Как найти днк динозавра

Найдено живое ДНК динозавра. Возможно ли это?

∙

05.03.2020, обновлено 01.05.2020

Идея клонировать динозавра из сохранившихся частиц ДНК уже далеко не нова: одним из наиболее известных тому примеров может послужить знаменитый “Парк Юрского периода” Стивена Спилберга. Основным препятствием реализации культового фильма в реальную жизнь долгое время служило отсутствие живых клеток древних хищников, чья массовая гибель произошла 65 миллионов лет назад. Однако представьте себе удивление ученых, когда найденный в американском штате Монтана череп молодого утконосого динозавра, показал наличие в нем скопления прекрасно сохранившихся клеток со следами еще живых ДНК. Неужели реальному “Парку Юрского периода” все-таки быть?

Неужели уже скоро мы сможем лично посетить настоящий “Парк Юрского периода”?

Можно ли воскресить динозавра?

Вряд ли погибший 75 миллионов лет динозавр вида Hypacrosaurus stebingeri мог себе представить, что однажды он станет предметом изучения человеческих ученых. Когда в 1980-х годах группа исследователей наткнулась на черепа двух молодых утконосых динозавров, их опытный взгляд не мог не заметить уцелевший хрящ в голове одной из когда-то грозных ящериц. Крошечные круглые структуры, связанные друг с другом в задней части черепа, содержали темный материал, который при лабораторном анализе показал наличие в нем клеточных ядер и хромосом, сообщает портал sciencealert.com.

Читайте также: Найдены останки огромного динозавра, который мог съесть кого угодно

Несмотря на поднявшуюся шумиху в научном мире, Мэри Швейцер, палеонтолог по позвоночным из Китайской академии наук, занимавшаяся изучением обнаруженных останков утконосого динозавра, призывает не спешить с выводами. Дело в том, что вероятность обнаружения жизнеспособного ДНК умершего многие миллионы лет назад живого организма является едва ли нулевой, однако если генетический материал утконосого динозавра действительно каким-то образом сумел сохраниться, это будет означать, что наши знания о генетике потребуют пересмотра. Как бы то ни было, ученые не надеются воскресить древних пресмыкающихся даже в случае, если жизнеспособность ДНК подтвердится. Одна из многих причин, по которым сценарий воскрешения динозавров в “Парке Юрского периода” невероятен, заключается в том, что дезоксирибонуклеиновая кислота попросту не способна продержаться настолько долго — даже в случае, если она попадет в плотную ловушку из янтаря.

Даже янтарь не способен надолго защитить ДНК от гибели

Из-за того, что период полураспада органической информации довольно невелик, даже при самых благоприятных условиях найденные частицы утконосого динозавра должны были погибнуть спустя примерно 5 миллионов лет после естественной гибели своего владельца. Если учесть, что печальное событие, унесшее жизнь молодого самца Hypacrosaurus stebingeri произошло 75 миллионов лет назад, то становится ясно, что последние частицы ДНК обнаруженного динозавра погибли еще задолго до возникновения человечества.

Изображение утконосого динозавра дает возможность понять, по каким именно причинам древняя ящерица получила свое современное название

Кстати говоря, вы можете найти еще больше интересных статей о динозаврах в наших официальных каналах в Яндекс.Дзен и в Telegram.

Несмотря на то, что возможность обнаружения неповрежденной ДНК динозавра стремится к абсолютному нулю, некоторые исследователи, изучающие осколки черепа из Монтаны, утверждают, что им удалось засечь следы жизни в нескольких круговых структурах хряща древней утконосой ящерицы. Информация, которая может сохраняться в замеченных клетках, будет весьма ограничена в любом случае, вряд ли позволив секвенировать весь геном Hypacrosaurus stebingeri. Как бы то ни было, даже получение небольшого объема новых знаний о вымершем травоядном динозавре может помочь по-новому взглянуть на образ жизни существ, населявших нашу планету за многие миллионы лет до появления на ней человека.

Чтобы клонировать динозавра, нам понадобятся остатки его уникальной генетической информации – его ДНК. Однако ученые сильно сомневаются, что достаточное количество ДНК динозавров могло сохраниться до наших дней. Поскольку их ДНК утеряна со временем, возродить этих громадных древних зверей практически невозможно.

Благодаря огромным усилиям режиссера Стивена Спилберга, мы стали свидетелями того, как фантастический ряд палеолитических существ возвращается к жизни – по крайней мере, на большом экране!

Ученые в фильме использовали ДНК, чтобы воскресить целый зверинец динозавров разных видов и размеров. Они добились этого, извлекая ДНК динозавра из комара, который был пойман и сохранен в куске янтаря.

Хотя предпосылка звучит весьма захватывающе, возникает вопрос: может ли это быть правдой? Возможно ли воссоздать динозавров по их ДНК и построить настоящий Парк Юрского периода?

Давайте узнаем!

Можно ли создать жизнь из ДНК?

В клетке взрослого животного есть вся ДНК, необходимая для создания других клеток, а значит, и другого животного. Ученые часто используют технику, называемую клонированием, для создания в лаборатории копий клеток, генов, тканей и даже целых живых существ. Этот процесс предполагает создание нескольких идентичных копий или клонов определенного фрагмента ДНК (даже если это очень маленький фрагмент ДНК).

Знаете ли вы об овечке Долли? Она была первым млекопитающим, клонированным с помощью этого процесса. С тех пор были клонированы многие животные, включая лягушек, свиней, лошадей, мышей, овец и коров.

Однако динозавр – это давно исчезнувший зверь, что значительно отличается от клонирования овечки Долли. Возвращение вымершего вида из небытия может стать большой проблемой – в буквальном смысле слова.

Была ли найдена ДНК динозавра?

Нет, мы еще не нашли ДНК динозавра, которая была бы необходима для создания успешного клона динозавра.

Чтобы клонировать динозавра, нужно не только найти ДНК, но и найти полный набор или достаточное количество фрагментов ДНК динозавра. Это связано с тем, что нам необходимо собрать мельчайшие фрагменты, чтобы воссоздать весь пазл – геном. Каждый геном состоит из миллионов нитей ДНК. Если мы сможем определить порядок или последовательность оснований в ДНК, мы сможем собрать их воедино.

Не имея возможности полностью составить последовательность генома, мы не можем получить полную картину того, как воссоздать динозавра. Но подождите… Мы нашли яйца и кости динозавров. Разве мы не можем извлечь из них ДНК?

Вряд ли. Исследования показывают, что молекулы ДНК разрушаются и распадаются со временем. Последний динозавр вымер более 65 миллионов лет назад, поэтому ДНК сегодня недоступна.

Твердые части тела, такие как кости и зубы, остаются даже через миллионы лет, но ДНК, фундаментальный материал, необходимый для возникновения живого существа, очень хрупок.

Даже если часть ДНК сохранилась, в ней может быть недостаточно информации, чтобы рассказать нам полную историю биологии динозавров.

Палеонтологи согласны с тем, что предпосылки сериала “Мир Юрского периода” основаны на неточном представлении о том, как долго и каким образом ДНК может сохраняться в природе. Поэтому сомнительно, что ДНК динозавра можно клонировать, извлекая доисторическую кровь из комара, найденного в янтаре.

Таким образом, идея секвенирования и манипулирования ДНК динозавров остается фантастикой… по крайней мере, пока.

Некоторые ученые, правда, утверждают, что обнаружили полностью секвенированную ДНК динозавров в окаменелостях, но доказательства этого пока остаются сомнительными. Тем не менее исследователи и ученые продолжают искать ее по всему миру.

Даже если мы найдем ДНК динозавра, сможем ли мы клонировать динозавра?

Итак, вопрос остается открытым… Даже если нам удастся извлечь полную нить ДНК из хорошо сохранившихся окаменелостей, или если нам удастся генетически модифицировать эту ДНК, означает ли это, что мы сможем воскресить динозавров?

Очень маловероятно. Сложностей слишком много и они слишком велики.

Во-первых, нам придется внедрить ДНК динозавра в современное животное, которое является близким родственником динозавров, с довольно похожим геномом (например, в птицу или рептилию), чтобы отредактировать ее в яйце. Найти близкого родственника вида, исчезнувшего на миллионы лет, не совсем просто.

Эта задача кажется непосильной, учитывая, что у нас есть полностью секвенированный геном шерстистого мамонта. Кроме того, мы идентифицировали одного из его близких родственников – азиатского слона. Но даже несмотря на это, нам до сих пор не удалось воскресить его из мертвых.

Даже если эта попытка когда-нибудь увенчается успехом, все равно эта комбинация не будет настоящим динозавром. Например, кто имеет самую близкую ДНК к динозаврам? Считается, что птицы являются прямыми потомками динозавров. Таким образом, при попытке вывести динозавра из куриного яйца, вопреки всему, нам удалось бы создать лишь гибрид.

Несмотря на наличие лучших технологий и достижений в области генной инженерии и клонирования, в настоящее время ученые не могут клонировать настоящих динозавров. В первую очередь потому, что их ДНК настолько стара, что ее невозможно эффективно восстановить. Даже если мы найдем одного из них, к счастью, мы еще очень далеки от того, чтобы использовать древнюю ДНК для возвращения к жизни давно вымерших видов.

[mybigtext]Если вас заворожил фильм «Парк Юрского периода» или «Прогулки с динозаврами» от BBC, то наверняка вам на ум приходило: «вот бы вживую посмотреть на этих гигантских рептилий». Аналогичные мысли посещают не только любителей загадочного и недосягаемого, но и вызывают вопросы среди ученых. Мы решили разобраться и рассказать вам, насколько теоретически возможно воссоздание динозавров, как ученые уже пробовали это сделать и причем тут курицы.[/mybigtext]

Байка палеонтологов или научная теория?

А вы знали, что идея о генетическом воспроизведении доисторических ящеров — не плод фантазии голливудских сценаристов? Еще в 1980-х годах некий Джон Ткач из американского города Бозмен (штат Монтана) основал секретный проект ученых, который назывался Исследовательская группа по вымершим ДНК. Основная затея участников этой группы была связана ни много ни мало с поиском генетических образцов динозавра. Члены проекта верили в гипотезу о том, что где-то в янтаре сохранилось тельце древнего насекомого (желательно комара), которое прямо перед своей смертью укусило рептилию. Это значит, что в пищеварительной системе кровопийцы из прошлого могут быть остатки чужой, а в идеале — динозавровой ДНК.

Стройность этой теории лежит где-то на уровне легенд о лохнесском чудовище и снежном человеке. Тем не менее она не была таким уж откровенным бредом сумасшедшего. Так, энтомолог Джордж Пойнар из Калифорнийского университета в Беркли посвятил свою карьеру изучению миллионов насекомых, сохранившихся внутри древесной смолы, дошедшей до наших дней в форме янтаря. [myline]Образцы насекомых были в прекрасном состоянии снаружи, а вот внутренности их, как правило, не сохранялись. Но в 1980 году Пойнар наткнулся на муху, которая «не поддалась времени» и содержала клетки, оставшиеся целыми после 40 млн лет.[/myline]

Опубликованные выводы энтомолога в то время взбудоражили научное сообщество. Тогда вместе с нахлынувшим потоком интервьюеров один человек посетил лабораторию ученого, чтобы задать вопросы о «возвращении жизни из янтаря». Годы спустя, Пойнару сообщили, что ему адресованы благодарности на форзаце одной новой книги (а вскоре и фильма) под названием «Парк Юрского периода». Автор этого произведения Майкл Крайтон был тем самым гостем и использовал визит к исследователю в качестве научной основы для своего романа. Но давайте все-таки разберемся, почему кто-то из современных палеонтологов считает эту теорию в корне ошибочной, а кто-то работает над ее развитием.

Куда приводят поиски древнейших ДНК

«Современный живой динозавр — это не 100-процентная фантазия, — пишет научная журналистка Хелен Пилчер в своей книге «Новая наука об исчезновении». — Некоторые уважаемые ученые считают, что это теоретически можно сделать. Однако найти «генетическое сырье», чтобы «слепить» из него динозавра, это огромная проблема».

Итак, в первую очередь необходим образец ДНК динозавра. Но все, что дошло от исполинских рептилий до наших дней, — это окаменелые останки, из которых уже пропали все генетические следы.

Еще в 1990-е годы надежда не покидала палеонтологов. Тогда исследовательница Мэри Швейцер опубликовала ряд открытий, в числе которых были выводы о том, что окаменелости динозавров могут содержать молекулы белка и следы красных кровяных телец. Только вот древний ящер, так же, как и любой сложный организм, состоит из многих других молекул, которые нельзя воссоздать, ориентируясь лишь на кусочки коллагена и белок крови. Это все равно, что строить огромный имперский корабль из набора Lego Star Wars, располагая всего лишь несколькими деталями и изображением на коробке. Как минимум, нам нужна инструкция, а это и есть неуловимая ДНК.

[mydoubleline]Еще 20 лет назад ученые были уверены, что им удалось найти ДНК-материал возрастом 80-120 млн лет. Правда, вскоре это утверждение было опровергнуто обладателем Нобелевской премии биохимиком Томасом Линдалом, который отмечал, что цепочки ДНК со временем обязательно разрушаются.[/mydoubleline] И, действительно, в 2012 году исследователи установили, что период полураспада ДНК составляет 521 год. Это означает, что в окаменелостях возрастом более 5-6 млн лет все связи структур ДНК утрачены навсегда. А это так себе новости, учитывая, что эра динозавров закатилась примерно 65 млн лет назад.

И вот, пожалуйста, недавнее тому доказательство. В конце 2016 года палеонтологи нашли в янтаре часть тела животного возрастом 99 млн лет. И не просто фрагменты, а полноценный хвост с хорошо сохранившимися мягкими тканями, костями и даже перьями. Но ни следа молекул ДНК.

А самая древняя, обнаруженная человеком, ДНК, принадлежит 700 000-летней лошади, найденной в 2013 году в канадской вечной мерзлоте. Тогда ученые подумали: «Хм, так, может быть, поиски стоит переключить на исследование тех мест, где органический материал способен лучше всего сохраниться?» [myline]Поясним: ДНК постепенно деградирует после смерти организма под влиянием кислорода, воды, ультрафиолета, жизнедеятельности микробов в почве и т.д. А значит перекапывание земли и камней походит на тупиковую затею.[/myline] Именно по этой причине ряд палеонтологов возлагает надежду на многовековые льды и янтарь. Но пока что находки останков в этих структурах следов генетического материала нам не подарили.

Но даже если ученым удастся обнаружить неизвестную древнюю молекулу ДНК, опознать ее будет проблематично. Вот ту ДНК древней лошади установили благодаря успешному сравнению с геномом современных лошадей. Без этого совпадения ее с одинаковым успехом можно было бы принять за генетический материал динозавра, доисторического микроба и вообще кого угодно. Тем не менее есть еще вариации на тему возвращения динозавров к жизни.

Динозавр из пробирки и куриного яйца

Как и стоило ожидать, несколько ученых, включая известного палеонтолога, научного консультанта сценаристов «Парка Юрского периода» Джека Хорнера, задаются вопросом, возможно ли возродить динозавров без их ДНК. В теории для этого надо каким-то образом отмотать назад эволюцию.

[myline]Как объяснял сам Хорнер, первый шаг в этом подходе — начать с современного потомка динозавра. Известно, что птицы и аллигаторы — эволюционные потомки теропод, двуногих плотоядных динозавров, к коим относятся велоцираптор и наш любимчик — тираннозавр Рекс.[/myline] Другие группы динозавров, в том числе гадрозавры (утиноподобные динозавры), цератопсиды (такие, как трицератопс), стегозавры и анкилозавры, не имеют современных родственников.

Условно говоря, чтобы получить существо, напоминающее динозавра, ученым придется «поколдовать» над эмбрионом обычной курицы. Тем более что эксперименты в этом направлении уже проводились.

Например, доказано, что после применения ретиноевой кислоты (полученной из витамина А) на определенном этапе развития эмбриона курицы, цыпленок получается с перьями на лапах и роговыми чешуйками, покрывающими тело. Об этом рассказывает и упомянутый выше палеонтолог Джек Хорнер в своей книге «Как сделать динозавров: новая наука об обратной эволюции». Он считает, что ближе всего к динозаврам страус эму, поэтому он лучше подойдет в качестве лабораторного животного.

Другой ученый, Мэтью Харрис из Института Макса Планка в Германии, уже сделал птицу с настоящими зубами. Он сумел добиться этого, особым образом пересадив цыпленку в рот твердые ткани.

[mydoubleline]Еще некоторые исследователи, находящиеся в поиске параллелей между птицами и динозаврами, предлагают обратить внимание на тропическую птицу гоацин. Ее считают доисторическим видом и наиболее очевидным доказательством в пользу родственных связей между птицами и рептилиями. Дело в том, что на крыльях, в районе предплечья, у них остались коготки, которые хорошо видны у птенцов.[/mydoubleline]

Всё это бесконечно увлекательно, но даже сами ученые-палеонтологи и палеогенетики признаются, что реальное возрождение динозавров — красивый миф. Во-первых, за 65 млн лет планета слишком изменилась, чтобы в нее вот так запросто вписался древнейший вид, который, скорее всего, только нарушит экосистему. Да и для возрождения популяции требуется минимум 5 000 особей, что является чем-то из области фантастики. В конце концов, даже создание одного-единственного динозавра приведет только к страданиям этого существа. А зачем тогда нужны все эти эксперименты и исследования? Хороший вопрос, и на него у мира науки есть свой ответ.

Возрождая виды

На самом деле всё просто. Динозавры — вымершие животные, только вот исчезли они естественным путем. А недавняя история знает другие виды, которых в природе не осталось: дронт, странствующий голубь, бандикут, стеллерова корова. Эти животные больше не существуют на планете из-за деятельности человека, вот ученые и ищут способ исправить ситуацию. Точнее, спасти те виды, которые находятся под угрозой истребления.

Не секрет, что существует целый ряд проектов по сбору генетического материала представителей фауны, которые практически вымерли. Их клетки хранятся для того, чтобы однажды ученые смогли превратить их в стволовые, а затем в половые клетки и попытаться искусственно спасти вид. По последним оценкам, в ближайшие 3-10 лет эта технология будет освоена.

Поскольку искусственное воспроизводство вида — более чем трудоёмкий процесс, ценные подсказки о сохранении животного мира настоящего могут быть найдены в животном мире прошлого. А всем мечтающим о реальном воплощении парка с живыми динозаврами советуем не расстраиваться, а дождаться сиквела фильма «Мир Юрского периода» (выходит в прокат летом 2018 года) и поучаствовать в популяризации палеонтологии.

Секвенирование древней ДНК (от лат. sequentum «последовательность») — определение нуклеотидной последовательности применительно к молекулам ДНК, извлечённым из древних биологических образцов, таких как палеонтологические и археологические находки, мумифицированные останки, засохшие остатки растений, копролиты. Анализ нуклеотидных последовательностей, полученных секвенированием древней ДНК, позволяют установить филогенетические отношения между видами и проверять гипотезы о связи изменений в окружающей среде и эволюционных изменений популяций, а также предоставляют информацию для калибровки молекулярных часов^[1].

При работе с древней ДНК исследователи сталкиваются со множеством проблем, связанных с сохранностью образцов. ДНК может деградировать с течением времени, химически модифицироваться. Микроорганизмы, участвующие в разложении останков, не только нарушают целостность тканей, но и вносят в образец собственную ДНК, тем самым усложняя процесс выделения древней ДНК и биоинформатического анализа полученных данных. Такие методы, как секвенирование нового поколения и обогащение ДНК-библиотек путём гибридизации позволяют заметно увеличить количество получаемых из образцов информации.

Проведен анализ ДНК ряда древних животных, в том числе мамонта и пещерного медведя. Анализ ДНК из человеческих останков позволил выделить новую группу древних людей — денисовцев, а также выявить детали происхождения современных этнических групп. Ряд открытий был сделан в результате анализа древней ДНК болезнетворных микроорганизмов: произведен анализ генома чумной палочки из лондонских захоронений XIV века и гриба фитофторы из образцов XIX века.

История[править | править код]

Исследования древней ДНК начались в 1984 году с секвенирования фрагмента митохондриальной ДНК (мтДНК) вымершей во второй половине XIX квагги^[2], подвида бурчелловой зебры. Было обнаружено, что ДНК не только сохраняется на протяжении более полутора веков, но также может быть частично выделена и секвенирована. Вскоре после этого Сванте Паабо секвенировал образцы, полученные из человеческих мумий.^[3][4]
В этих исследованиях ученый использовал бактериальное клонирование для амплификации фрагментов ДНК. Оказалось, что большая часть ДНК в образцах имеет бактериальное или грибное происхождение, а поддающаяся амплификации эндогенная ДНК состоит в основном из коротких повреждённых фрагментов многокопийных локусов (например, мтДНК) и составляет малую часть исследованной ДНК. Изобретение полимеразной цепной реакции (ПЦР) позволило амплифицировать даже немногочисленные сохранившиеся фрагменты ДНК и дало толчок к развитию этой области, однако также увеличило чувствительность результатов к контаминации^[5].

Области применения[править | править код]

Исследование древней ДНК имеет важное значение для таких областей науки как генетика, палеозоология, палеоэпидемология, антропология (особенно палеоантропология) и археология. Также эта область стала частью методологии палеогенетики.

Анализ древней ДНК может использоваться для оценки эволюционной близости таксономических групп давно вымерших или сильно изменившихся организмов, конкретные родственные связи которых выяснить иными способами крайне затруднительно. Особое внимание здесь уделяется областям высокой изменчивости — участкам ДНК, где мутации происходят часто. В частности, это короткие тандемные повторы (STR) и однонуклеотидные полиморфизмы (SNP). Анализ митохондриальной ДНК дает более точную информацию в контексте этого метода, так как митохондриальная ДНК имеет гораздо большее количество копий по сравнению с ядерной ДНК (около 1000 копий митохондриальных ДНК и 2 копии ядерной ДНК на клетку)^[6].

Анализ древней ДНК также позволяет устанавливать половую принадлежность скелетных останков представителей видов, женские и мужские особи которых отличаются набором половых хромосом, что особенно важно, когда другие методы, например антропометрия, не могут дать точного ответа^[7].

Данный метод находит свое применение и в контексте палеоэпидемологии. Диагностику заболеваний по скелетным останкам и изучение древних пандемий крайне сложно проводить без анализа ДНК возбудителей, сохранившейся в останках больных. Такие исследования стали возможны только в 1990 годах, что позволило прослеживать как эволюцию инфекционных бактериальных штаммов и вирусов, так и их распространение, а также сопоставлять детектируемые по останкам симптомы болезни с современными знаниями о конкретном заболевании^[8][9].

Технические сложности[править | править код]

Деградация ДНК[править | править код]

Обычно после смерти организма ДНК расщепляется эндогенными нуклеазами. Этого не происходит, если нуклеазы оказываются быстро разрушены или инактивированы, например, вследствие обезвоживания останков, низких температур или большой концентрации соли.^[10]
Даже в этом случае ДНК со временем повреждается в результате случайного гидролиза или окисления. К гидролитическим повреждениям относятся разрушение фосфатного остова цепи, депуринизация (соответствующая позиция остается без азотистого основания) и дезаминирование. Чаще происходит дезаминирование цитозина в урацил, метилированный цитозин (5-метил-цитозин) дезаминируется в тимин; реже аденин превращается в гипоксантин, который комплементарен цитозину, а не тимину, что ведет к неправильному прочтению при секвенировании. Эти повреждения происходят и в живых клетках, однако там они устраняются в процессе репарации.
Кроме того, возникают поперечные сшивки между цепями спирали ДНК из-за алкилирования или сшивки ДНК с различными молекулами в результате реакции Майяра. Как и разрывы цепи, поперечные сшивки мешают амплификации при ПЦР^[5][10].
Перед секвенированием древнюю ДНК подвергают специальной обработке, чтобы удалить продукты дезаминирования и поперечные сшивки. Средняя длина амплифицируемых фрагментов древней ДНК часто не превосходит 100 пар нуклеотидов, причём для находок из одного места раскопок средняя длина фрагментов убывает с увеличением возраста находки. Современные протоколы секвенирования древней ДНК учитывают эту особенность; в частности, вместо отжига праймеров на фрагменты ДНК к концам фрагментов присоединяются адаптеры, а праймерами служат олигонуклеотиды, комплементарные адаптерам^[11].

При низких температурах деградация ДНК идет медленнее, что обеспечивает хорошую сохранность ДНК в образцах, найденных в районе вечной мерзлоты. Однако считается, что даже в идеальных условиях ДНК не может сохраняться на протяжении более 1 млн лет^[5][10].

Примесь чужеродной ДНК[править | править код]

Часто вследствие загрязнения, или контаминации, лишь малая доля ДНК в образце имеет эндогенное происхождение. Лучшие в этом отношении образцы содержат до 90 % эндогенной ДНК.^[1]

Археологические образцы всегда содержат некоторое количество ДНК бактерий и грибов, которые колонизируют останки, пока те лежат в земле.
Кроме того, в процессе исследования древней ДНК в образец может попасть человеческая или микробная ДНК, присутствующая в любой лаборатории. В отличие от древней ДНК современная хорошо амплифицируется при ПЦР. Продукты ПЦР, содержащие амплифицированную современную ДНК, могут распространиться по лаборатории и увеличить таким образом степень контаминации^[1][5].
Для профилактики лабораторной контаминации рекомендуется продолжительная обработка оборудования ультрафиолетом или кислотой и соблюдение требований протокола работы в ПЦР-лабораториях. Исследование древней ДНК не должно проводиться в лаборатории, где ранее изучались современные образцы, особенно близких видов^[5].
Многие археологические образцы, особенно найденные до появления современных молекулярно-биологических методов, подверглись контаминации в процессе извлечения и исследования. Если образец был найден несколько десятилетий назад, человеческая ДНК, которой он загрязнен, может обладать всеми признаками древней ДНК. Кости и зубы имеют пористую поверхность, что делает проблематичной их очистку от современной ДНК. Волосы оказываются в этом отношении предпочтительнее: содержащаяся в них ДНК малодоступна для бактерий, а гидрофобная поверхность позволяет очистить их перед извлечением ДНК^[1].
В этом случае совпадение последовательностей, полученных в результате независимого исследования разных частей образца (например, бедра и зубов) в разных лабораториях свидетельствует в пользу истинности результата^[5].

В случае человеческих останков контаминация современной человеческой ДНК может приводить к ошибкам при исследовании филогении и популяционной генетики.
Существует статистический метод, позволяющий отличать древнюю ДНК от современной по паттерну дезаминирования^[12][13].
Если известно, что образец ДНК принадлежит женщине, можно картировать отсеквенированные последовательности на Y-хромосому и детектировать таким образом попадание в образец мужской ДНК^[14].
Если исследуется ДНК нечеловеческого происхождения, очевидным способом проверки на контаминацию является картирование полученных при секвенировании чтений на человеческий геном, а также на геномы других организмов в случае, если они могли быть источниками контаминации. При секвенировании древней бактериальной ДНК проблема состоит также в том, что известны геномы далеко не всех существующих ныне бактерий, так что из того, что полученная последовательность не входит в известные бактериальные геномы, нельзя заключить, что она принадлежит древней бактерии, а не получена в результате контаминации^[5].

Вставки мтДНК и хпДНК в хромосомах[править | править код]

Вставки митохондриальной и пластидной ДНК часто встречаются в ядерной ДНК. При исследовании древних образцов ДНК нельзя выделить ДНК органелл, поэтому эти вставки могут быть источником ошибок, так как их не всегда легко отличить по последовательности от настоящей мтДНК или хпДНК. Если такие вставки будут приняты за ДНК органелл, это может исказить результаты исследования филогении или популяционной генетики^[5].

Методы обработки древней ДНК[править | править код]

В качестве источника древней ДНК часто стараются использовать сохранившиеся части тела, не представляющие большого интереса с точки зрения анатомического строения. Из-за описанных выше процессов в большинстве древних образцов содержание интересующей исследователей древней ДНК очень мало — всего около 1 %. Это количество сильно варьирует в зависимости от природы образца. Последние исследования показывают, что значительно больший выход эндогенной ДНК из останков предков человека достигается при выделении материала из зубов и каменистой части височной кости.^[15]

Первым шагом является измельчение образца и выделение ДНК. В случае костных остатков используют пескоструйные пистолеты или специализированные дрели для первичной фрагментации. Далее частицы ещё более измельчаются (до порошкообразного состояния) на перемешивающих мельницах. Порошок последовательно обрабатывается набором реагентов и подвергается центрифугированию для очистки ДНК от минералов и прочих примесей^[16].

Следующий этап — изготовление ДНК-библиотек и их обогащение путем гибридизации^[17]. Непосредственное получение нуклеотидной последовательности осуществляется путем секвенирования нового поколения.

В 2012 году в статье журнала Methods of Molecular Biology были представлены возможные методы выделения древней ДНК из сохранившихся растительных образцов. Как и в случае с древней ДНК животных, палеорастительные образцы доходят в сохранном виде до нашего времени зачастую из-за охлаждения во время масштабных оледенений^[18].

«Допотопная» ДНК[править | править код]

«Допотопной» (англ. antediluvian) была названа ДНК старше 1 миллиона лет. Название было предложено в 1993 году Томасом Линдалом (Tomas Lindahl) в обзоре в Nature^[19]. В 1990-е годы появились сообщения о секвенировании ДНК, сохранившейся на протяжении миллионов лет в ископаемых остатках растений, костях динозавров и инклюзах в янтаре. Некоторые из этих результатов с большой вероятностью являются следствием контаминации, другие оказались невоспроизводимы.^[5][10] Например, в ответ на публикацию в Science о секвенировании фрагмента митохондриальной ДНК из кости динозавра мелового периода (80 млн лет назад), вышли заметки, в одной из которых было указано, что при построении филогенетического дерева последовательность из кости динозавра кластеризуется с человеческой, а не с ортологичным участком из мтДНК птиц или крокодила, что свидетельствует о большой вероятности контаминации^[20]; в другой заметке высказывалось предположение^[21], что последовательность, приписанная динозавру, — это на самом деле древняя вставка мтДНК в человеческой хромосоме, попавшей в образец^[22].

ДНК животных плейстоцена[править | править код]

Хорошо сохранившиеся образцы позволяют частично, а в некоторых случаях даже полностью секвенировать ядерный геном. В 2008 году была секвенирована ДНК, полученная из шерсти двух мамонтов, умерших около 20 и 59 тысяч лет назад. Картирование на черновую сборку генома африканского слона позволило оценить долю эндогенной ДНК в этих образцах в 90 % и 58 % соответственно; большую часть загрязнения в обоих случаях составили бактериальная ДНК и последовательности, происхождение которых определить не удалось. Полученные данные позволили оценить время расхождения между мамонтом и африканским слоном в 7,5 млн лет, а время расхождения между двумя линиями мамонта, для которых были взяты образцы, — в 1,5-2 млн лет. При этом секвенированная ДНК мамонтов совпадает со слоновьей на 99,41 % на нуклеотидном уровне и 99,78 % на аминокислотном уровне (то есть различие составляет примерно 1 остаток на белок). Принадлежность М4 и М25 к разным кладам была установлена ранее на основе секвенирования митохондриальной ДНК, и новая оценка на время расхождения согласуется с оценкой по мтДНК и уточняет последнюю. Одной из целей секвенирования мамонта было определение функционально важных аминокислотных различий между мамонтом и слоном. Были отобраны 92 различия между этими видами, которые могут иметь функциональное значение, и часть из которых, возможно, находилась под положительным отбором^[23].

В одном из более ранних исследований в качестве образцов были взяты хорошо сохранившиеся при низких температурах останки восьми мамонтов из Музея мамонта в Хатанге. Для лучшего из отобранных образцов 45,4 % фрагментов ДНК выравнивались на сборку генома слона, при этом сходство между ДНК слона и мамонта составило 98,55 % без поправки на увеличение числа различий из-за дезаминации^[24].

В 2013 году была получена черновая версия генома древней лошади^[25]. Возраст образца оценивается в 560—780 тысяч лет. По состоянию на конец 2013 года это самый древний полный ядерный геном. Также были секвенированы ДНК лошади из позднего плейстоцена (~43 тысячи лет назад), пяти современных пород лошадей, лошади Пржевальского и осла. Филогенетический анализ показал, что последний общий предок всего рода Лошади жил 4-4,5 миллиона лет назад, что оказалось вдвое больше принятой до того оценки; популяции предков лошади Пржевальского и домашней лошади разошлись 38-72 тысячи лет назад. В том же году была восстановлена последовательность митохондриальной ДНК пещерного медведя из испанской Пещеры Костей, жившего в среднем плейстоцене 179—680 тыс. лет назад, причём техника подготовки древней ДНК к секвенированию была оптимизирована для лучшего прочтения коротких (30-50 пн) фрагментов^[11]. По состоянию на октябрь 2013-го, древний геном отсеквенирован с покрытием больше единицы только для таких позвоночных, как человек, белый медведь и лошадь.

ДНК древних людей[править | править код]

Неандертальцы[править | править код]

Первым шагом в изучении генетического материала неандертальцев была работа с митохондриальной ДНК, выделенной из костей, которые были обнаружены в 1856 году в долине реки Неандерталь (Германия). В 2006 году был начат проект по секвенированию полного генома неандертальца. В работе использовалась ДНК останков из пещеры Виндия в Хорватии, а также из некоторых других костей. Выравнивание полученного генома вместе с геномом современного человека и геномом шимпанзе, позволило грубо оценить время расхождения современного человека и неандертальца в 270—440 тыс. лет в предположении, что человек и шимпанзе разошлись 6,5 млн лет назад^[26].
Геномы неандертальцев из пещеры Сидрон^[en] (Испания), пещеры Фельдхофер^[en] (Германия), Мезмайской пещеры (Россия) незначительно отличаются от первого.

Секвенирование ДНК древних людей даёт надежду установить функциональные геномные мутации, которые отличают древнего человека от обезьяны, а также проследить отличия современного человека от древних людей. Исследование выявило удивительно малое количество зафиксировавшихся замен в геноме за довольно долгое время. Было найдено всего лишь 5 генов, в которых у современного человека зафиксировалось больше одной замены, меняющей структуру белка (по сравнению с неандертальцем, который в этих локусах совпал с шимпанзе): RPTN^[en], SPAG17, CAN15, TTF1^[en] и PCD16.

Сравнение разнообразия SNP для неандертальцев и современного человека позволяет локализовать мишени положительного отбора в геноме. Самый обширный такой участок генома, выявленный анализом различий SNP, принадлежит гену THADA, и SNP в ближайшем его окружении ассоциированы с диабетом 2 типа, а экспрессия этого гена существенно различается для больных диабетом и здоровых людей. В этом же регионе была обнаружена вставка 9 нуклеотидов в геноме человека, которая отсутствует у всех известных геномов от мыши до приматов и у неандертальца. Также SNP в других регионах ассоциируются с шизофренией, синдромом Дауна, аутизмом. Интерес представляет ген RUNX2^[en], который является единственным известным на данный момент геном, связанным с развитием ключично-черепного дизостоза.
Анализ SNP также выявляет примесь генетического материала неандертальцев в ДНК неафриканцев, что подтверждает теорию о скрещивании неандертальцев с современными людьми, произошедшем после выхода популяции последних из Африки.

Денисовцы[править | править код]

Именно анализ древней ДНК позволил обнаружить этот вид древних людей — изначально считалось, что найденные в Денисовой пещере фрагменты скелета (две фаланги пальцев и три коренных зуба) принадлежат неандертальцам. Секвенирование митохондриальной ДНК останков опровергло теорию и показало, что они принадлежат отдельной группе. Различие денисовцев и современных людей в 2 раза превышает различие неандертальцев и современных людей, однако для ядерной ДНК эти различия имеют одинаковый порядок.
Возможное объяснение состоит в том, что денисовцы и неандертальцы происходят от общего предка, который ранее отделился от ветви будущего современного человека. Эту гипотезу подтвердило сравнение двух геномов древних людей (денисовец, неандерталец) и пяти геномов современных людей (представителей Франции, Китая, Папуа — Новой Гвинеи, африканских народностей йоруба и бушменов), а также выравнивание геномов денисовцев, неандертальцев и африканцев йоруба на геном шимпанзе. Помимо этого, исследование показало, что денисовцы и неандертальцы являются сестринскими группами.
Также было показано, что денисовцы, как и неандертальцы, скрещивались с некоторыми неафриканскими популяциями современных людей: примесь ДНК неандертальцев присутствует во всех неафриканских группах, а примесь денисовцев — у папуасов и меланезийцев^[14].

Филогенетические выводы по данным ядерной и митохондриальной ДНК расходятся. Это может объясняться, тем, что мтДНК денисовцев происходит из некой древней линии, которая не прижилась в неандертальцах и современных людях. Большой размер древних популяций делает эту гипотезу правдоподобной, хотя для однозначного разрешения этой проблемы данных пока недостаточно.

Гейдельбергский человек[править | править код]

Анализ практически полного митохондриального генома гейдельбергского человека из Пещеры Костей позволил оценить возраст находки в 150—640 тысяч лет и показал, что митохондриальные геномы более схожи для гейдельбергского человека и денисовцев, чем для указанных видов и неандертальца, хотя по морфологическим признакам люди из Пещеры Костей близки к неандертальцам. Есть несколько возможных объяснений. Люди из Пещеры Костей могут представлять группу, отличную и от неандертальцев, и от денисовцев, которая внесла вклад в денисовскую мтДНК, но эта версия не объясняет морфологических черт неандертальцев у вида, напрямую с ними не связанного. Второе возможное объяснение состоит в том, что гейдельбергские люди относятся к общим предкам неандертальцев и денисовцев, однако эта версия предполагает существование в этой группе двух сильно разошедшихся линий мтДНК, предковых для неандертальцев и денисовцев. В третьих, не исключено влияние малоисследованных подвидов человека, которые могли сделать вклад в мтДНК гейдельберских людей и денисовцев. Анализ ядерной ДНК может прояснить картину^[27].

Древняя эпигенетика[править | править код]

Информация о метилировании цитозинов в CpG^[en] может быть восстановлена непосредственно по данным секвенирования^[28]. При дезаминировании, которое происходит случайно с течением времени, неметилированный цитозин превращается в урацил, а метилированный — в тимин. Протокол секвенирования древней ДНК предполагает обработку ДНК урацил-ДНК-гликозилазой и эндонуклеазой VIII, в результате которой урацил удаляется и молекула ДНК раскусывается в соответствующем месте с удалением поврежденного нуклеотида^[29]. В результате при секвенировании для тех позиций, где цитозин был метилирован, будет получен большой процент чтений с Т, а неметилированный цитозин прочитается как C по тем молекулам, где дезаминирование в этом месте не произошло.

По последовательности ДНК, извлечённой из волос 4000-летних останков палеоэскимоса удалось построить полногеномную карту расположения нуклеосом и метилирования^[30], причём профиль метилирования оказался близок к тому, что наблюдается в волосах современного человека.

Также восстановлена карта метилирования для неандертальцев и денисовцев^[28][31]. Их метилом оказался похож на метилом современного человека, особенно в районе генов «домашнего хозяйства», однако найдено около 2000 областей со значимыми отличиями в метилировании. В частности, у древних людей найдены заметилированные участки в кластере HOXD, задействованном в регуляции развития конечностей, что может объяснять такие анатомические различия между ними и современными людьми, как менее длинные конечности, крупные кисти, широкие локтевые и коленные суставы^[28][31].

Патогены[править | править код]

Современные методы экстракции и секвенирования древней ДНК позволяют проводить исследования патогенов, полученных из останков давно умерших от болезни людей. Филогенетический анализ полученных образцов позволяет восстанавливать эволюцию болезнетворных организмов. Секвенированы средневековые штаммы чумной палочки и палочки Хансена, а также штамм палочки Коха XIX-го века.

Чумная палочка[править | править код]

Исследования древней ДНК чумной палочки (Yersinia pestis), полученных из лондонских захоронений жертв «Чёрной смерти» установили, что чумная палочка того времени, если не считать возможных геномных перестроек, характерных для этого вида, и ограничиться однонуклеотидными полиморфизмами, мало отличалась от современных штаммов. Более того, для всех полиморфизмов, отличающих её от современного штамма, в ней присутствовал вариант предка чумной палочки — Y. pseudotuberculosis. Эти данные позволяют предполагать, что генотип древней чумной палочки не являлся главной причиной её высокой вирулентности в то время и, возможно, его вклад был наравне с вкладом таких факторов, как генетически обусловленная восприимчивость носителей, климат, социальные условия, взаимодействия с другими болезнями.
При помощи филогенетического анализа был установлен временной интервал, в который жил последний общий предок всех современных патогенных для человека штаммов чумной палочки: 1282—1343 года, причём древняя бактерия оказалась ближе всего к предковому узлу филогенетического дерева^[32].

Фитофтора[править | править код]

В 2013 году было опубликовано показательное исследование в области секвенирования старых патогенов, посвященное не существующим ныне штаммам фитофторы (Phytophthora infestans), которые вызвали Ирландский картофельный голод в середине XIX века. Генетический материал этих патогенов был выделен из сохраненных листьев картофеля и томата разного времени. До настоящего времени, ввиду отсутствия методов секвенирования, анализ данных был невозможен. Ученые провели анализ разных штаммов патогенов, выделив родственные штаммы из растений в Ирландии, Северной Америки и Европы. Исследования показали, что группа штаммов вызвавшая вышеупомянутый голод (HERB-1) и Северо-Американская группа (US-1) имели последнего общего предка предположительно на территории Мексики на рубеже XVIII и XIX веков.

Это исследование особенно интересно с точки зрения подходов к анализу древней ДНК возбудителей прошедших эпидемий как животных, так и растений. Данная область находится на раннем этапе своего развития, однако в случае систематического создания биологических банков, подобные знания могут значительно способствовать ускоренному поиску противомикробных препаратов в ближайшем будущем, в случае возникновения эпидемий, вызванных родственными возбудителями^[33].

См. также[править | править код]

• Методы секвенирования нового поколения
• Полимеразная цепная реакция
• Палеоантропология
• Археогенетика
• Денисовский человек
• Неандерталец
• Гейдельбергский человек

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• Григоренко А. П., Боринская С.А., Янковский Н.К., Рогаев Е.И. Достижения и особенности в работе с древней ДНК и ДНК из сложных криминалистических образцов // Acta Naturae. — 2009. — № 3. — С. 64—76.
• Michael Hofreiter, David Serre, Hendrik N. Poinar, Melanie Kuch and Svante Pääbo. Ancient DNA (англ.) // Nature Reviews Genetics : journal. — 2001. — Vol. 2. — P. 353—359. — doi:10.1038/35072071.
• B. Shapiro, M. Hofreiter. A Paleogenomic Perspective on Evolution and Gene Function: New Insights from Ancient DNA (англ.) // Science : journal. — 24 January 2014. — Vol. 343 no. 6169. — P. 3—16. — doi:10.1126/science.1236573.
• Eske Willerslev and Alan Cooper. Review Paper. Ancient DNA (англ.) // Proc. R. Soc. B : journal. — January 2005. — Vol. 272 no. 1558. — P. 3—16. — doi:10.1098/rspb.2004.2813.

Можно ли возродить динозавра из его ДНК

Сюжет «Парка Юрского периода» не дает нам покоя. Если мы действительно обладаем технологией извлечения генетической информации из ископаемых костей, можем ли мы возродить вымерших миллионы лет назад динозавров?