2. Африканское происхождение человека современного типа

Первым полиморфизмом ДНК, широко использованным в популяционной генетике, явился полиморфизм митохондриальной ДНК. Дело в том, что в тот период еще не было метода полимеразной цепной реакции, а гены тестировали с помощью сложных и громоздких методов. Существенным было и то, что число копий митохондриальной ДНК (мтДНК) в клетке соста­вляет от нескольких сотен до несколько тысяч. И, таким обра­зом, этот материал мог быть более надежно тестирован, чем любая ядерная ДНК.

Необходимо напомнить коротко основные черты строения мтДНК. Это кольцевая двухцепочечная молекула, у человека ее размер составляет 16569 пар оснований. Основная часть поли­морфизма мтДНК связана с небольшим районом в 1,2 kb, назы­ваемым контрольным районом. Здесь содержатся последова­тельности, контролирующие транскрипцию и репликацию. Этот район известен также как D-петля (displacement — пере­стройка). Он высокополиморфен и содержит два гипервариа­бельных региона, примерно по 400 bp. В обоих регионах содер­жится большое количество точковых замен.

Таким образом, эти участки анализируют в виде гаплотипов (сочетаний вариабельных участков), число вариантов которых в популяциях очень велико.

Напомним, что митохондрии наследуются по материнской линии, так как в оплодотворенное яйцо они попадают из яйце­клетки. Судьба небольшого числа единичных митохондрий сперматозоида, которые могут оказаться в оплодотворенной яйцеклетке, неизвестна — во всяком случае, они не проявляют себя в новом организме. Таким образом, анализ мтДНК дает информацию о генетической истории по женской линии чело­вечества.

Изучение вариантов митохондриальных ДНК в различных популяциях мира показало, что все они могут быть выведены из одного единственного варианта. Эта работа, выполненная в конце 1990-х гг., вызвала большой резонанс, в ней сформулировано представление о митохондриальной Еве, прародительнице все­го человечества.

Одновременно изучался и генетический материал Y-хромосомы, в том числе в строение полиморфных маркеров. В нерекомбинирующей области Y-хромосомы обнаружено множество полиморфных маркеров, образующих гаплотипы, т. е. сочетания вариабельных участков. Такие гаплотипы в нере­комбинирующей области Y-хромосомы, обладающие большой устойчивостью во времени, используют в качестве инструмен­тов для изучения давних генетических событий, в особенности миграций.

То, что многообразие ДНК африканских популяций выше, чем всех остальных, было показано не только с помощью митохондриальных маркеров, но и впоследствии с помощью ядер­ных, включая Y - хромосомные.

Наиболее древние варианты Y - хромосомы найдены в ряде популяций Африки, в частности у койсанов. Таким образом получается, что и Адам — прародитель нашего рода — выходец из Африки.

Большая работа была проведена также и по маркерам других ядерных хромосом. Все эти данные подтвердили африканское происхождение всего человечества.

Многочисленные исследования показали, что все человеческие митохондриальные ДНК могут иметь единого предка, и с некоторыми допущениями можно рассчитать, когда произошло первое ветвление генеалогическо­го древа митохондриальной ДНК. Важным условием для этого является знание скорости мутаций.

Одним из подходов к калибровке митохондриальных часов является сравнение этих последовательностей для человека и шимпанзе, с учетом того, что эти виды разошлись друг от друга 5-7 миллионов лет назад. Оценка средней скорости мутаций в ДНК митохондрий была проведена в нескольких исследовани­ях и составила (1-5)х10^-6 мутаций на нуклеотид на поколение, что по крайней мере на два порядка выше, чем скорость мута­ций в ядерной ДНК.

Расчеты, проведенные на основе этих результатов, показали, что расхождение митохондриальных ДНК началось около 150 тысяч лет назад. Первое «расхождение» вариантов митохондриальных ДНК произошло в древности внутри афри­канского континента, дав начало трем родословным. Расселе­ние по другим континентам осуществлялось потомками только одной из трех африканских ветвей. Самая древняя миграция проходила по южному побережью Азии, через Новую Гвинею — в Австралию примерно 70 тыс. лет назад. Следует отметить, что в это время Австралия, Тасмания и Новая Гвинея были в соста­ве единого материка.

Интересно, что из-за сниженного уровня моря в то время Малайский полуостров, острова Суматра, Ява, Борнео и Бали также были едины. Все это значительно облегчало продвиже­ние людей с южного побережья Азии в Австралию. Европа, со­гласно этим данным, заселялась позднее, что, по-видимому, было связано с более суровыми климатическими условиями и наличием здесь неандертальцев, хорошо приспособленных к холодному климату.

В этой связи интересное исследование было проведено на мтДНК, выделенных из костей неандертальцев. Один из образ­цов — это известная находка из Дюссельдорфа, обнаруженная в 1856 г. Было расшифровано 380 нуклеотидов из первого гипер­вариабельного региона (ГВС1) D-петли. Если средние попар­ные различия у современного человека в этой области составляют величину 8,0 (с колебаниями от 1 до 24), то размах различий между неандертальцем и современным человеком со­ставил от 22 до 36. Общий предок для этих подвидов, как показали расчеты, может быть датирован в пределах от 550 до 680 тысяче­летий тому назад.

Было проведено исследование ДНК других неандертальских образцов в сравнении с древним образцом ДНК кроманьонца. Полу­ченные данные продемонстрировали геномные различия неан­дертальца и кроманьонца и явились дополнительным подтверждением того, что это, очевидно, разные подвиды одного вида Homo sapiens.

Исследование Y-хромосомной вариабельности в глобаль­ном масштабе было недавно проведено Петером Андерхиллом, одним из сотрудников Кавалли-Сфорца. Был проведен анализ 166 полиморфных точек в Y-хромосоме более 1000 мужчин из разных регионов Земли. В результате обнаружено 116 гаплотипов, представляющих собой отдельные исторические родослов­ные, которые удалось объединить в одно эволюционное древо. В этом древе выделились 10 ветвей, каждая из которых соответ­ствует конкретным географическим регионам.

В Африке обнаружены варианты Y-хромосомы, соответст­вующие трем ветвям, причем первая из них является самой древней и несет в себе некоторые особенности, общие с наши­ми ближайшими «родственниками» — приматами. Эта ветвь встречается у некоторых африканских меньшинств — у койсанов, у ряда популяций суданцев и эфиопов. Все остальные вет­ви отличаются от ветви N1, и они, собственно, и образуют основной «ствол» данного древа. Вторая и третья ветвь являют­ся тоже африканскими, причем третья ветвь особенно широко представлена у разных народов континента. Именно эта ветвь наиболее родственна Y-хромосомным вариантам всего осталь­ного человечества. Интересно, что одной из ветвей, наиболее близкой к африканским, является австрало-новогвинейская, а наиболее отдаленной — ветвь американских индейцев. Если сравнить эти результаты с данными по митохондриальной ДНК, то можно видеть, как они хо­рошо согласуются друг с другом. Такое согласование говорит о том, что полученные сведения отражают реальный эволюцион­ный путь современного человека, независимо записанный в родословных как по женской, так и по мужской линии.

Далее были проведены исследования по различным типам полиморфизма ядерной ДНК других хромосом. Оказалось, что все они пригодны для оценки путей миграции и даже (в первом приближении) — времени, когда данное событие происходило. Особенно подходящими для этих целей оказались гаплотипы, состоящие из сочетаний близко расположенных маркеров раз­личного типа. Они явились особенно полезными при анализе происхождения популяций и реконструкции исторических ми­грационных процессов.

Для множества генов были исследованы гаплотипы, состав­ленные из полиморфных участков. Были изучены десятки по­пуляций из различных географических регионов. Оказалось, что наибольшее разнообразие гаплотипов имеется в африкан­ских популяциях, проживающих южнее Сахары. Все остальные изученные популяции мира выглядели как одна из подгрупп африканцев.

Эти данные показали, что популяции Северо-Востока Аф­рики в ранней истории отделились от остальных африканских популяций, после чего часть из них мигрировала из Африки на другие континенты. Многие показатели, выявленные в данных работах, позволяют считать, что африканские популяции име больший эффективный размер и высокий уровень полиморфизма.

Таким образом, исследование геномного разнообразия че­ловека убедительно показало, что все человечество имеет еди­ное происхождение и ведет свой род из Африки. Все три независимые линии анализа — с помощью митохондриальной ДНК, маркеров Y-хромосомы и ядерных маркеров других хро­мосом привели к одним и тем же результатам, доказавшим на­ше африканское происхождение.