Новые открытия, сделанные на основе древней человеческой ДНК

Фото из открытых источников
Четыре исследовательские статьи, опубликованные в журнале Nature, посвящены генетическим следам и географическому происхождению человеческих болезней в далеком прошлом. Анализ дает подробную картину доисторического человеческого разнообразия и миграции, а также предлагает объяснение роста генетического риска рассеянного склероза (РС).
 
Проанализировав данные крупнейшего на сегодняшний день в мире набора данных о 5000 геномах древних людей из Европы и Западной Азии (Евразии), новое исследование раскрыло доисторические человеческие генофонды Западной Евразии с беспрецедентной детализацией.
 
Результаты представлены в четырех статьях, опубликованных в одном и том же выпуске журнала Nature международной группой исследователей под руководством экспертов из Копенгагенского университета, а также в материалах около 175 исследователей из университетов и музеев Великобритании, США, Германии, Австралии, Швеции, Дании, Норвегии, Франции, Польши, Швейцарии, Армении, России, Казахстана и Италии. Многие исследователи представляют широкий спектр научных дисциплин, включая археологию, эволюционную биологию, медицину, исследования древней ДНК, исследования инфекционных заболеваний и эпидемиологию.
 
Научные открытия, представленные в статьях журнала Nature, основаны на анализе подмножества из 5000 геномов и включают:
 

• Огромные генетические последствия культурно обусловленного барьера, который примерно 4000 лет назад простирался по всей Европе от Черного моря на юге до Балтийского моря на севере.


• Картирование того, как гены риска нескольких заболеваний, включая диабет 2 типа и болезнь Альцгеймера, были рассеяны по Евразии после крупных миграционных событий более 5000 лет назад.


• Новые научные доказательства древних миграций, объясняющие, почему распространенность рассеянного склероза в Скандинавии в два раза выше, чем в Южной Европе.


• Картирование двух почти полных смен населения в Дании за одно тысячелетие.

 

Проект «5000 древних геномов человека»

 
Беспрецедентный набор данных из 5000 геномов древнего человека был реконструирован посредством анализа костей и зубов, предоставленных в результате научного партнерства с музеями и университетами по всей Европе и Западной Азии. Усилия по секвенированию были достигнуты с использованием мощи технологии Illumina.
 
Возраст образцов варьируется от мезолита и неолита до бронзового века, железного века и периода викингов до средневековья. Самый старый геном в наборе данных принадлежит человеку, жившему примерно 34 000 лет назад.
 
«Первоначальная цель проекта по изучению геномов древнего человека заключалась в том, чтобы реконструировать 1000 геномов древних людей из Евразии в качестве нового точного инструмента для исследования заболеваний головного мозга», — говорят три профессора Копенгагенского университета, которым в 2018 году пришла в голову идея создания ДНК-набор данных и которые первоначально изложили концепцию проекта. Это Эске Виллерслев, эксперт по анализу древней ДНК, совместно работающий в Кембриджском университете, и директор проекта; Томас Верге, эксперт по генетическим факторам, лежащим в основе психических расстройств, и руководитель Института биологической психиатрии, обслуживающего службы психического здоровья в столичном регионе Дании; и Расмус Нильсен, эксперт по статистическому и компьютерному анализу древней ДНК, совместно из Калифорнийского университета в Беркли, США.
 
Цель заключалась в том, чтобы создать уникальный набор древних геномных данных для изучения следов и генетической эволюционной истории заболеваний головного мозга как можно раньше, чтобы получить новое медицинское и биологическое понимание этих заболеваний. Это должно было быть достигнуто путем сравнения информации из профилей древней ДНК с данными нескольких других научных дисциплин.
 
Среди заболеваний головного мозга тремя профессорами, первоначально выбранными в качестве кандидатов для этого исследования, были неврологические состояния, такие как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз, а также психические расстройства, такие как СДВГ и шизофрения.
 
Результаты, опубликованные в журнале Nature, были подтверждены сравнением древнего набора геномных данных с обезличенными генетическими данными крупного датского консорциума iPYSCH и профилями ДНК 400 000 современных людей, зарегистрированных в Британском биобанке.
 

Множество проблем

 
«Предпосылка проекта была экспериментальной», — рассказывает профессор Верге. «Мы хотели собрать древние человеческие образцы, чтобы увидеть, что мы можем из них получить, например, пытаясь понять некоторые экологические предпосылки того, как развивались болезни и расстройства. На мой взгляд, тот факт, что проект взял на себя такой обширный и сложный Пропорции, которые Nature хотела описать в четырех статьях, совершенно уникальны».
 
Профессор Виллерслев отмечает, что сбор набора данных ДНК создал серьезные логистические проблемы. «Нам нужен был доступ к археологическим образцам человеческих зубов и костей, которые, как мы знали, были разбросаны по музеям и другим учреждениям Евразийского региона, и это потребовало заключения множества соглашений о сотрудничестве. Набор данных быстро рос, и теперь он превышает 5000 геномов древнего человека. Размер набора данных значительно повысил как удобство использования, так и точность результатов».
 
Профессор Нильсен отвечал за планирование статистического и биоинформационного анализа информации, полученной из древних зубов и костей в лабораториях Копенгагенского университета. И он имел дело с огромным объемом данных, в которых ДНК часто была сильно повреждена.
 
Раньше никто не анализировал такое количество древних геномов. Теперь нам нужно было выяснить, как обрабатывать такие огромные объемы данных. Проблема заключалась в том, что с необработанными данными очень сложно работать, потому что в итоге вы получаете множество коротких последовательностей ДНК со множеством ошибок. Кроме того, существует проблема заражения всеми микроорганизмами, присутствующими на древних зубах и костях.
 
«Представьте себе, что у вас есть мозаика, состоящая из миллионов частей, смешанная с четырьмя другими неполными наборами пазлов, а затем вы моете все это в посудомоечной машине в течение часа. После этого собрать все воедино — непростая задача. В конце концов мы объединились с доктором Оливье Делано из Университета Лозанны, который разработал алгоритмы для решения этой самой проблемы», — говорит профессор Нильсен.
 

Международный интерес

 
Слухи о том, что собирается большой набор данных о геноме древнего человека, вскоре стали циркулировать в научных кругах. А с 2022 года интерес стал очень высоким, говорят профессора Верге, Виллерслев и Нильсен. «Мы постоянно принимаем запросы от исследователей со всего мира, особенно от тех, кто занимается изучением болезней, которые обычно запрашивают доступ для изучения набора данных древней ДНК».
 
Четыре статьи в журнале Nature демонстрируют, что большой набор данных из 5000 геномов служит точным инструментом, способным обеспечить новое понимание болезней в сочетании с анализом современных данных о ДНК человека и данными из нескольких других областей исследований.
 
По мнению профессора Виллерслева, это само по себе чрезвычайно удивительно. «Нет никаких сомнений в том, что древний набор геномных данных такого размера будет иметь применение во многих различных контекстах исследований заболеваний. По мере того, как будут публиковаться новые научные открытия, полученные на основе набора данных из 5000 геномов, все больше данных постепенно будет становиться бесплатно доступным для всех исследователей. В конечном итоге полный набор данных будет открыт для всех».