаляли вредные архаичные аллели у европейских предков, или скрещивание с популяцией, у которой уже была неандертальская родословная. Исследование, моделирующее эти сценарии, показало, что вторая, более поздняя волна генного потока неандертальцев в предков Восточной Азии лучше всего соответствует данным. Эта сложность подчеркивает необходимость анализа популяций, чтобы полностью понять наследие скрещивания.

Случай Восточной Азии и Европы

Помимо общей пропорции, специфические гаплотипы неандертальцев, присутствующие в Восточной Азии и Европе, различаются. Некоторые гаплотипы разделяются по обеим группам, указывая на событие примеси предков, которое предшествовало расхождению современных евразийских популяций. Другие являются исключительными для одной группы, отражая локализованную примесь после расхождения популяций. Например, варианты, влияющие на производство кератина, более распространены у европейцев, в то время как аллели, связанные с метаболизмом, обогащаются у восточноазиатских народов. Эти различия предполагают, что естественный отбор действовал на интрогрессированную ДНК специфическими для популяции способами, адаптируя каждую группу к ее конкретной среде. Информативный взгляд на эти модели можно найти в Вернот и др. (2016).

Африканская аномалия

На протяжении десятилетий предполагалось, что африканские популяции к югу от Сахары не несут ДНК неандертальцев, потому что неандертальцы никогда не жили в Африке. Однако недавние исследования с использованием улучшенного секвенирования и статистических методов обнаружили небольшие следы — обычно менее 0,5% — неандертальцев в некоторых африканских геномах. Это лучше всего объясняется обратной миграцией: европейские или ближневосточные популяции, которые несли ДНК неандертальцев, переехали в Африку и скрещивались с местными группами. Альтернативно, некоторые древние африканские популяции могли взаимодействовать с ныне вымершим архаическим гоминидом, который был тесно связан с неандертальцами. Хотя количество неандертальцев мало, его присутствие подчеркивает сложность миграции и примеси человека даже на континенте.

Адаптивная интрогрессия: почему некоторые гены неандертальцев сохранились

Положительный отбор

Не все интрогрессированные неандертальской ДНК нейтральны или вредны. Многие исследования выявили регионы, где неандертальские последовательности росли на высокой частоте быстрее, чем ожидалось, только в результате дрейфа, признак положительного отбора. Классические примеры включают ген EPAS1, который придает адаптацию к высотной гипоксии у тибетцев, и ген STAT2, участвующий в противовирусном иммунитете. Интересно, что вариант EPAS1, по-видимому, был унаследован от денисовцев, а не от неандертальцев, но принцип сохраняется. Для неандертальцев-специфической адаптивной интрогрессии, иммунные гены TLR1-TLR10, упомянутые ранее, обеспечивают сильный случай. Быстрое распространение этих аллелей предполагает, что скрещивание

Балансировка выбора

В некоторых случаях, ДНК неандертальцев, возможно, поддерживалась путем балансирования отбора, где как архаичные, так и современные человеческие аллели сохраняются, потому что гетерозигота обладает преимуществом в фитнесе. Например, варианты в генной области HLA показывают доказательства долгосрочного балансирующего отбора, который предшествовал разделению неандертальцев и современных людей. Скрещивание ввело дополнительное разнообразие в эту систему, что, возможно, помогло современным человеческим популяциям бороться с более широким спектром инфекционных заболеваний. Поддержание разнообразных гаплотипов HLA хорошо известно, что выгодно для иммунитета на уровне популяции, и архаическая примесь, по-видимому, способствовала этому разнообразию у евразийцев.

Проблемы и ограничения в анализе ДНК древних людей

Загрязнение и деградация

Древняя ДНК обычно фрагментирована, химически повреждена и часто загрязнена ДНК современных людей и микробов. Исследователи должны использовать строгие протоколы для аутентификации последовательностей, включая оценку моделей повреждений, характерных для древней ДНК по сравнению с современной. Даже с этими элементами контроля загрязнение может вводить артефакты, которые имитируют архаичную родословную. Например, ранние исследования иногда переоценивали неандертальскую родословную из-за необнаруженного загрязнения. Современные практики, такие как секвенирование нескольких библиотек из одного и того же образца и использование выделенных чистых помещений, значительно улучшили точность, но не могут устранить все неопределенности.

Выявление интрогрессированных гаплотипов

Отличить подлинные интрогрессивные сегменты неандертальцев от предковых последовательностей, которые были сохранены от общего предка, статистически сложно. Методы основаны на том факте, что неандертальцы и современные люди разошлись примерно 550 000 лет назад, поэтому общие последовательности, которые слишком похожи на геном неандертальцев, вероятно, связаны с недавней интрогрессией, а не с общей родословной. Однако неполная сортировка линии - где древние полиморфизмы сохраняются через видообразование - может создавать ложные срабатывания. Продвинутые модели популяционной генетики, которые включают карты рекомбинации, демографическую историю и отбор, помогают отделить эти сигналы, но некоторая двусмысленность остается. Поле продолжает совершенствовать свой инструментарий, включая подходы машинного обучения, которые классифицируют интрогрессивные области с более высокой точностью.

За пределами генетики: культурные и поведенческие взаимодействия

Перевернуть технологии инструментов

Генетические свидетельства скрещивания дополняются археологическими находками, которые предполагают культурный обмен. В Леванте средние палеолитические отрасли, такие как мустерианская (связанная с неандертальцами) и ранняя верхняя палеолита (связанная с современными людьми), показывают технологическое сходство, включая производство лезвий и точек. Некоторые места в Европе также показывают сдвиг в неандертальских инструментариях к более стандартизированным, тонко сделанным каменным инструментам, которые могли быть под влиянием контакта с современными людьми. Хотя прямые доказательства передачи знаний трудно доказать, перекрытие в материальной культуре поддерживает сценарий повторных взаимодействий и степень культурного обмена.

Социальная динамика и обмен

Социальная динамика между неандертальцами и современными людьми остается спекулятивной, но необходимой для понимания примеси. Скрещивание, вероятно, происходило в контекстах, начиная от насильственных столкновений до кооперативных обменов. Скелетные свидетельства гибридных особей редки, но подстрекательны; примечательным примером является особь Оазиса 1 из Румынии, которая жила примерно 40 000 лет назад и перенесла предка неандертальца всего четыре-шесть поколений назад. Это указывает на то, что примеси не были единовременным событием, но происходили несколько раз в разных регионах. Социальные структуры, которые позволяли такие союзы - будь то в рамках брачных сетей или в качестве спорадических похищений - все еще обсуждаются. Генетические доказательства сами по себе не могут решить эти вопросы, но это указывает на то, что репродуктивные барьеры были проницаемыми.

Будущие направления и открытые вопросы

Древние геномы других гомининов

Помимо неандертальцев, древние геномы денисовцев и даже более ранних гомининов, таких как «Человек-дракон» (Homo longi), расширяют наш взгляд на человеческую примесь. Сравнение этих геномов показывает, что события скрещивания были распространены на протяжении всей эволюции человека, а не только между неандертальцами и современными людьми. Будущая работа будет пытаться восстановить полную сеть примесей, включая возможность потока генов от неандертальцев в денисовцев и наоборот. Геномы с высоким покрытием из большего количества популяций и периодов времени будут оттачивать эти оценки.

Роль денисовцев

Денисовцы почти полностью известны по их ДНК, извлеченной из кости пальца в Сибири. Они скрещивались с предками меланезийцев, аборигенов Австралии и некоторых популяций Юго-Восточной Азии, внося до 4-6% их геномов. Есть также свидетельства Денисовской примеси у восточноазиатских и южноазиатских народов, хотя и на более низких уровнях. Перекрытие между неандертальцами и денисовцами в некоторых популяциях повышает соблазнительную возможность косвенного потока генов — например, современные люди могли бы приобрести ДНК неандертальцев, которая ранее проникла в денисовцев. Разгадка этих трехсторонних взаимодействий потребует более богатых геномных данных из Океании и Юго-Восточной Азии.

Функциональные исследования с использованием моделей стволовых клеток

Чтобы понять биологические последствия конкретных интрогрессированных аллелей, исследователи начинают использовать модели in vitro, такие как индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC), несущие последовательности ДНК неандертальцев. Дифференцируя эти клетки на нейроны, клетки кожи или иммунные клетки, ученые могут наблюдать, как архаичные аллели влияют на клеточные процессы. Этот подход уже продемонстрировал, что варианты, полученные из неандертальцев в ]NOVA1 , влияют на развитие нейронов, и что те, в TLR8 , изменяют иммунные ответы. Будущие функциональные исследования будут иметь решающее значение для выхода за рамки статистических корреляций к причинному пониманию того, как наша неандертальская родословная формирует человеческую биологию.

Заключение

Генетические доказательства скрещивания между неандертальцами и современными людьми в настоящее время подавляют. От секвенирования древних геномов до обнаружения интрогрессированных гаплотипов и их функциональных эффектов данные рисуют картину повторяющейся, широко распространенной примеси, которая оставила неизгладимый отпечаток на человечество. Неандертальская ДНК продолжает влиять на иммунную функцию, пигментацию, метаболизм и риск заболевания у миллиардов людей сегодня. Тем не менее, остается много вопросов - о точном времени, социальном контексте и взаимодействии с другими архаичными гоминидами. По мере того, как древняя технология ДНК продвигается и расширяется до новых периодов времени и популяций, мы можем ожидать дальнейших открытий, которые углубят наше понимание этой сложной и ключевой главы в эволюции человека. Древние встречи между этими двумя человеческими формами, разделенными сотнями тысяч лет, все еще формируют нашу биологию способами, которые мы только начинаем раскрывать.