Да си сглобим неандерталец

Епигенетичните карти ни помагат да си обясним с какво архаичните хора са се отличавали от съвременните независимо от цялата прилика в последователностите на ДНК.

ДНК последователностите на неандерталеца и други изчезнали роднини на човека вече са ни показали отдавна забравени миграции, сексуални авантюри и дори нови видове.

А сега изследователите са открили още една молекулярна подсказка, криеща се в древните кости – така наречените епигенетични химични модификации, които дирижират активността на гените.

Учените са обнародвали епигеномите на двама архаични хора – неандерталец и денисовец. Да напомним, че наскоро друга група специалисти публикува аналогична карта на епигенетичните модификации на древен човек от Гренландия, живял преди 4000 години.

Епигенетичните разлики между хората и техните древни роднини позволяват да се обясни разликата във физическите черти (фенотипи) – например изпъкналите вежди на неандерталците. Впрочем изследването на древни епигеноми е възпрепятствано от множество обстоятелства и не всички специалисти са сигурни, че този подход ще доведе до нещо съществено.

Геномите на хората и неандерталците много си приличат – по-малко от 100 белтъка се различават в последователностите на аминокиселините. Но само едните ДНК последователности не говорят за това бил ли е активен генът.

Напротив, епигенетичните химични подписи могат понякога да се различават при активните и неактивните гени. Изчислителният биолог Лиран Кармел и специалистът по стволови клетки Еран Мешорер от Еврейския университет в Йерусалим се надявали именно на това обстоятелство.

Епигенетичните модификации са набор изменения в ДНК и белтъците, които свиват генома в хромозоми. Най-често епигенетиците изучават ДНК метилирането, тоест добавянето на метилови химични групи към определени нуклеотиди, което обикновено кара гена да „замълчи“. Потискането на активността на гена играе важна роля в развитието на организма, особено когато стволовите клетки придобиват специализация.

Методите за изучаване на ДНК метилирането са доста сурови по отношение към образците, затова са неприложими към скъпоценните останки от неандерталци и денисовци. Наложило се да се разработят нови.

Според това, как се разлага ДНК, определени нуклеотиди преминават през реакция на дезаминиране (отделяне на аминогрупа), която влияе на това, как секвенсерът ще разшифрова ДНК. Изследователите на древната ДНК създали методи за изключване на такива неправилни прочитания.

Но екипът на Кармел осъзнал, че тъй като метилираните нуклеотиди дават друг резултат на дезаминиране за разлика от неметилираните, това позволява да се разбере какви последователности на неандерталската и денисовската ДНК са били метилирани.

Аналогичен подход независимо от тях представил екипът на еволюционния генетик Людвик Орландо от Копенхагенския университет (Дания) при съставяне на карта на метилирането на генома на древния гренландец, който е известен от единствен косъм.

Получените в резултат епигеноми на неандерталеца и денисовеца се оказали подобни на картата на метилиране на клетки от кости на съвременния човек – а това е верен признак, че методът е точен, твърди Кармел.

След това изследователите се заели с определянето на това, в какви гени древното метилиране се различава от съвременното. Оказало се, че това са групите HOXD, които вземат участие в развитието на крайниците, и генът MEIS1, кодиращ белтък, който регулира дейността на гените HOXD.

„В резултат получаваме много добра хипотеза, че изменението на активността на тези гени обяснява разликите в морфологията на крайниците на съвременния човек и неандерталеца“, резюмира Кармел, имайки предвид по-силните ръце, по-дългите бедра и по-широките коленни стави и лакти на неандерталеца в сравнение с нашите.

Но ще бъде трудно да се докаже хипотезата. „Още не сме се научили как следва да интерпретираме епигеномите на съвременните хора – подчертава популационният генетик Джошуа Акей от Вашингтонския университет. – Затова е много сложно да проясним биологичното значение на епигенетичните разлики между древните и съвременните хора.“

Кармел предлага да се имитират епигенетичните изменения, като се промени генната експресия на лабораторни животни или в човешки клетки. (Разбира се, следва да напомним, че от денисовците са останали само фрагменти от кости и зъби, тоест невъзможно е да се свърже техният епигеном с формата на тялото.)

Друг проблем на древната епигеномика е произходът на данни. Епигенетичните изменения в едни или други тъкани са различни и затова епигеномът, събран от кости, коси или зъби, съвсем не е задължително да каже нещо за мозъка, подчертава генетикът Дебора Болник от Тексаския университет в Остин (САЩ), чийто екип анализира епигенетичните изменения при палеоиндианците.

В същото време тя признава, че някои видове метилиране се срещат в различни тъкани, тоест възможност да се съди за несъхранили се органи все пак има.

Екипът на Кармел е открил също, че различията в метилирането между хората и техните архаични родственици два пъти по-често се срещат в гените, имащи отношение към болестите, отколкото в гените, несвързани с недъзи. Трета разлика е фиксирана в гените, отнасящи се към неврологичните и психоневрологичните разстройства.

Какво следва от това? Възможно – нищо… Методите, разработени от Кармел и Орландо, се опират на геноми, които силно са пострадали от дезаминиране, но в същото време са подлагани на многократно прочитане от секвенсорите. „Още не знаем доколко тези методи са информативни при прилагане към други древни геноми“, признава Болник.

Но работата продължава и има надежда, че всички въпроси ще получат своя отговор. Орландо казва, че би искал да се заеме с епигеномиката на коне и да изясни как анатомията на тези благородни животни е откликвала на климатичните промени и опитомяването.

Кармел се готви да сравни епигеномите на европейските ловци-събирачи и първите земеделци – храненето и изменението на начина на живот като цяло не са могли да не се отразят на епигенетиката.

Вероятно Болник е права, като твърди, че се полага основата на нова голяма област на изследване.

Резултатите от изследването са публикувани в сп. Science.

Nature News