Гены древних “заговорили”

Хорошо известно, что прогресс в науке в значительной степени зависит от новых методологических идей, концепций, подходов. При этом отдельные конкретные методы исследования обычно являются “инструментами” в добывании знаний, которые создают почву для качественно новых решений той или иной научной проблемы. Видимо, эта истина справедлива лишь отчасти. Например, полимеразная цепная реакция (ПЦР) – уникальный метод современной молекулярной биологии – способствовал не только значительному прогрессу в изучении ДНК, но и появлению новой научной дисциплины – молекулярной археологии, или палеогенетики.

Сочетание молекулярной генетики и археологии, на первый взгляд, выглядит необычным. И тем не менее сегодня археологический (палеонтологический) материал из немого свидетеля прошедших событий превращается в уникальный источник генетической информации. Это стало возможным благодаря ПЦР – удивительно простому методу получения любого числа копий (амплификации) любых фрагментов ДНК. В 1993 г. американскому химику К.Муллису, создателю ПЦР, была присуждена Нобелевская премия по химии. При использовании ПЦР материалом для исследований может служить ничтожно малое (вплоть до одной клетки) количество биологического материала: волосяная луковица, капля крови, кусочек ногтя, шкуры, кости и т.п. (В кости “следы” ДНК, вероятно, могут сохраняться, пока она полностью не минерализуется.)

По мнению С.Паабо, одного из первых исследователей древней ДНК, она начинает деградировать через несколько часов после смерти организма, распадаясь на фрагменты длиной 100–200 пар нуклеотидов. Поскольку вода способствует разрушению фрагментов ДНК, они лучше сохраняются в тех тканях, которые быстрее высыхают (кожа конечностей, ногти). Предполагают, что ДНК клетки полностью разрушается примерно за 50 тыс. лет просто под воздействием воды и кислорода. К настоящему времени самые древние образцы ДНК получены из останков насекомых, заключенных в янтаре. Возраст древнейших из них составляет 40 млн лет.



Схема “прыгающей” полимеразной цепной реакции (ПЦР). Вначале два праймера – А и В – присоединяются к 3'-концам неповрежденных участков древней ДНК и достраиваются до мест повреждения (обозначены ромбиками) с помощью фермента ДНК-полимеразы. Затем эти удлинившиеся праймеры прикрепляются к другим участкам ДНК и также достраиваются. В конечной фазе после многих циклов ПЦР праймеры становятся столь протяженными, что их 3'-концы перекрываются и образуется молекула желаемой длины, которая, в свою очередь, может служить матрицей в последующих циклах ПЦР (по: Раabо S. et al. J. of Biochemistry. 1989. V. 194. № 17. P. 9711).

Применение одной из модификаций ПЦР возможно и для “размножения” уже сильно фрагментированной ДНК. Олигонуклеотиды-праймеры первоначально прикрепляются к фрагментам древней ДНК, затем достраиваются (синтез идет на двух цепочках матрицы одновременно) до места ближайшего разрыва в цепи, образовавшиеся новые участки молекулы ДНК служат праймерами в следующем цикле ПЦР. Так постепенно достраивается фрагмент древней ДНК, заключенный между исходными олигонуклеотидами-праймерами. Такой тип ПЦР получил название “прыгающей” ПЦР, так как праймеры в процессе реакции все время удлиняются. Относительная простота, экономичность и высокая эффективность метода делают его незаменимым при изучении древних генов.

Использование ПЦР в исследованиях ДНК, выделенной из древнего биологического материала, открывает захватывающие перспективы. Получение копий фрагментов древних генов в неограниченном количестве позволяет исследовать их молекулярно-генетическими методами, например устанавливать нуклеотидную последовательность ДНК организмов, живших на Земле в незапамятные времена. Ранее молекулярные биологи могли изучать ДНК только современных видов. Теперь появилась возможность заглянуть в прошлое и сравнить его с настоящим, т.е. одновременно изучить полиморфизм ДНК древних и современных геномов человека, животных и растений.

Молекулярная археология, возникшая благодаря ПЦР, – это наука о молекулярной эволюции, или биологической истории биоразнообразия, наука, в которой на основе точной молекулярной идентификации изучаются эволюционные, систематические взаимоотношения видов, а также пути становления современного генетического разнообразия. Иначе говоря, решаются ключевые проблемы происхождения видов.

Молекулярная археология выступает в роли науки, осуществляющей синтез проблем из различных научных дисциплин (геологии, палеонтологии, археологии, истории), связанных не только с эволюцией жизни на Земле, но и с историей человечества. Изучение древней ДНК, вероятно, поможет прояснить, как шло заселение Америки или, скажем, острова Пасхи, установить прародину разных племен, потомки которых ныне живут в разных странах, и т.д.

Российские и английские генетики уже использовали методы молекулярной археологии для идентификации останков царской семьи Романовых. Методом ПЦР проведен сравнительный анализ ДНК костных останков из захоронения под Екатеринбургом. Пять из девяти скелетов, обнаруженных в июле 1991 г., были идентифицированы как останки членов царской семьи: царя, царицы и троих детей. Методом ПЦР проведено определение пола по специфическим фрагментам Х- и Y-хромосом. Анализ митохондриальной ДНК, наследуемой по материнской линии, выявил точное совпадение изученной последовательности ДНК у матери, ее дочерей и их ныне живущих родственников.

Мы знаем, что тысячелетия назад египтяне мумифицировали фараонов и помещали в гробницы мумии животных – кошек, собак, ибисов и т.д. Могли ли предполагать жители Египта, что эти мумии станут посланием в будущее с бесценной информацией о генофонде древних и что спустя много веков эта информация, записанная в нуклеотидной последовательности ДНК, будет прочитана?

В захоронениях людей верхнего палеолита находят пыльцу растений, которая сегодня также может быть изучена. Благодаря нашим далеким предкам мы можем расшифровать гены древних обитателей планеты; узнать, когда и каким образом возникла (или распространилась) та или иная болезнь; установить пути, по которым шло видообразование, а возможно, и воссоздать эволюционную цепочку, приведшую к формированию современных видов. Точная информация об этапах эволюции видов и пород животных в прошлом, в свою очередь, необходима для прогнозирования эволюции современных групп родственных видов и пород.

С появлением молекулярной археологии существенно меняется статус зоологических коллекций – они становятся своеобразными банками генетической информации для обширных научных исследований: изучения филогении, видовой диагностики, популяционных исследований коллекционного материала и сопоставления генетического разнообразия коллекционных выборок с разнообразием ныне существующих популяций. Для решения последней задачи особенно интересны популяции, недавно прошедшие через “бутылочное горлышко”, т.е. претерпевшие резкое сокращение численности, например красой панды, бизона, зубра.

Не случайно одни из первых молекулярно-биологических лабораторий по изучению древних ДНК созданы при крупнейших музеях мира, таких как Британский музей естественной истории, Смитсоновский институт в Вашингтоне, Американский музей естественной истории в Нью-Йорке.

Археологические памятники, например жертвенники скифов и других народов, где обнаружены многочисленные останки лошадей, коз, лосей, быков, свиней, помимо культурно-исторической ценности приобретают и биологическую значимость как хранилища уникального генетического материала.

Если бы удалось обнаружить сохранившуюся ДНК в еще более древних останках животных, например в костях скелетов динозавров, живших в мезозойскую эру! Но пока об этом остается только мечтать.

Каких же успехов достигла молекулярная археология? Впервые ДНК вымершего животного была выделена в 1984 г. из шкуры квагги (последние квагги, родственные современным зебрам, обитающим в Африке, были истреблены более 100 лет назад). Через год была клонирована ДНК из египетской мумии возрастом более 4400 лет. Спустя еще три года с помощью появившейся к тому времени ПЦР были получены многочисленные копии участков генов еще более древней митохондриальной ДНК из головного мозга человека, погибшего около 7 тыс. лет назад. Гены главного комплекса гистосовместимости, регулирующие работу иммунной системы, изучены в популяции уиндоверского человека начиная с останков возрастом в 7500 лет. Оказалось, что частотные характеристики генов в этой популяции людей сохранили относительное постоянство на протяжении тысячелетий. Таким образом, можно успешно изучать динамику частот генов в популяциях в течение интервалов времени, ранее не доступных популяционным генетикам.

На основе анализа генов митохондриальной ДНК из шести популяций музейных образцов шкур трех подвидов кенгуровой крысы, собранных за 78 лет, построены генетические деревья, позволившие уточнить генеалогические взаимоотношения подвидов. Сотрудники Санкт-Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова и Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН исследовали энтомологические коллекции двухточечной божьей коровки, собранные в течение 85–95 лет, и выделили ДНК, которую в дальнейшем можно использовать в ретроспективных популяционных исследованиях.

В настоящее время с помощью древних ДНК решаются конкретные биологические задачи. Так, по образцам ДНК саблезубого тигра был синтезирован фрагмент гена главного комплекса гистосовместимости (суперлокуса, присутствующего у всех позвоночных), а затем по нуклеотидной последовательности фрагмента определено систематическое положение этого исчезнувшего вида.

В некоторых редких случаях в древних растительных остатках ДНК сохраняется миллионы лет. Так, из зеленого листа магнолии, пролежавшего в иле 17 млн лет, уже выделена ДНК. Из хлоропласта листа растения Hymenaea protera, жившего 35–40 млн лет назад и попавшего в кусок янтаря, путем амплификации выделен ген, прочитана его нуклеотидная последовательность и на основании полученных данных построены филогенетические деревья, отражающие происхождение и родство древних и ныне существующих растений.

Извлечена ДНК насекомых, попавших в древесную смолу в третичный период. Оказалось, что ДНК “доисторического” термита несколько отличается от ДНК современного.

Изучена митохондриальная ДНК, выделенная из костей и мягких тканей четырех видов крупных нелетающих новозеландских птиц моа, вымерших около 1000 лет назад. Выяснилось, что эти птицы гораздо древнее ныне живущих нелетающих киви. Видимо, киви попали на острова значительно позже, чем моа, жившие там уже 80 млн лет назад, в момент отделения островов Новой Зеландии от материковой Австралии. Показано близкое родство киви с австралийскими эму. Возможно, в момент проникновения на острова киви еще могли летать.

Итак, гены древних животных и растений “заговорили”.

7–9 октября 1993 г. в Вашингтоне состоялась II Международная конференция по древней ДНК, собравшая около 170 исследователей, интересующихся проблемами реконструкции прошлого. Наибольшее внимание было привлечено к проблемам древних популяций человека, а также к возможности сохранения ДНК в течение миллионов лет.

Методами молекулярной археологии можно решать и современные задачи. В настоящее время чрезвычайно актуальны защита и сохранение популяций диких животных. В связи с этим в США создана генетическая лаборатория, где, используя метод ПЦР, раскрывают преступления, связанные с уничтожением диких животных. Специалисты проводят генетическую идентификацию останков животного с места охоты или чучела (либо другого охотничьего трофея), обнаруженного в какой-либо частной коллекции. Тем самым доказывается или опровергается причастность владельца трофея к варварской акции, проведенной порой на другом континенте.

Методические трудности в молекулярной археологии в первую очередь связаны с выделением образцов ДНК, так как далеко не из любых, даже и хорошо сохранившихся, останков можно получить ДНК. Например, в останках древних людей, обнаруживаемых в торфяных болотах, ДНК уже полностью разрушена под действием дубильных веществ. Мало надежды на выделение ДНК и из образцов, которые подвергались термической или химической обработке, т.к. в них ДНК распадается на отдельные нуклеотиды. Велика также вероятность загрязнения древних образцов современной ДНК в процессе исследования. Особенно трудно работать с древней ДНК человека, так как все, кто прикасается к древним останкам, могут оставить на них следы своей собственной ДНК. Она-то и будет копироваться в ПЦР! Гораздо меньше вероятность загрязнения древней ДНК растений и животных. К сожалению, пока изучены лишь небольшие участки генома древних организмов.

“Человек разучился правильно обходиться с живой природой”, – говорил К.Лоренц, имея в виду современного человека. Но невежество по отношению к природе Homo sapiens проявлял, к сожалению, со дня своего появления. Многие виды животных исчезли еще в ледниковый период: пещерный медведь, гигантский олень, бобер, ленивец, шерстистый носорог и т.д. Предполагается, что они вымерли не в результате неблагоприятных климатических условий, а из-за варварской охоты. Останки многих вымерших животных сохранились на Земле, и сегодня у нас появился шанс спасти фрагменты геномов исчезнувших видов.

Пока кажется фантазией идея о возможности реконструкции древних генов вымерших животных, например тура. Еще большей фантазией выглядит предположение о том, что можно возвратить природе вымершие виды – ведь древняя ДНК сильно фрагментирована и собрать все гены исчезнувшего организма практически невозможно. Кроме того, мы не знаем порядок их расположения в хромосомах, не умеем воссоздавать клетки животных и получать из них живые организмы.


Мамонтенок Дима, пролежавший в вечной мерзлоте более 40 тыс. лет,
найден в 1977 г. в Магаданской области. Он стал первым экземпляром,
ДНК из которого выделена и изучена молекулярными биологами


На наш взгляд, уже сейчас достаточно реально создание банков с фрагментами реликтовых ДНК. Используя эти древние гены, можно отчасти опровергнуть тезис о необратимом ходе эволюции: древние гены как резервуар генетической изменчивости могли бы послужить восстановлению видов, исчезнувших уже в историческое время; восполнить утраченное генетическое разнообразие видов, находящихся сейчас на грани исчезновения и занесенных в разного рода Красные книги; сбалансировать совокупность древних и современных генов при выведении новых пород домашних животных.

Молекулярная археология – совсем молодая наука. Предстоит еще очень многое сделать, но мы уверены – ее ждет блестящее будущее.

Другие записи

10.06.2016. Неокатастрофизм (Тяжелые камни эволюции)
В течение последних шестисот миллионов лет произошло около двух тысяч столкновений Земли с астероидами. А на поверхности нашей планеты обнаружено около ста пятидесяти следов этих ударов. Площадь некоторых…
10.06.2016. Новая версия гибели динозавров
С каждым новым открытием все новых видов ископаемых животных все отчетливей проявляется закономерность развития животного мира, которая заключается в том, что все когда-либо существовавшие на Земле животные…
10.06.2016. Возникновение жизни на Земле
Вопрос о том, когда на Земле появилась жизнь, всегда волновал не только ученых, но и всех людей. Ответы на него содержатся в священных писаниях практически всех религий. Хотя точного научного ответа на…
10.06.2016. Возникновение и развитие цивилизаций (энергетический подход)
Земная цивилизация - порождение человеческого разума и рук человека. Но исследование путей эволюции, приведших к ее появлению, вызывает целый ряд непростых вопросов.Имела ли цивилизация биологические предпосылки?…
10.06.2016. Выдержки из книги рекордов Гиннеса.
Классификация Самые первые Теропод ; Наиболее примитивным динозавром считается Eoraptorlunensis. Ему присвоили это название в 1993 г., когда в предгорьях Анд в Аргентине, в горных породах, возраст…