Введение
Молекулярная антропология, также известная как генетическая антропология, изучает вклад молекулярной биологии в понимание эволюции человека. Эта область антропологии исследует эволюционные связи между древними и современными человеческими популяциями, а также между современными видами. Обычно проводятся сравнения последовательностей – ДНК или белков, хотя в ранних исследованиях использовалась сравнительная серология. Изучая последовательности ДНК в различных популяциях, ученые могут определить степень родства между популяциями (или внутри популяций). Определенные сходства в генетическом составе позволяют молекулярным антропологам установить, принадлежат ли разные группы людей к одной и той же гаплогруппе и, следовательно, имеют ли они общее географическое происхождение. Это важно, поскольку позволяет антропологам прослеживать пути миграций и расселения, что дает ценную информацию о формировании и развитии современных популяций с течением времени. Молекулярная антропология оказалась чрезвычайно полезной при построении эволюционного древа человека и других приматов, включая близкородственные виды, такие как шимпанзе и гориллы. Несмотря на очевидные морфологические сходства между человеком и шимпанзе, некоторые исследования показали, что между ДНК этих видов существует примерно 98-процентное совпадение. Однако более поздние исследования скорректировали это значение до 94 процентов, что свидетельствует о большем, чем считалось ранее, генетическом различии между человеком и шимпанзе. Эта информация полезна при поиске общих предков и углублении понимания эволюции человека.
Molecular anthropology, also known as genetic anthropology, is the study of how molecular biology has contributed to the understanding of human evolution. This field of anthropology examines evolutionary links between ancient and modern human populations, as well as between contemporary species. Generally, comparisons are made between sequences, either DNA or protein sequences; however, early studies used comparative serology. By examining DNA sequences in different populations, scientists can determine the closeness of relationships between populations (or within populations). Certain similarities in genetic makeup let molecular anthropologists determine whether or not different groups of people belong to the same haplogroup, and thus if they share a common geographical origin. This is significant because it allows anthropologists to trace patterns of migration and settlement, which gives helpful insight as to how contemporary populations have formed and progressed over time. Molecular anthropology has been extremely useful in establishing the evolutionary tree of humans and other primates, including closely related species like chimps and gorillas. While there are clearly many morphological similarities between humans and chimpanzees, for example, certain studies also have concluded that there is roughly a 98 percent commonality between the DNA of both species. However, more recent studies have modified the commonality of 98 percent to a commonality of 94 percent, showing that the genetic gap between humans and chimps is larger than originally thought. Such information is useful in searching for common ancestors and coming to a better understanding of how humans evolved.
Гаплоидные локусы в молекулярной антропологии
У людей существуют две непрерывные группы сцепления, передающиеся по одной из половых линий. Первая – Y-хромосома, которая передается от отца к сыну. Анатомически женские особи несут Y-хромосому лишь изредка, вследствие генетического дефекта. Другая группа сцепления – митохондриальная ДНК (мтДНК). мтДНК почти всегда передается следующему поколению только от матерей, однако при крайне редких обстоятельствах мтДНК может передаваться через отцовскую линию. Нерекомбинирующая часть Y-хромосомы и мтДНК, при нормальных условиях, не подвергаются продуктивной рекомбинации. Определенная часть Y-хромосомы может рекомбинировать с X-хромосомой, и граница этой области менялась в ходе эволюции приматов. Такие рекомбинантные изменения в нерекомбинирующей области Y встречаются исключительно редко.
Митохондриальная ДНК
Митохондриальная ДНК стала областью исследований в филогенетике в конце 1970-х годов. В отличие от геномной ДНК, она обладала преимуществами, связанными с отсутствием рекомбинации. Процесс рекомбинации, при достаточной частоте, затрудняет построение экономных филогенетических деревьев из-за участков аминокислотных замен (SNP). При анализе отдалённо родственных видов рекомбинация представляет меньшую проблему, поскольку рекомбинация между ветвями от общих предков предотвращается после завершения видообразования. При изучении близкородственных видов или ветвления внутри видов рекомбинация создаёт большое количество "неинформативных SNP" для кладистического анализа. мтДНК, в процессе деления органелл, со временем становится клональной; передача отцовской мтДНК минимальна или отсутствует вовсе. Хотя рекомбинация в мтДНК и может происходить, риск её передачи следующему поколению невелик. В результате, мтДНК представляет собой клональные копии друг друга, за исключением случаев возникновения новых мутаций. Таким образом, мтДНК лишена недостатков аутосомных локусов при изучении скрещивающихся популяций. Ещё одним преимуществом мтДНК является быстрая эволюция гипервариабельных регионов, что указывает на приближение некоторых участков митохондриальной ДНК к нейтральности. Это позволило использовать мтДНК для определения относительно небольшого возраста человеческой популяции, прошедшей через узкое место около 150 000 лет назад (см. #Причины ошибок). Митохондриальная ДНК также использовалась для подтверждения большей близости шимпанзе к человеку, чем горилл, и для установления родственных связей между этими тремя видами и орангутанами. В последнее время геном мтДНК используется для оценки моделей ветвления популяций по всему миру, например, для определения времени и путей заселения Нового Света. Проблема этих исследований заключается в сильной зависимости от мутаций в кодирующей области. Исследователи всё чаще обнаруживают, что при миграции людей из юго-восточных регионов Африки в кодирующей области накапливалось больше мутаций, чем ожидалось, и что некоторые группы, направляясь в Новый Свет, предположительно перемещались из азиатских тропиков в Сибирь, в древний сухопутный регион Берингию, а затем быстро мигрировали в Южную Америку. У многих образцов мтДНК наблюдается значительно больше мутаций, и они возникают в редко мутирующих кодирующих участках, чем можно было бы ожидать при нейтральной эволюции. Митохондриальная ДНК обладает ещё одним преимуществом перед аутосомной ДНК. Обычно в каждой клетке содержится от 2 до 4 копий каждой хромосомы (от 1 до 2 от каждого родителя). Для мтДНК в каждой клетке может быть от десятков до сотен копий. Это увеличивает количество каждого локуса мтДНК как минимум в десять раз. Для древней ДНК, которая сильно деградирована, большое количество копий ДНК помогает удлинять и соединять короткие фрагменты, а также уменьшает объём необходимого для анализа костного материала из ценных ископаемых/древних останков. В отличие от Y-хромосомы, мтДНК содержится в остатках как мужчин, так и женщин в примерно одинаковом количестве.
Хромосома Y
Хромосома Y находится в ядре нормальных клеток (ядерной ДНК). В отличие от митохондриальной ДНК (мтДНК), она содержит мутации в нерекомбинантном участке (NRY) хромосомы, расположенные на значительном расстоянии друг от друга, настолько большом, что поиск мутаций на новых Y-хромосомах требует больших усилий по сравнению с мтДНК. Многие исследования опираются на тандемные повторы; однако тандемные повторы могут быстро расширяться и сокращаться, причем иногда по предсказуемым закономерностям. Y-хромосома отслеживает только мужские линии и не встречается у женщин, в то время как мтДНК можно проследить у мужчин, даже если они не передают ее по наследству. Кроме того, было подсчитано, что в доисторический период эффективные мужские популяции обычно насчитывали две женщины на одного мужчину, и недавние исследования показывают, что культурная гегемония играет важную роль в передаче Y-хромосомы. Это привело к расхождению между мужчинами и женщинами во времени до последнего общего предка (TMRCA). Оценки TMRCA для Y-хромосомы варьируются от 1/4 до менее чем 1/2 от оценок TMRCA для мтДНК. Неясно, связано ли это с высоким соотношением мужчин и женщин в прошлом в сочетании с повторными миграциями из Африки, вызванными изменением скорости мутаций, или, как предполагают некоторые, с тем, что самки последнего общего предка (LCA) между шимпанзе и людьми продолжали передавать ДНК миллионы лет после того, как самцы прекратили это делать. В настоящее время наиболее убедительные данные свидетельствуют о том, что во время миграций соотношение мужчин и женщин у людей могло снизиться, что привело к сокращению разнообразия Y-хромосомы в различных популяциях как внутри, так и за пределами Африки. Для молекулярной филогенетики и молекулярных часов Y-хромосома является высокоэффективным инструментом и предоставляет дополнительную точку зрения. Возник спор о том, что, судя по мтДНК, народ маори мигрировал из Восточного Китая или Тайваня, а по Y-хромосоме – из региона Папуа-Новой Гвинеи. Когда для оценки этих двух гипотез использовались гаплотипы HLA, выяснилось, что обе они верны: маори – это смешанная популяция. Такие смешения, по-видимому, распространены среди человеческих популяций, и поэтому использование одного гаплоидного локуса может давать предвзятые результаты.
Исследования с использованием X-связи
Х-хромосома также является формой ядерной ДНК. Поскольку у мужчин она встречается в одной копии, а у женщин – в виде двух неидентичных хромосом, её плоидия составляет 1,5. Однако у людей эффективная плоидия несколько выше, около 1,7, поскольку в течение большей части человеческой предыстории численность женщин в репродуктивной популяции превышала численность мужчин в соотношении примерно 2:1. Как и митохондриальная ДНК (мтДНК), ДНК, сцепленная с Х-хромосомой, в большей степени отражает историю женской популяции, чем мужской. Было проведено несколько исследований локусов на Х-хромосоме, в общей сложности изучено 20 участков, включая PDHA1, Xq21.3, Xq13.3, Zfx, Fix, Il2rg, Plp, Gk, Ids, Alas2, Rrm2p4, AmeIX, Tnfsf5, Licam и Msn. Время до наиболее недавнего общего предка (TMRCA) варьируется от фиксированного значения до примерно 1,8 миллиона лет, со средней оценкой около 700 тысяч лет. Результаты этих исследований приблизительно соответствуют ожидаемому распределению фиксации аллелей, учитывая неравновесие сцепления между соседними участками. Для некоторых аллелей точка происхождения остаётся неуловимой, для других – указывает на Африку к югу от Сахары. Внутри Африки к югу от Сахары наблюдаются некоторые различия, указывающие на более узкий регион, однако объёма выборки и охвата недостаточно для определения места наиболее недавнего общего предка. Значение TMRCA согласуется с и расширяет "бутылочное горлышко", подразумеваемое мтДНК, уверенно до примерно 500 000 лет.
Древняя секвенирование ДНК
Неандертальская мтДНК Кринга была секвенирована, и сходство последовательностей указывает на столь же недавнее происхождение от небольшой популяции на неандертальской ветви поздних гоминидов. Ген MCR1 также был секвенирован, но результаты вызывают споры: одно исследование утверждает, что проблемы с загрязнением не могут быть разрешены из-за сходства с человеческим неандертальским геномом. Однако, что критически важно, ДНК-последовательности не были получены от Homo erectus, Homo floresiensis или каких-либо других поздних гоминидов. Некоторые из полученных древних последовательностей содержат весьма вероятные ошибки, а также необходим надлежащий контроль для предотвращения загрязнения.
Причины ошибок
Молекулярная филогенетика основана на количественной оценке замен и последующем сравнении последовательностей у разных видов, и в этом процессе есть несколько моментов, которые могут приводить к ошибкам. Первая и самая серьезная проблема – поиск "якорей", позволяющих откалибровать систему. В этом примере наблюдается 10 мутаций между шимпанзе и человеком, но у исследователя нет известных окаменелостей, которые были бы общим предком для обоих видов, но не являлись бы предками следующего вида на филогенетическом дереве – гориллы. Однако существуют окаменелости, которые предположительно являются предками орангутанов и людей, датируемые примерно 14 миллионами лет назад. Таким образом, исследователь может использовать сравнение орангутана и человека и получить разницу в 24. Используя это, он может оценить скорость мутации как 24/(14*2, где "2" – это сумма длин ветвей к человеку (14 млн лет) и к орангутану (14 млн лет) от их последнего общего предка (LCA)). Скорость мутации составляет 0,857 на единицу длины последовательности. Однако скорость мутации обычно указывается как скорость на нуклеотидный (nt) сайт, поэтому, если длина последовательности, например, составляет 100 nt, эта скорость будет равна 0,00857/nt на миллион лет. (10 мутаций * 100 nt) / (0,00857 * 2) = 5,8 миллиона лет.
Проблема калибровки
Есть несколько проблем, не учтенных выше. Во-первых, мутации возникают как случайные события. Во-вторых, вероятность изменения любого участка генома отличается от вероятности изменения следующего; ярким примером служат кодоны для аминокислот: первые два нуклеотида в кодоне могут мутировать с частотой 1 на миллиард лет, а третий – 1 на миллион лет. Если ученые не изучают последовательности большого числа животных, особенно близких к рассматриваемой ветви, они обычно не знают скорость мутации для конкретного участка. Мутации действительно происходят в первой и второй позициях кодонов, но в большинстве случаев подвергаются негативному отбору и поэтому удаляются из популяции за короткие периоды времени. При определении скорости эволюции, используя опорную точку, возникает проблема, создаваемая случайными мутациями. Например, скорость 0,005 или 0,010 также может объяснить 24 мутации согласно биномиальному распределению вероятностей. Некоторые из мутаций, произошедших между двумя видами, вернулись к исходному состоянию, маскируя первоначально более высокую скорость. Отбор может играть роль: редкая мутация может быть выгодной в момент времени X, но последующие изменения климата или миграция вида могут сделать ее нейтральной, оказывая давление на новые мутации, восстанавливающие исходное состояние, и иногда происходит реверсия нуклеотида. Чем больше расстояние между двумя видами, тем выше вероятность этого. Кроме того, оба вида могут случайно мутировать один и тот же участок к одному и тому же нуклеотиду, исходя из общего предка. Во многих случаях это можно разрешить, получив образцы ДНК из видов на ветвях, построив экономное филогенетическое дерево, в котором можно вывести порядок мутаций, и создав диаграмму длины ветвей. Эта диаграмма позволит более точно оценить количество мутаций между двумя видами. Статистически можно оценить разброс, учитывая проблему случайности, обратных мутаций и параллельных мутаций (гомоплазий) при создании интервала ошибок. Однако в калибровке существует еще одна проблема, которая не поддается статистическому анализу: это определение принадлежности окаменелости к наименее общему предку (НОП). На практике вероятность того, что окаменелость действительно представляет собой НОП двух существующих видов, невелика. Часто окаменелость находится в одной из ветвей (занижая возраст), в третьей ветви (также занижая возраст) или, если окаменелость принадлежит к виду НОП, может быть на миллионы лет старше ветви. На сегодняшний день единственный способ оценить эту погрешность – применить молекулярную филогенетику к видам, которые предположительно являются точками ветвления. Однако это определяет только "выброшенные" опорные точки. И поскольку более распространенные окаменелости, скорее всего, моложе точки ветвления, выброшенная окаменелость может быть просто редким более старым представителем. Эти неизвестные факторы создают неопределенность, которую трудно количественно оценить, и часто не пытаются оценить. Недавние исследования смогли приблизительно оценить разброс. Общая тенденция, наблюдаемая при обнаружении новых окаменелостей, заключается в том, что более старые окаменелости занижали возраст точки ветвления. Кроме того, датировка окаменелостей имеет историю ошибок и подвергалась многочисленным пересмотрам. Возраст, присвоенный исследователями некоторым крупным точкам ветвления, почти удвоился за последние 30 лет. Ярким примером является дискуссия вокруг LM3 (озеро Мунго 3) в Австралии. Первоначально она была датирована примерно 30 тыс. лет назад радиоуглеродным методом, однако радиоуглеродное датирование имеет проблемы с образцами старше 20 тыс. лет и серьезные проблемы с образцами около 30 тыс. лет. Другое исследование датировало окаменелость в 62 тыс. лет. В итоге, имея оценку скорости мутации, необходимо перемножить два источника разброса, чтобы получить общую дисперсию. Это редко делается в научной литературе.
Проблемы в оценке TMRCA
Время до последнего общего предка (TMRCA) объединяет погрешности калибровки с погрешностями определения возраста локальной ветви.
Эпоха белков
С открытием ДНК как генетического материала, в начале 1960-х годов секвенирование белков стало активно развиваться. Секвенирование белков началось с цитохрома C и гемоглобина. Герхард Браунитцер секвенировал гемоглобин и миоглобин, в общей сложности было выполнено более сотни секвенирований белков у широкого спектра видов. В 1967 году А. К. Уилсон начал продвигать идею "молекулярных часов". К 1969 году метод молекулярных часов был применен к изучению эволюции антропоидов, и В. Сарих и А. К. Уилсон обнаружили, что альбумин и гемоглобин эволюционируют с сопоставимой скоростью, что указывает на разделение шимпанзе и человека около 4–5 миллионов лет назад. В 1970 году Луи Лики оспорил этот вывод, утверждая о некорректной калибровке молекулярных часов. К 1975 году секвенирование белков в сочетании со сравнительной серологией позволило предположить, что ближайшим живущим родственником человека (как вида) является шимпанзе. В ретроспективе, последний общий предок (LCA) человека и шимпанзе представляется более древним, чем оценка Сариха и Уилсона, но не таким древним, как утверждал Лики. Однако Лики был прав в отношении расхождения обезьян Старого и Нового Света, а значение, использованное Сарихом и Уилсоном, было значительно занижено. Эта ошибка в прогностической способности подчеркивает общую закономерность. (См. Причины ошибок)
Гибридизация RLFP и ДНК
В 1979 году У. М. Браун и Уилсон начали изучать эволюцию митохондриальной ДНК у животных и обнаружили, что она эволюционирует быстро. Техникой, которую они использовали, был полиморфизм длины рестрикционных фрагментов (RFLP), который в то время был более доступным по сравнению с секвенированием. В 1980 году У. М. Браун, изучая относительную изменчивость между человеком и другими видами, отметил недавшее сужение (180 000 лет назад) в человеческой популяции. Год спустя Браун и Уилсон, анализируя фрагменты RFLP, установили, что человеческая популяция расширилась позднее, чем популяции других человекообразных обезьян. В 1984 году была получена первая последовательность ДНК вымершего животного. Сибли и Ахлквист применили технологию ДНК-ДНК гибридизации к изучению филогенеза человекообразных обезьян и показали, что разделение линий, ведущих к человеку и шимпанзе, произошло раньше, чем разделение линий, ведущих к горилле и шимпанзе или горилле и человеку – утверждение, вызвавшее широкие споры. Однако в 1987 году им удалось подтвердить свои данные. В 1987 году Канн, Стоункинг и Уилсон, на основе анализа RFLP митохондриальной ДНК человека, предположили, что человечество произошло от небольшой популяции, насчитывающей около 10 000 особей, и включавшей одну женщину, жившей в Африке около 200 000 лет назад.
Эра ПЦР
В 1987 году ПЦР-амплификация мтДНК впервые была использована для определения последовательностей. В 1991 году Vigilante et al. опубликовали основополагающую работу по филогенезе мтДНК, указывающую на субсахарскую Африку как местонахождение последнего общего предка для всех мтДНК. Война между теориями «исхода из Африки» и мультирегионализма, уже тлевшая благодаря критике Аллана Темплтона, вскоре обострилась с вовлечением палеоантропологов, таких как Милфорд Вулпофф. В 1995 году Ф. Аяла опубликовал свою критическую статью в журнале Science «Миф об Еве», основанную на последовательностях HLA DR. Однако в то время Аяла не знал о быстрой эволюции локусов HLA посредством рекомбинации. В 1996 году Пархам и Охта опубликовали свои данные о быстрой эволюции HLA посредством рекомбинации на коротких расстояниях («конверсия генов» или «абортивная рекомбинация»), что ослабило утверждение Аялы (Пархам на самом деле написал обзор годом ранее, но он остался незамеченным). После этого последовал поток публикаций с обеих сторон, многие из которых использовали крайне несовершенные методы и выборки. Одной из наиболее интересных была работа Harris и Hey, 1998 года, которая показала, что время до последнего общего предка (TMCRA) для гена PDHA1 значительно превышало 1 миллион лет. Учитывая плоидность этого локуса, равную 1,5 (в 3 раза выше, чем у мтДНК), TMRCA был более чем вдвое больше ожидаемого. Хотя это соответствует «кривой фиксации» для плоидности 1,5 (в среднем 2 самки и 1 самец), предполагаемый возраст 1,8 млн лет близок к статистически значимому отклонению p-значения для размера популяции, что, возможно, указывает на сокращение или отделение человеческой популяции от другой популяции. Любопытно, что следующий исследованный Х-сцепленный локус, фактор IX, показал TMRCA менее 300 000 лет.
Древняя ДНК
Секвенирование древней ДНК проводилось в ограниченном масштабе вплоть до конца 1990-х годов, когда сотрудники Института Макса Планка потрясли мир антропологии, секвенировав ДНК неандертальца, возраст которого оценивался примерно в 40 000 лет. Результатом этого эксперимента стало установление того, что различия между людьми, живущими в Европе, многие из которых происходят от гаплогруппы H (CRS), указывают на то, что неандертальцы отделились от человеческой линии более 300 000 лет назад, задолго до появления гаплогруппы H в Европе. В то время как исследования митохондриальной ДНК и другие работы продолжали подтверждать уникальное недавнее африканское происхождение человека, это новое исследование по сути дало ответ на критику, выдвигаемую сторонниками неандертальской теории.
Геномная секвенирование
Значительный прогресс был достигнут в секвенировании генома после публикации Ингманом и коллегами их результатов, касающихся митохондриального генома. Появилось несколько работ, посвященных геномной мтДНК; наблюдается значительная изменчивость скорости эволюции, а также вариация скорости и признаки отбора во многих участках. В 2007 году Гондер и соавторы предположили, что основная популяция людей, обладающая наибольшим разнообразием и наименьшим отбором, когда-то обитала в регионе Танзании и прилегающих частях южной Африки. После того, как люди покинули эту часть Африки, митохондрии подверглись избирательной эволюции, адаптируясь к новым регионам.