Как происхождение человека отразилось в генах

Недавно видеоролик The DNA Journey датской компании Momondo показал, какой эффект могут произвести на людей результаты генетического тестирования на определение состава популяций. В прямом эфире людям объявляли, что они далеко не такие чистокровные, как им казалось — а дальше эмоции, слёзы и авиабилеты на историческую родину. Такой анализ можно провести не только в Европе и Америке. Российский генетический тест «Атлас» способен определить происхождение, популяционный состав и процент неандертальских генов. За всеми этими исследованиями стоит интересная история, которую мы сегодня вкратце расскажем.

Ликбез по наследованию генетической информации

Чтобы разобраться в вопросе, нужно понимать, как в принципе устроено наследование генетической информации.

У каждого человека 22 пары так называемых аутосомных хромосом и она пара половых — XX или XY. При обычном делении клетки этот набор удваивается и затем расходится по двум клеткам, каждая из которых получает по точной копии. Внутри одного организма все эти экземпляры практически идентичны. Поэтому генетический тест можно провести по слюне, крови, луковице волоса, соскобу слизистой оболочки щеки и т.д.

При размножении организмов процедура усложняется: каждая пара хромосом удваивается, а потом рабочие копии дополнительно обмениваются аналогичными участками генома. Теперь какую бы хромосому ни унаследовал новый организм, она не окажется чисто «бабушкиной» или «дедушкиной». Этот процесс называется «кроссинговер»: он нужен для того, чтобы сделать геном более разнообразным. Затем один полный набор хромосом материнского организма встречается с набором из мужского организма, и создается новый геном.

При этом не весь генетический материал подвергается кроссинговеру — некоторые элементы передаются в дочерний организм неизменными. Это митохондриальная ДНК (мтДНК), которая передается от материнского организма всем детям, и Y- хромосома, которая наследуется по мужской линии, строго от отца к сыну.

Здесь заложена база для палеогенетики: зная скорость мутации, ученые могут вычислить, как далеко друг от друга отстоят современные люди и их предки. И начинается самое интересное.

Митохондриальная Ева и Y-хромосомный Адам

Теперь мы видим, что два элемента наследуются изолированно друг от друга: мтДНК передается по женской линии, а Y-хромосома передается от отца к сыну и никак иначе. Зная последовательность этих участков генома и скорость возникновения мутаций, ученые вычислили датировку обитания общих предков человечества.

Женщину назвали Митохондриальной Евой. По последним данным он жила около 200-100 тысяч лет назад. Мужчина — Y-хромосомный Адам — вероятно жил в интервале от 450 до 50 тысяч лет назад. Эти двое не были единственными родоначальниками человечества, просто их братья и сёстры не оставили потомков по прямой (отцовской или материнской) линии, но внесли свой вклад в историю человечества по-другому. Они обогатили ядерный геном — генетическую информацию, которая хранится в аутосомных и X-хромосомах и составляет 99% нашего генома.

При этом Y-хромосомный Адам мог быть потомком других митохондриальных матерей, генеалогические линии которых были прерваны.
Также и современные женщины не все обязательно будут дочерьми этого Y-хромосомного Адама: их далекими предками по отцовской линии могли быть другие Y-хромосомные отцы.

Гаплогруппы

Исследования генеалогии мтДНК и Y-хромосомы привели к построению генеалогического дерева, разные ветви которого называются гаплогруппы. Членов одной гаплогруппы объединяет общий предок и одна общая хромосома. По мере открытия гаплогрупп (определения уникальных маркеров) ученые давали им имена из букв: A, B, C и так далее. Правда, через какое-то время выяснилось, что более древние гаплогруппы были открыты позднее, и стройная нумерация была нарушена.

Гаплогруппы не несут эволюционных преимуществ друг перед другом: они определяются на основании нейтральных мутаций, которые, однако, вносят свой коэффициент в вероятность развития некоторых болезней.
Наибольшее разнообразие гаплогрупп наблюдается в Африке, так как население остальной части земного шара является потомками тех немногочисленных выживших сапиенсов, которые покинули Африку и смогли выжить на новом месте (эффект бутылочного горлышка).

С точки зрения генетического тестирования есть два метода определения гаплогруппы: по STR и SNP.

STR (short tandem repeat) — короткие тандемные повторы, которые находятся в разных локусах (местах) генома и связаны с гаплотипом. Тестирование определяет число повторов нескольких нуклеотидов (например, TAT) в значимых для исследования участках ДНК. По результатам составляется «карта» количества повторов. Результаты используются не только для определения гаплогруппы, но и для установления отцовства.

SNP (single-nucleotide polymorphism) или снипы — однонуклеотидные мутации. Исследование находит точечные полиморфизмы и в зависимости от того, какая буква записана в конкретной позиции, определяет гаплогруппу. Чем больше снипов на чипе отведено под определение гаплогруппы, тем выше детализация.
В генетическом тесте «Атлас» непосредственно на чипе отведено по 1000 позиций на определение материнской и отцовской линии. Мы специально включили снипы для определения гаплогрупп, характерных для российской и европейской популяций. Африканские и азиатские гаплогруппы будут определяться с меньшей детализацией).

Популяционный состав

Этническая и национальная принадлежность — понятия, неприменимые в биологии. Поэтому генетики используют понятие «популяция» — «совокупность организмов одного вида, длительное время обитающих на одной территории (занимающих определённый ареал) и частично или полностью изолированных от особей других таких же групп». Как вы понимаете, в случае с современным человечеством о полной изоляции речь не идёт.

Для определения популяционного состава используют алгоритм, который анализирует и кластеризует образцы геномов разных жителей планеты. У каждого кластера есть характерный набор мутаций (SNP-маркер). Затем ученые соотносят кластеры с данными об участниках исследования и раздают названия популяций. Полученные маркеры используются для определения популяционного состава в других генетических тестах (и для подготовки рекламных роликов).

Для определения популяционной принадлежность по маркерам тоже существуют разные алгоритмы. В «Атласе» мы используем ADMIXTURE. Этот алгоритм основан на компонентном анализе генотипа пользователя. Мы применяем машинное обучение: сначала обучаем алгоритм на данных последних исследований народов всего мира, а потом высчитываем популяционный состав участников теста. Во время обучения алгоритм определяет, сколько популяций (компонент) можно выделить на основе тех данных, которые мы внесли. После обучения алгоритм разделяет сэмпл каждого пользователя по компонентам, которые он вычислил в процессе обучения.

Сейчас в генетическом тесте «Атлас» определяется 11 популяций. Среди них есть вполне обычные — Северная Европа, Средиземноморье, Юго-Восточная Азия, Индия, Средний Восток, Африка, Кавказ. А есть популяции, которые определяет только наш тест: Камчатка, Эксимосы, Юкагиры, Западная Сибирь.

Неандертальцы

Долгое время бытовала теория, согласно которой неандертальцы — прямые предки современного человека. Но новейшие открытия и достижения генетики говорят в пользу другой теории: мы не прямые потомки неандертальцев, а скорее их внучатые племянники.
Неандертальцы жили около 250–40 тысяч лет назад на территории современной Европы. Они были хорошо приспособлены к холодному климату: коренастые, невысокого роста неандертальцы были сложены для того, чтобы максимально сохранять тепло. Объем их мозга сравним с нашим. Неандертальцы охотились на крупных животных, заботились о стариках, хоронили умерших и даже оставили в наследство человечеству две уникальные культуры (мустье и микок).

Всё шло хорошо, пока 40 тысяч лет назад неандертальцы не начали вымирать, а территории их обитания — заселяться кроманьонцами (прямыми предками современного человека). Есть несколько теорий, которые объясняют такие изменения: быстрые и резкие изменения климата с одном стороны и конкуренция с более успешными кроманьонцами с другой.

Долгое время археологические находки не могли дать однозначного ответа на вопрос, что же произошло, и как разные виды — кроманьонцы и неандертальцы — взаимодействовали друг с другом после встречи. На помощь антропологами пришли палеогенетики.

В 1997 году был открыт Институт эволюционной антропологии Общества Макса Планка (Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology). Под руководством шведского биолога Свенте Паабо ученые прочли мтДНК неандертальца и пришли к выводу, что она сильно отличается от человеческой. На этом основании Свенте Паабо сделал предположение, что неандертальцы и люди разделились около 500 тысяч лет назад и после этого развивались изолированно.

Тем не менее, работа была продолжена. В 2006 году начал свою работу проект по секвенированию генома неандертальцев (Neanderthal genome project). И уже в 2010 был опубликован черновик древнего генома. Сейчас геном неандертальца полностью восстановлен. Полученные данные сравнили с геномом современного человека (именно с «человеческой» его частью, без учета тех общих мест, которые совпадают у человека и других животных).

Результаты сравнительного анализа показали, что в современном геноме сохраняется от 1% до 4% генов неандертальцев (в среднем около 2,5%). Неандертальские гены в равной степени встречается у всех людей, кроме африканцев — смешение произошло после того, как Homo sapiens покинул пределы Африки (в очередной раз).

Если вам интересно, какая у вас гаплогруппа, кто из великих людей вам родственник и сколько в вашем недавнем прошлом было юкагиров – добро пожаловать в Атлас. Для внимательных и терпеливых читателей скидка 10% на генетический тест по промокоду IAMSAPIENS (действует до 1 августа).