ДНК, посунься! Стародавній білок допомагає там, де безсила палеогенетика

Видову приналежність останків стародавньої людини встановили за колагеном, що міститься в них.

Нещодавно я писав про щелепу денисівської людини, знайдену в тибетській печері Байшія. Знахідка унікальна: нарешті денисівця виявили за межами Денисової печери. Але це дослідження чудово ще з однієї причини. Вперше вид стародавньої людини вдалося ідентифікувати за складом білка, що зберігся в його зубах. Власник щелепи помер 160 тис. років тому, його плоть витліла, ДНК розпалася на крихітні невизначені фрагменти, але в глибині зубів зберігся, нехай сильно зіпсований часом, але все ще різний для дослідників білок колаген. У його складі дослідники знайшли одну амінокислоту, якої немає ні у сучасної людини, ні у неандертальців - послідовність збіглася тільки з денісівською людиною (у дослідників не було колагену з Денісової печери, але якщо є ДНК, з неї можна отримати амінокислотний склад білка).

Справедливості заради треба сказати, що подібні дослідження останків давніх людей робилися і раніше. У 2016 році за допомогою протеомного аналізу ідентифікували фрагментарні людські останки, знайдені у французькому гроті Оленя. Вдалося не тільки встановити, що це неандерталець, але з'ясувати, що кістки належали грудному немовляті - традиційний ДНК-аналіз не дозволив би дізнатися такі деталі. Але крім складу колагену, вченим в той раз допоміг аналіз мітохондріальної ДНК. У випадку денисівця з Тибету, «особистість» встановили тільки шляхом дослідження стародавнього колагену.

Тепер у журналі Nature вийшла стаття, присвячена перевагам нової методики, залихватськи названа «Посунься, ДНК!» Чим же поганий уже звичний нам аналіз давніх генетичних послідовностей? Безперечно, палеогенетика справила революцію в дослідженнях викопних останків. І все ж можливості методу не нескінченні. По-перше, час не щадить ДНК - через кілька сотень тисяч років навіть в найкращих умовах від геному не залишається нічого. Тому зібрані вченими генетичні дані, після багатьох років вишукувань, стосуються, фактично, тільки 3 видів - неандертальців, денисівців і стародавніх сапієнсів, і рідко виходять за межі останніх 100 - 150 тис. років. Виняток - дослідження останків з печери Сіма де лос Весос в Іспанії, вік яких 430 тис. років (автори статті відносять цих гомінін до ранніх неандертальців). Але ж так хочеться дістатися до більш давніх знахідок! Зрозуміти, хто з давніх мешканців Євразії найближче до спільного предка неандертальців і денисівців. Уточнити родинні зв'язки азіатських і європейських гомінін. Розібратися нарешті з гейдельберзькою людиною: він предок тільки неандертальців або сапієнсів теж? (Автори статті вказують хронологічний інтервал життя виду Homo heidelbergensis: 700 - 200 тис. років. А «ранні неандертальці» з Сіми Весос - це щось принципово інше? Неувязочка.

А ще далі в минуле? Переступити за мільйон років - там ще більше питань. Родовід Homo erectus. Коріння і доля африканських та азіатських форм. Дістатися б до найбільш ранніх Homo. Ех, мрії, мрії...

Є й друга проблема: збереження ДНК сильно залежить від умов, не в останню чергу - від температури. 100-тисячолітній зразок з Сибіру все ще зберігає достатньо генетичного матеріалу, в той час як в 10 разів більш молодих останках з Африки вже нічого не залишилося. Тому так і не вдалося палеогенетикам нічого витягти навіть з таких відносно «юних» знахідок, як скелет хоббіта з острова Флорес.

Колаген набагато більш стабільний, ніж ДНК, і тому для його аналізу годиться набагато більш широкий спектр палеонтологічних знахідок - і більш південних, і більш давніх. А значить - відкривається реальна перспектива знайти відповіді на перераховані вище питання, включаючи одвічний: хто був прямим предком сапієнса?

Звичайно, ідея аналізу стародавніх білків не нова. Ще в середині XX століття проводилися експерименти з пошуку амінокислот в копалинах. Але виявити окремі амінокислоти мало, з них потрібно реконструювати склад конкретних білків. Один з розробників методики, біоархспондент з Копенгагена Метью Коллінз (Matthew Collins) каже, що дуже довго щиро не вірив, що відновити стародавні білкові послідовності взагалі можливо.

У 2000-х роках з цією метою спробували використовувати мас-спектрометрію, яка вже успішно застосовувалася для аналізу сучасних протеїнів. Методику, що позначається ZooMS, стали використовувати для визначення, до яких тварин належать знайдені археологами кісткові фрагменти. У цьому підході аналізуються конкретні форми колагену, які у різних видів тварин мають унікальні особливості - виходить свого роду хімічний «відбиток пальця», за яким можна визначити вид живої істоти. Саме за допомогою ZooMS серед тисяч кісткових уламків, знайдених у Денисовій печері, виявили фрагмент людської кістки, який, як з'ясувалося, належав гібриду неандерталки і денисівця. Зараз через цю методику проганяють 40 тис. невпізнаних кісток з Азії, в надії натрапити на нових гомінін.

Але ZooMS має низьку дозволну здатність. Після того як кістка визначена як людська, потрібно задіяти більш точні методи. У процесі протеомного аналізу в зразку намагаються «зловити» будь-які білки - а їх можуть бути тисячі. Потім все знайдене проганяють по спеціальних базах даних, в яких зберігаються послідовності колагену та інших білків відомих організмів. Подібності та відмінності у складі амінокислот дозволяють з'ясувати родинні зв'язки стародавньої тварини.

Дослідники сподіваються, що в найближчому майбутньому саме такий підхід дозволить уточнити походження загадкового Homo floresiensis, останки якого виявили на індонезійському острові Флорес 2003 року. Чий нащадок флоресський хоббіт - яванських пітекантропів, або ж набагато давніших австралопитеків? Метью Коллінз впевнений, що в останках хоббіта зберігся білок, а значить, є матеріал для дослідження.

Те ж саме можна сказати і про іншого нещодавно описаного чоловічка, Homo luzonensis з острова Лусон на Філіппінах. Дослідники планують почати поки що з зуба тварини з печери, де знайшли лусонського карлика, щоб перевірити життєздатність методики в тропічних умовах.

Поки вчені готуються до протеомного аналізу давніх людей, дослідження останків інших тварин вже дало цікаві результати. Енріко Каппелліні (Enrico Cappellini), фахівець з палеопротеоміки з Копенгагенського університету (дат. K^ benhavns Universitet), використовував новий підхід для аналізу останків викопного носорога Stephanorhinus - віком 1,8 млн років! Амінокислотний склад говорить про тісні зв'язки тварини з шерстистим носорогом Coelodonta antiquitatis (зараз в Nature готується до публікації стаття про це дослідження). Чудово місце, з якого походять останки Stephanorhinus - Дманісі в Грузії! Ви подумали про те ж, про що я? Якщо вийшло з носорогом, наступний на черзі - «Людина грузинський» з Дманісі.

Цікаво, що в цьому випадку білок здобутий не з дентина, а з зубної емалі. Емаль - найбільш твердий матеріал у нашому організмі, і утворює замкнуту систему, в якій білки повинні дуже добре зберігатися. За словами дослідників, майже 2 млн років - це далеко не межа!

Інші вчені пішли ще далі. Повідомляють про вилучення слідів колагену з останків верблюда віком 3,4 мільйона років, виявлених в Арктиці. А в дослідженні 2016 року італійські фахівці отримали білок з яєчної шкаралупи страуса, який жив 3,8 мільйона років тому. Причому знахідка зроблена в Танзанії, де середньорічна температура становить близько 18 ° C. Це вселяє надію на успішне дослідження кісток африканських гомінін.

Звичайно, на шляху дослідників виникає чимало труднощів. Колаген з тибетської щелепи співвідносили з генетичними послідовностями неандертальців і сапієнсів, а з ким порівнювати австралопітеків? У нас немає ДНК такої давнини!

Сванте Паабо (швед. Svante Pääbo), найвідоміший палеогенетик у світі, говорить і про іншу серйозну проблему - забруднення зразків сторонньою органікою. На те, щоб навчитися відрізняти стародавню ДНК від сучасної, у генетиків пішли роки. Але раніше дослідники встигли опублікувати чимало сенсаційних результатів, які не пройшли перевірки і виявилися в підсумку помилковими - на зразок прочитання ДНК динозаврів і стародавніх комах, що застигли в бурштині.

Інші обмеження більш фундаментальні. У викопних останках залишається дуже мало білка. З щелепи тибетського денисовця дослідникам вдалося отримати послідовності 8 видів колагену, що становить в сумі трохи більше 2000 амінокислот. Тільки одна з цих амінокислот відрізнялася від неандертальських і сапієнтних варіантів, що і дозволило віднести знахідку до денисівців. Могло і не пощастити! Вибрали б для аналізу білки, що містяться не в дентині, а в зубній емалі - і відмінностей не було б зовсім. Порівняйте з ДНК: один древній геном може містити близько 3 млн відмінностей від іншого.

Фахівці впевнені, що всі перешкоди вдасться подолати. Чим стародавня тварина, тим сильніший склад її білків повинен відрізнятися від сучасного, так що порівняльний аналіз буде більш інформативним. Важливо не створювати навколо нових відкриттів нездоровий шум, і спокійно відточувати методику, для чого необхідні узгоджені зусилля вчених різних спеціалізацій. Серед таких дослідників Джессіка Хенді (Jessica Hendy), 1916 з Йоркського університету (University of York), Великобританія, яка використовує протеомний аналіз для вивчення раціону стародавніх людей. У публікації 2018 року Хенді та її колеги ідентифікували білки, що збереглися на поверхні 8000-річної кераміки з Туреччини. Вдалося встановити, які рослини і яких тварин вживали в їжу господарі стародавнього посуду, і навіть з'ясувати, що вони переробляли молоко в сироватку.

Хоча для газетних заголовків найпривабливіше тема еволюції людини, вчені задіють протеоміку для різних цілей: від дослідження давніх захворювань зубів до аналізу шкур тварин, з яких зроблені середньовічні пергаменти.