Раздел 4. Генетика, популяционная генетика и ДНК-генеалогия
Пришло время поговорить о генетике – яблоке раздора между археологами и лингвистами с одной стороны и генетиками с другой.
Сейчас мы называем эти народы протоиндоевропейскими, потому что они являются предками индоевропейских народов – народов, живущих в Индии, Европе, Центральной и Западной Азии, и языки которых образовались от одного древнего языка. Но в те времена, которые мы описываем, их называли по-другому.
У одного и того же народа может быть несколько названий. Во-первых, название может меняться во времени. Например, наша страна только за последние 100 лет имела четыре названия: Российская империя, Советская Россия (с 1917 по 1922 г.), Советский Союз, сейчас – Российская Федерация. Но даже и это еще не все. Названий было больше. Сейчас, кроме названия Российская Федерация, у нас есть еще одно официальное название – Россия, а также сокращенное название – РФ. Во времена Советского Союза еще было название Союз Советских Социалистических Республик. А еще сокращение СССР, а еще нас называли или просто Советами или просто Союзом. Нас и Россией можно назвать, и русскими. Это мы себя так называли. А иностранцы, кроме официальных названий, могли еще называть: Раша, москали, кацапы, большевики, коммунисты и т. д. А если взять нерусский народ, живущий в России, то добавится еще несколько названий. И это только за последние 100 лет. А мы пытаемся описать историю народов за тысячелетия. Может поменяться название, а историк подумает, что сменился народ. Иностранец назовет это племя не так, как они сами себя называют, а историк опять может подумать, что это другое племя. Один иностранец называет так, другой – по-другому.
Помочь разобраться в этой путанице может относительно новая наука – генетика и ее разделы – ДНК—генеалогия и популяционная генетика. Генетика покажет, какой народ произошел от какого, и этому не помешает ни смена названий, ни переселение, ни субъективное восприятие летописцев. Более всего нас интересует, кто были предками ариев, кто были нашими предками, кто стал потомком протоиндоевропейцев и куда и когда они расселились.
Не надо обманчивых грез,
Не надо красивых утопий:
Но Рок поднимает вопрос,
Мы кто в этой старой Европе?
Случайные гости? Орда,
Пришедшая с Камы и с Оби,
Что яростью дышит всегда,
Все губит в бессмысленной злобе?
Иль мы – тот великий народ,
Чье имя не будет забыто,
Чья речь и поныне поет
Созвучно с напевом санскрита.
Валерий Брюсов
Глава 1. Немного о генетике
Платон очень гордился своим определением человека: двуногое без перьев. Оно имело большой успех, пока Диоген Киник, ощипав петуха, не изготовил ему наглядное пособие. Со времен Платона и Диогена появилось немало новых определений, в том числе основанных на описании свойств молекулы ДНК.
В ядре каждой клетки человека находится 23 пары хромосом. Каждая пара отличается от другой пары.
В каждой хромосоме находится одна ДНК, связанная с белками. ДНК – это очень длинная скрученная молекула. Эти ДНК называются ядерными потому, что находятся в ядре клетки.
ДНК делится на участки – гены. В каждой ДНК (хромосоме) – десятки тысяч генов, половина – от отца, половина – от матери.
Ген состоит из нуклеотидов. В каждом гене десятки тысяч нуклеотидов. В ДНК нуклеотидов около 6 миллиардов.
Нуклеотидов всего 4 вида: А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин) и Ц (цитозин), но в ДНК они находятся в различных комбинациях.
Комбинация нуклеотидов (участок ДНК) – это ген. Отсюда и «генетика».
Всего в клетке человека содержится 23 пары хромосом – 46 хромосом, из них 44 аутосомы (22 пары обозначенные номерами с 1 по 22) в каждой из этих пар аутосомных хромосом – две абсолютно одинаковые хромосомы, но пары различаются между собой и по размерам, и по виду, и по количеству генов. Двадцать третья пара, то есть 45-я и 46-я хромосомы, являются половыми, причем эти хромосомы одинаковы только у женщин (ХХ), у мужчин они разные (ХУ).
Внутри яичек мужчины клетки проходят ряд преобразований, в результате чего их пары хромосом разделяются и образуются клетки с 23-мя непарными хромосомами. Такие половые клетки называются сперматозоидами. Из одной клетки с 23-мя парами получаются две клетки. В одной – 22 неполовые хромосомы и одна половая Х-хромосома. Во второй клетке 22 неполовые хромосомы и одна половая Y-хромосома. Получается, что половина сперматозоидов с Х-хромосомой, а половина – с Y-хромосомой.
У женщин половые клетки состоят тоже из непарных хромосом, но они все одинаковые. У женщин все половые хромосомы Х. При слиянии женской половой клетки с мужской половой клеткой (со сперматозоидом) образуется полный набор человеческой клетки из 23 пар хромосом. Если к женской Х-хромосоме прорвется сперматозоид с Y-хромосомой, то образуется набор хромосом, соответствующий мужчине, и родится мальчик. Если прорвется сперматозоид с Х-хромосомой, то родится девочка.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – макромолекула (одна из трех основных, две другие – РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.
Ген – структурная и функциональная единица наследственности живых организмов. Ген представляет собой участок ДНК. Гены в хромосоме разделены межгенным пространством. Межгенное пространство не содержит кодирующую ДНК. Это межгенное пространство занимает 98,1% ДНК, а гены – только 1,9%. В Y-хромосоме генов, по сравнению с другими хромосомами, очень мало. Гены (точнее, аллели генов) определяют наследственные признаки организмов, передающиеся от родителей потомству при размножении. В геноме человека около 23000 генов.
Для дальнейшего изложения важно представить себе молекулу ДНК как текст, определяющий многие наши особенности как биологического вида. В основе отличий человека от других видов лежат особенности его генетического текста. Текст этот записан последовательностью из молекулярных «букв» – нуклеотидов, А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин) и Ц (цитозин). Длина текста одного гена – несколько десятков тысяч букв. Затем пробел (межгенное пространство), затем текст следующего гена и так далее. Общая длина текста, получаемого от каждого из родителей – три миллиарда букв. Если ДНК – это текст, то есть книга, нуклеотиды – это буквы, то ген можно представить как главу книги. Получается, что в книге человека около 23000 глав.
Отличия генетического текста человека от текстов близкородственных видов не так уж и велики. Например, в сходных генах человека и шимпанзе обычно одинаковы 99 из 100 букв. А два человека (если они не однояйцевые близнецы) отличаются друг от друга в среднем только одной буквой генетического текста из тысячи. Именно с этими отличиями связаны наследуемые индивидуальные особенности каждого человека.
В последние несколько лет изучение разнообразия генетических текстов людей стало одной из самых популярных областей науки. Здесь есть чисто практический интерес – с генетическими особенностями связано здоровье человека, и в их изучение фармацевтические компании вкладывают огромные средства. Вложения обещают отдачу в ближайшие десятилетия в виде разработки и введения в повседневную практику принципиально новых методов диагностики и лечения.
Глава 2. О вредных и полезных мутациях в генах
Подчеркнем, что в данной главе пойдет речь о мутациях в генах. Ибо мутации происходят во всей ДНК, а гены занимают в ней всего 1,9%.
Ген – это участок ДНК, он является структурой и функциональной единицей наследственности, контролирующей развитие определенного признака или свойства. В генах могут возникать мутации.
Термин «мутация» ввел Г. де Фриз11 (1901) для характеристики случайных генетических изменений. Мутация – это внезапное изменение генотипа организма, не обусловленное обычными схемами наследственности. Мутации делятся на спонтанные (случайные) и индуцированные.
Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды. Это может быть ошибка при копировании хромосомы от отца к сыну или от матери к дочери.
Индуцированными мутациями называют наследуемые изменения генома, возникающие в результате тех или иных мутагенных воздействий в искусственных (экспериментальных) условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды.
Спонтанная мутация может быть для организма вредной, нейтральной и полезной. Полезная мутация – это такая мутация, которая ведет к большей выживаемости вида. Вредная уменьшает выживаемость вида. Человеческий организм настолько совершенен, что улучшить его случайным образом очень сложно. Поэтому случайные изменения (мутации) в нем в подавляющем большинстве бывают вредными. Обычно это приводит к болезням или уродствам, и такой человек умирает, не дав потомства, или успевает дать потомство, но оно оказывается менее жизнеспособным, чем люди без этой мутации, и через какое-то количество поколений эти генетические ветви вымирают.
Если рассматривать одного человека, то вероятность происхождения полезной мутации практически стремится к нулю, но, учитывая большую численность людей, иногда полезные мутации у кого-то все-таки происходят, и этот человек и его род получает конкурентное преимущество по сравнению с другими родами. Степень полезности этих мутаций бывает разной. Одни приводят к малозначительным изменениям, другие к более значительным. Люди, у которых произошла полезная мутация, становятся более жизнеспособны, и их потомство тоже. С каждым поколением процент таких людей в обществе увеличивается. Приведу один пример.
Самая многочисленная женская гаплогруппа Европы – H, или Helen, «Елена», появилась в Европе 20 тысяч лет назад и сейчас ее прямыми потомками являются 47% европейцев. Почему она смогла так сильно размножиться? Что привело к росту популяции носителей этой гаплогруппы?
В 2005 году исследователи из Университета Ньюкасл под руководством профессора Патрика Чиннери обнаружили, что среди пациентов, перенесших тяжелую бактериальную инфекцию, выживаемость носителей гаплогруппы H была в два раза выше, чем у представителей других гаплогрупп.
И вот однажды в результате сочетания каких-то положительных факторов естественного отбора появилась на свет девочка, которая отличалась от других. Эта девочка и ее потомки стали или умнее, или крепче здоровьем, или сексуальнее, нам не известно. Это могло произойти либо из-за благоприятного сочетания отцовских и материнских генов, либо в результате мутации, либо из-за того и другого вместе. Но благодаря этому потомство этой женщины стало более жизнеспособно, чем другие люди. Причем, по-видимому, значительно жизнеспособнее, поскольку в настоящее время выжили только ее потомки, то есть 100% населения земли являются ее потомками (или, по крайней мере, по мнению некоторых ученых, более 95%), а потомки остальных женщин не дожили до наших дней. Ее и можно считать прародительницей людей современного типа Хомо Сапиенс. Журналисты прозвали её митохондриальная Ева. Люди современного типа, потомки этой женщины, вытеснили в конкурентной борьбе всех остальных.
Аналогично и с мужчинами. Все ныне живущие мужчины (или почти все) произошли от одного общего предка. Он, как и вышеназванная женщина, появился по тем же причинам, прошел, как и женщина, через бутылочные горлышки популяции. Его прозвали Y – хромосомный адам. Благодаря этим положительным сочетаниям родительских генов, а возможно, и произошедшим мутациям у этих женщины и мужчины и некоторому их везению, позволившему им пройти бутылочные горлышки популяций, мы сейчас имеем то человечество, которое имеем. Если бы не произошли эти события, то на земле сейчас жили бы другие люди. Все люди (или 95%) были бы другими. Очень похожие, но другие. И их предки были бы другие. Не было бы ни Пушкина, ни Гете, ни Наполеона, ни Дмитрия Донского, ни Ньютона, ни Архимеда, ни меня, ни вас.
А кто был бы? А что было бы? А что-то другое… Что-то похожее, но другое. Было бы другое человечество и другая история этого человечества…
Глава 3. Популяционная генетика
Популяционная генетика, или генетика популяций, – раздел генетики, изучающий генофонд популяций и его изменение в пространстве и во времени. Разберемся подробнее в этом определении. Особи не живут поодиночке, а образуют более или менее устойчивые группировки, сообща осваивая среду обитания. Такие группировки, если они самовоспроизводятся в поколениях, а не поддерживаются только за счет пришлых особей, называют популяциями. Например, стая семги, нерестящейся в одной реке, образует популяцию, потому что потомки каждой рыбы из года в год, как правило, возвращаются в ту же реку, на те же нерестилища. У сельскохозяйственных животных популяцией принято считать породу: все особи в ней единого происхождения, т. е. имеют общих предков, содержатся в сходных условиях и поддерживаются единой селекционной и племенной работой.
При наличии миграций границы популяций размыты и потому неопределимы. Например, все население Европы – потомки кроманьонцев, заселивших наш континент десятки тысяч лет назад. Изоляция между древними племенами, усиливавшаяся с развитием у каждого из них собственного языка и культуры, вела к различиям между ними. Но обособленность их относительна. Постоянные войны и захваты территории, торговля, пограничные контакты, иногда гигантская миграция вели и ведут к определенному генетическому смешению народов.
Приведенные примеры показывают, что под словом «популяция» следует понимать группировку особей, связанных территориальной, исторической и в первую очередь репродуктивной общностью.
Особи каждой популяции отличаются друг от друга, и каждая из них в чем-то уникальна. Многие из этих различий наследственные, или генетические, – они определяются генами и передаются от родителей к детям. Совокупность генов у особей данной популяции называют ее генофондом.
Глава 4. ДНК-генеалогия
А что за наука ДНК-генеалогия? Чем она нам интересна и как она поможет в изучении истории?
ДНК-генеалогия – это раздел генетики. ДНК-генеалогия – дополнительный источник информации о развитии человечества и о его истории. ДНК-генеалогия и ее взаимосвязь с другими науками могут оказать реальную помощь истории, археологии, лингвистике. Автором этой новой науки является доктор наук, профессор МГУ профессор Гарвардского университета Анатолий Анатольевич Клесов12. Вкратце расскажем о ДНК-генеалогии и о ее помощи истории. ДНК-генеалогия – это наша история, записанная в ДНК.
Есть и другой аспект генетических исследований – они позволяют реконструировать события давнего прошлого, восстановить пути миграций и историю возникновения современных народов и самого вида Homo sapiens.
Филогенетическое древо.
Отец передает сыну свою Y-хромосому. Для этого она должна быть скопирована. Но в мире нет ничего совершенного, и при копировании иногда – очень редко – происходит ошибка. Такие ошибки называются мутациями. Появившись раз, при копировании или по какой то другой причине, эта мутация будет передаваться дальше от отца к сыну из поколения в поколение.
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 Полингом13 и Эмилем Цукеркандлем14. Позже в 60-х гг. скорость накопления мутаций была установлена при сравнении ДНК тех видов, время расхождения которых было довольно точно установлено по ископаемым останкам.
Изучением скорости накопления мутаций, в основном в Y-хромосоме (мужской половой хромосоме) и митохондриальной ДНК и занимается ДНК-генеалогия. Мутации являются маркерами.
ДНК-генеалогия рассматривает только мутации и использует их только как маркеры. Например, существует мутация М420, она характерна для определенной популяции. Проследив путь этой мутации через поколения внутри народов, мы тем самым проследим путь этой популяции во времени и пространстве.
ДНК-генеалогия генами не занимается. То есть она не изучает гены, не изучает их свойства и их влияние на организм и прочее. К тому же, и мы уже писали, что 98,1% ДНК составляет межгенное пространство, и только 1,9% – гены. Так вот, ДНК-генеалогия изучает мутации по всей длине ДНК, и практически все они попадают на межгенные пространства, не несущие наследственной информации. К тем полезным и вредным мутациям в генах, которые описаны в предыдущей главе (главе 2), ДНК-генеалогия не имеет никакого отношения. Поэтому некоторые генетики ее считают даже не генетикой, а какой-то другой наукой.
Каждая мутация в ДНК (изменение сочетания нуклеотидов) просто дает новый маркер, и эта мутация ни на какие качества человека не влияет. Этот маркер используется только для отслеживания рода. При этом надо понимать, что если мы отслеживаем род с определенным маркером, то этот род несет с собой и все прочие генетические мутации, то есть все свойства этого рода. Для наглядности это можно перенести в сферу автомобилей. Эмблему на кузове автомобиля можно сравнить с маркером. Сама по себе эта пластмассовая штучка не меняет свойства автомобиля, она не делает его мощнее или комфортабельнее. Но, видя ее, понимаешь, какой автомобиль перед тобой и какие у него свойства. Заметив эмблему Мерседеса, ты уже понимаешь, что это Мерседес, а не что-либо другое.
ДНК-генеалогию называют молекулярной историей.
У каждого человека картина мутаций своя, уникальная и характерная для его генеалогической линии. Поэтому, сравнивая картины мутаций у различных людей, можно выявить родственников, и когда разошлись их родственные линии, то есть когда жил их общий предок.
Мутация – это ошибка копирования. Если взять длинный фрагмент хромосомы, то мутации там будут происходить чаще, чем в коротком. Поэтому за стандартный фрагмент был принят участок Y-хромосомы, содержащий 8 470 000 нуклеотидов. В таком стандартном фрагменте мутация будет происходить раз в 144 года.
Почему ДНК-генеалогия занимается изучением мутаций в основном Y-хромосомы?
В отличие от остальных хромосом, которые смешиваются с женскими, Y-хромосома передается только по мужской линии – от отца к сыну без изменений. И так как она имеется в геноме мужчин в единственной копии, то ни с чем не смешивается, не рекомбинирует. И если там происходят какие-то изменения, то исключительно за счет мутаций этой Y-хромосомы. Эти мутации накапливаются 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 древа воссоздается от концов ветвей к корню.
Клетка состоит из клеточной стенки, ядра и еще некоторых частей. Одной из этих частей является митохондрия. Если Y-хромосома, или Y-ДНК, называется ядерной, потому что находится в ядре клетки, то хромосомы, находящиеся в митохондрии, называются митохондриальными. У женщин нет Y-хромосом, поэтому для выявления женских линий наследования аналогичную работу проводят с митохондриальной ДНК (мтДНК).
При оплодотворении сперматозоид не передает свои митохондрии яйцеклетке, и плод любого пола получает мтДНК только от матери. МтДНК – просто подарок природы молекулярным биологам. Это очень маленькая по сравнению с Y-ДНК молекула. Размер ее у человека – 16 500 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 кольцевые молекулы нуклеиновых кислот более стабильны, чем линейные. Именно эти ее особенности позволили исследователям прочесть мтДНК из останков древних людей, в том числе и неандертальцев. То есть при анализе останков древних людей очень часто бывает, что мтДНК прочесть могут, а Y-ДНК не могут, она чаще бывает поврежденной.
МтДНК получают от матери как девочки, так и мальчики. Мужчины, в отличие от женщин, не могут передать ее своим детям, но у каждого мужчины она есть – материнская.
Для построения филогенетического древа по материнской линии достаточно определить последовательность нуклеотидов небольших (около 400 пар нуклеотидов), наиболее быстро мутирующих фрагментов мтДНК. Другой метод анализа – определение изменений в участках ДНК, распознаваемых ферментами рестриктазами. Для большей точности используют комбинацию этих двух методов.
Итак, для изучения мужской линии используют Y-хромосому (Y-ДНК). Для изучения женской линии используют мтДНК. В основном филогенетическое древо строят по мужской линии, так как женская линия в несколько раз сильнее запутана и перемешана, чем мужская (о причинах этого будет написано позже).
Молекулярные часы
При известной скорости накопления мутаций 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. Чем больше мутаций между двумя людьми, тем больше прошло времени от жизни их общего предка. Так можно взять любую группу людей и посчитать, когда жил их общий предок.
Частота, с которой происходит мутация, рассчитывается. Например, для 25 маркерных гаплотипов такая ошибка происходит раз в 22 поколения.
Используя эту методику, в 1987 году Ребекка Канн (Rebecca Cann) с коллегами рассчитала, что митохондриальная Ева могла жить между 140 и 280 тысяч лет назад в Восточной Африке. Современные оценки обычно дают диапазон возраста Евы 140 – 230 тысяч лет, с максимумом вероятности на значениях порядка 180—200 тысяч лет.
Хромосомный Адам жил в Восточной Африке, по разным оценкам, от 80 до 160 тысяч лет назад.