Молекулярные часы и филогенетическое дерево

Идея о том, что скорость накопления мутаций может быть достаточно постоянна для того, чтобы использовать ее для датировки событий эволюционной истории как своего рода "молекулярные часы", была высказана Лайнусом Полингом и Эмилем Цукеркандлем в 60-х гг. [Zuckerkandl E, Pauling L. 1965] при изучении различий аминокислотной последовательности белка гемоглобина у разных видов животных. Позже, когда были разработаны методы чтения нуклеотидных последовательностей, скорость накопления мутаций была установлена при сравнении ДНК тех видов, время расхождения которых было хорошо установлено по ископаемым останкам.

Метод "молекулярных часов" приложим и к изучению событий эволюционной истории человека. Особенно широко используют для этих целей митохондриальную ДНК (мтДНК) и Y-хромосому. Остальные хромосомы при передаче потомству проходят процесс рекомбинации - обмена сходными кусками генетического текста. В результате в каждой хромосоме возникают новые комбинации мутаций, не существовавшие в хромосомах родителей. Наличие рекомбинации делает анализ процесса накопления мутаций очень трудоемким.

В отличие от остальных хромосом Y-хромосома передается только по мужской линии - от отца к сыну, и, так как имеется в геноме мужчин в единственной копии, ни с чем не рекомбинирует (за исключением небольших участков на концах хромосомы, что не влияет на анализ нерекомбинирующей части). Все изменения генетического текста Y-хромосомы связаны с накоплением мутаций из поколения в поколение. Отсутствие рекомбинации приводит к тому, что, раз появившись, мутации сохраняются на протяжении тысяч поколений, маркируя тем самым Y-хромосому всех потомков того индивида, в ДНК которого эта мутация появилась. Современные мужчины, имеющие одинаковые мутации в Y-хромосоме, восходят к общему предку по мужской линии. Очевидно, что родные братья получают от отца тексты Y-хромосомы с одинаковыми мутациями, то есть они относятся к одной линии Y-хромосом. Однако если у одного из братьев произойдет мутация, которую он передаст своим сыновьям, то здесь линии наследования разойдутся на две ветви.

Сейчас созданы базы данных, содержащие информацию о мутациях в Y-хромосомах десятков тысяч людей, принадлежащих сотням народов, населяющих все уголки земли. Современные методы генетического и статистического анализа больших выборок Y-хромосом позволяют установить порядок возникновения мутаций и тем самым нарисовать филогенетическое древо, описывающее родственные связи всего человечества по мужской линии. Чем раньше возникла мутация, тем ближе к корню она располагается на этом древе, и тем больше ветвей будут ее содержать. Так как материал, доступный для исследователя - это ДНК полученная от ныне живущих людей, то структура дерева воссоздается от концов ветвей к корню.

При известной скорости накопления мутаций в расчете на поколение, число мутаций, различающих двух людей, можно перевести в абсолютное время, прошедшее со времени разделения ведущих к ним генетических линий. То есть установить, когда жил последний общий предок этих двух людей.

Для выявления женских линий наследования аналогичную рабту проводят с мтДНК. При оплодотворении спермий не передает свои митохондрии яйцеклетке, и плод любого пола получает мтДНК только от матери. Митохондриальная ДНК - просто подарок природы молекулярным биологам. Это очень маленькая - по сравнению с ДНК хромосом - молекула. Размер ее у человека - 16500 пар нуклеотидов. В каждой клетке содержится до нескольких десятков тысяч копий молекул мтДНК, в отличие от ядерных генов, большинство которых представлено одной (в Y-хромосоме) или двумя копиями (в остальных хромосомах). Кроме того, молекула мтДНК - кольцевая, а колцевые молекулы нуклеиновых кислот более стабильны, чем линейные. Именно эти ее особенности позволили исследователям прочесть мтДНК из останков древних людей, в том числе и неандертальцев.

Для построения филогенетического древа по материнской линии достаточно определить последовательность нуклеотидов небольших (около 400 пар нуклеотидов), наиболее быстро мутирующих фрагментов мтДНК. Другой метода анализа - определение изменений в участках ДНК, распознаваемых ферментами рестриктазами. Для большей точности используют комбинацию этих двух методов. При исследовании отцовской линии используют около полутора-двух десятков изменчивых участков ДНК (они называются SNP- и STR-маркеры) в Y-хромосоме, размер которой составляет 60 000 пар оснований. Так как технически проводить исследования мтДНК проще, поэтому они были начаты раньше, чем исслеодвания Y-хромосомы.

Митохондиальная "Ева"

Первые получившие известность исследования мтДНК представителей разных выявили общность происхождения всех ныне живущих людей по женской линии. Эти исследования были проведены в 1987 г. Аланом Уилсоном и его коллегами из Калифорнийского университета в Беркли [Cann et al., 1987]. Они получили мтДНК от 147 представителей различных рас. Группа Уилсона установила количество мутаций, различающих каждого из исследованных индивидов, а также координаты и тип этих мутаций в исследуемом фрагменте молекулы ДНК. Анализ показал, что все мтДНК можно представить как происходяшие от одной предковой последовательности. По степени разнообразия мтДНК обследованных людей Уилсон оценил время, прошедшее с тех пор, когда существовала предковая последовательность. Это время вычисляется как время схождения всех линий мтДНК в одну точку, называемую точкой коалесценции. В соответствии с его выводами, общая "праматерь", к которой восходят все типы мтДНК современных людей, жила в Восточной Африке менее 200 тысяч лет назад. Последовательность возникновения мутаций в поколениях предков у обследованных индивидов установить в то время было еще не возможно, но такой анализ, проведеный в последние годы, подтвердил основные выводы работы Уилсона (рис. 1).

Вопрос о прародине человечества был одним из наиболее дискутируемых в последние десятилетия. Часть ученых предполагала, что человек возник в одном из регионов мира - наиболее часто упоминалась Африка, - и затем расселился по всей земле. Другая точка зрения - так называемая мультирегиональная гипотеза предполагает, что что наш предковый вид Homo erectus превратился в Homo sapiens в различных точках земного шара независимо. С появлением молекулярных данных африканская гипотеза получила значительный перевес. Работа Уилсона приобрела широкую известность. Обладательницу предковой мтДНК тут же окрестили "митохондриальной Евой", что породило неверные толкования - будто все человечество произошло от одной женщины. На самом деле линии мтДНК современниц "Евы", несомненно существовавших, до нашего времени не дошли. И произошло это не потому, что "Ева" была особенной. Собственно, концепция молекулярных часов построена на предположении о нейтральности большинства мутаций, то есть подразумевает, что ничем особенным от соплеменниц "Ева" не отличалась. Просто генетическое разноообразие в популяции всегда уменьшается, если в череде поколений случаются резкие падения численности группы, а это не раз происходило в истории человечества. Так что со временем все другие линии, кроме одной, были утрачены по статистическим причинам.

Пока люди живут вместе, появляющиеся у них мутации распространяются по всей группе. Если же группы разделились, процесс накопления мутаций идет в них независимо. Число накопленных различий между группами пропорционально времени, прошедшему с момента их разделения. Это позволяет датировать события популяционной истории. На основе изучения мтДНК населения разных регионов мира удалось установить пути и даты основных миграций прекрасной половины человечества.

Восстановление популяционной истории человечества по Y-хромосоме показало (к большой радости генетиков), что "Адам" - предок современных мужчин по мужской линии - жил примерно там же, где и "Ева". Хотя данные, полученные при анализе вариаций в Y-хромосоме, менее точны , они также указывают на африканское происходение человека и существование единой предковой для современного человечества популяции (рис. 2 ).

Молекулярные датировки времени разделения этой группы на ветви, ведущие к современным популяциям, зависят от используемых методов оценки, и по даным разных авторов колеблются от 30-40 тысяч лет назад (что противоречит палеонтологическим данным) до 180 тыс. лет назад. Наиболее вероятным периодом считается период от 57 до 135 тысяч лет назад [Zhivotovsky, 2001].

Гипотеза африканского происхождения человека получила подтверждения в ряде независимых исследованиях. Особый интерес вызвали работы по изучению населения Южной и Восточной Африки - бушменов и готтентотов. Их языки содержат щелкающие звуки, нигде больше не встречающиеся, и относятся к так называемой койсанской группе (комбинация слов "кой-койн" - самоназвание готтентотов и "сан" - название бушменов [Schultze, 1928]), обособленно стоящей в системе языков мира. Они значительно отличаются от остальных африканских народов, в том числе и от своих соседей банту, не только лингвистически, но и антропологически: у них более светлая кожа, узкий нос, женщин бушменов отличает стеатопигия - избыточное отложение жира на ягодицах, а мужчин - особое строение половых органов. Отличия проявляются и в мтДНК: у бушменов в этом фрагменте есть мутация, появившаяся одной из первых после возникновения человека как вида [Vigilant et al., 2000]. В Y-хромосоме у некоторых бушменов также присутствует древняя мутация, не встречающаяся ни у кого из обследованных людей в других частях света, но найденная у обезьян. Мутация в этом фрагменте ДНК возникла, вероятно, еще до разделения предковых линий человека и шимпанзе (5-7 млн лет назад) и непрерывно поддерживалась в части популяции предков и человека и шимпанзе. Возможно, сохранение этой мутации только у бушменов указывает на то, что их предки в определенной момент истории человечества были более многочисленными, чем предки всех остальных ныне живущих людей, и заселяли значительную часть африканского континента. На это указывают и результаты исследования костных останков людей в Африке - они сходны по типу с современными представителями койсанской группы. Впоследствии они были оттеснены на юг бантуговорящими племенами.

Интересно, что различия между популяциями в разных регионах мира по Y-хромосоме оказались в несколько раз выше, чем по мтДНК. Это свидетельствует о том, перемешивание генетического материала по женской линии происходит более интенсивно, то есть что уровень миграции женщин превышает (почти на порядок) уровень миграции мужчин [Seielstad et al., 1998]. И хотя эти данные на первый взгляд могут показаться удивительными - путешествия всегда считались прерогативой мужчин, - они могут объясняться тем, что для большинства человеческих обществ характерна патрилокальность. Обычно жена переходит жить в дом мужа. Брачные миграции женщин оставили более заметный след на генетической карте человечества, чем дальние походы Чингиз-Хана или Атиллы [Stoneking, 1998].