По полноте генома, реконструированного для ископаемого организма, шерстистый мамонт (Mammuthus primigenius) не уступает неандертальцу. Последний интересен тем, что он — представитель рода человеческого, успевший поделиться своими генами с человеком разумным. Мамонт долгое время сосуществовал с обоими видами людей и приобрели множество сходных с ними генетических комплексов. При этом близким родственником ни одному из человеческих видов он, конечно, не являлся. Однако, как и люди, будучи потомком теплолюбивых африканских предков, этот представитель слонов приспособился к суровым условиям ледникового периода, да еще и в Сибири. Как вид, шерстистый мамонт, вероятно, коренным сибиряком и являлся. К настоящему времени секвенированы геномы сотен особей. Благодаря этому обширному материалу ученые имеют возможность исследовать генетические особенности мамонта во всем их разнообразии. Недавно в журнале Current Biology были опубликованы результаты анализа 23 геномов шерстистых мамонтов, указывающие, что данный вид, возникший около 700 000 лет назад, эволюционировал благодаря модификации генов, отвечающих за развитие шерсти и других покровов, жировых отложений, а также за обмен веществ и работу иммунной системы. Наиболее новыми приобретениями в генетическом комплексе, обеспечившем фенотип шерстистого мамонта, стали вариации генов, значимые для особенностей скелета и размера тела, а также ген, повлиявший на уменьшение ушей.
Мамонт стал первым ископаемым животным, отмеченным в письменных источниках. Вероятно, именно о мамонтовой кости, постоянно вытаивающей по берегам сибирских рек, шла речь в рассказе царя Малой Армении Хетума, побывавшего в XIII веке при дворе великого хана Менгу, властвовавшего над землями от Черного до Желтого моря. Вот что записал историк Киракос Гандзакеци со слов царя: «Есть остров песчаный, на котором растет, подобно дереву, какая-то кость драгоценная, которую называют рыбьей; если ее срубить, на том же месте она опять растет, подобно рогам» (см. К. Гандзакеци, 1976, «История Армении»). Видовое имя узаконил в научном обиходе в 1799 году Иоганн Фридрих Блюменбах из Гёттингенского университета, а родовое — Жорж Кювье из Парижского ботанического сада в 1828-м. Так и получился Mammuthus primigenius, ставший символом отечественной и мировой палеонтологии. Примечательно, что в том же 1799 году в дельте реки Лены эвенками из общины Осипа Шумахова была найдена мумия мамонта. Ее фрагменты и весь скелет — самый, наверное, полный в мире — стараниями адъюнкта по зоологии российской Императорской академии наук Михаила Адамса попали в Кунсткамеру(позднее — в Зоологический музей РАН).
Так началась эра изучения мягких тканей вымерших животных, а Зоологический институт, частью которого является названный музей, стал одним из лидеров этого направления. Что касается изучения ископаемых нуклеиновых кислот, то есть палеогеномики, то это одно и считаных направлений, в котором Россия, наряду с Германией (которая в первую очередь должна быть благодарна лаборатории Нобелевского лауреата Сванте Пэабо), — впереди планеты всей (E. Rosengren et al., 2021. Ancient faunal history revealed by interdisciplinary biomolecular approaches). Пэабо, а также известные российские палеонтологи — Николай Верещагин, Андрей Шер и Геннадий Барышников — были причастны к первым исследованиям ДНК и РНК мамонта, извлеченной из тканей мохнатого великана в 1994 году (M. Höss et al., 1994. Mammoth DNA sequences; E. Hagelberg et al., 1994. DNA from ancient mammoth bones).
Авторам удалось избежать множества ловушек (основными из которых были почти неизбежное загрязнение древних молекулярных остатков современными и быстрый распад органических веществ), из-за которых к подобным исследованиям в то время относились более чем скептически. (Особенно всех разочаровали итоги изучения органического вещества из янтарей: увы, солнечный камень сохраняет форму, но не содержание вымерших организмов.) Были использованы первичные материалы по нескольким особям разного геологического возраста — от 9700 лет (юрибейский мамонт) до примерно 50 000 лет (хатангский), включая одну из самых известных мумий — магаданского мамонтенка с реки Димы (см. Киргиляхский мамонт), что обеспечивало проверку данных на повторяемость. Сами анализы проводились в лабораториях, где прежде никогда не изучали никаких слонов, чтобы избежать даже теоретической возможности загрязнения современными молекулами. А вместо метода молекулярного клонирования, который постоянно приводил к сенсационным, но совершенно недостоверным результатом, использовался метод ПЦР-амплификации. Хотя исследовались и мягкие ткани мамонта, ученые отметили, что ископаемые молекулы гораздо лучше сохраняются в костных тканях, что тоже предопределило дальнейшее направление подобных исследований. Главное — было показано, что даже отдельный зуб мамонта является не менее ценным материалом для палеогенетического изучения, чем целая мумия. Благодаря первым исследовательским «наброскам» стало ясно, что генетика мамонтов необычайно интересна, и особи мохнатых слонов, жившие в разное время, генетически различались между собой больше, чем особи современных индийского и африканского слонов, принадлежащих к разным родам.
Понадобилось всего 12 лет для реконструкции полной последовательности митохондриальной ДНК этого вымершего животного (см. Полностью расшифрован митохондриальный геном мамонта, «Элементы», 07.02.2006). Важную роль сыграли палеогенетические исследования и в выявлении популяционной структуры последних мамонтовых групп, ютившихся на острове Врангеля примерно 4000 лет назад (см. картинку дня Последние мамонты).
Шерстистый мамонт стал своего рода результатом эволюции хоботных в холодных высокоширотных условиях открытых травянистых ландшафтов и, как вид, появился в середине плейстоценовой эпохи (примерно 700 000 лет назад) в Северо-Восточной Сибири. Этот зверь приспособился выживать в Заполярье, к северу от 80-й широты, даже в самый разгар ледниковых эпох и приобрел целый ряд особенностей, отличавших его не только от трех современных видов слонов, но и от предшественников из рода Mammuthus. Многие из этих признаков, включая трехслойный шерстяной покров, небольшие уши, короткий хвост и значительные отложения бурого жира, особенно заметные в мамонтовом горбе, хорошо известны по мумифицированным остаткам этого животного. Палеогенетические свидетельства дополнили этот перечень генами, отвечавшими за чувствительность к температурным изменениям и формирование особого гемоглобина с высоким сродством к кислороду. Такой гемоглобин в отличие, скажем, от человеческого или слоновьего быстро насыщается кислородом даже при низкой температуре окружающей среды.
В новой статье, опубликованной в Current Biology, большой коллектив авторов во главе с Давидом Диесом-дель-Молиной (David Díez-del-Molino) из Центра палеогенетики в Стокгольме к данным по палеогенетике мамонта, накопленным за прошедшие без малого 30 лет, добавил множество интереснейших деталей. В исследовании принимали участие также Алексей Тихонов(ЗИН РАН), Глеб Данилов (Музей антропологии и этнографии им. Петра Великого (Кунсткамера) РАН), Сергей Вартанян (Северо-восточный комплексный научно-исследовательский институт им. Н. А. Шило ДВО РАН), Павел Никольский(Геологический институт РАН) и Альберт Протопопов и Валерий Плотников (Академия наук Республики Саха (Якутия)). Теперь в палеогенетическую «копилку» мамонта внесены данные по 23 особям, обитавшим в Сибири с середины плейстоценовой эпохи (древнейший представитель этого вида с реки Большой Чукочьей на северо-востоке Якутии) вплоть до начала голоценовой. Все это сравнивалось с 28 геномами двух из трех современных видов слонов. Это сравнение позволило понять, что геном шерстистого мамонта формировался в три этапа: его часть, сближающая с его сестринским видом — индийским слоном, сложилась более 700 000 лет назад, многие уникальные гены появились позднее уже в Сибири, а последние генетические изменения случились около 50 000 лет назад — на пике последнего оледенения.
Всего у шерстистого мамонта выявлено 3097 генов, содержащих повышенное число фиксированных несинонимических мутаций, то есть таких, которые приводят к замене в белке аминокислотного остатка и, по сути, являются необратимыми. Эти гены отвечают за изменения волосяного покрова и кожи, обмен веществ, репарацию повреждений ДНК, иммунные ответы и в целом за функционирование и организацию клеток некоторых тканей.
Например, среди генов, влияющих на развитие волосяного покрова, были AHNAK2, связанный с формированием волосяных луковиц, и LYST, который у белого медведя способствует обесцвечиванию шерсти. Разные вариации этого гена создавали многообразие окрасок мамонта, что заметно и по цвету волос разных особей. Мутации в генах DSP, TP63, VPS13B, AFF4 и SPINK5 могли привести к проявлению известных у человека синдромов Рэппа–Ходжкина (жесткие, медленно растущие и не расчесываемые волосы), Коэна (толстые и густые волосы) и Карвахаль (шерстисто-курчавые волосы и чрезмерное утолщение кожи на ладонях и ступнях). У человека подобные явления, даже если они ограничиваются изменениями волосяного покрова, далеко не всегда благоприятно сказываются на здоровье. Однако мамонту жесткие густые и курчавые волосы, скорее, были во благо.
Изменения в генах метаболизма жирных кислот, таких как ACADM, UCP1 и TET1, были важны для быстрого усвоения среднецепочечных жирных кислот, деметилирования ДНК и повышения устойчивости к раковым заболеваниям, а также для формирования запасов бурого жира, легко расщепляемого при наступлении голодных времен. Также TET1 мог отвечать за усиление митохондриального дыхания в бурой жировой ткани, повышающего холодоустойчивость. Кроме того, у мамонта наблюдаются мутации гена FASN, сходные с таковыми у северного оленя и пингвина Адели и, опять же, способствующие отложению жировой ткани. Эти изменения показывают, что в одних и тех же условиях у весьма разных видов накапливаются сходные мутации, опосредованные влиянием внешней среды.
В комплексе генов, регулирующих метаболизм сахаров, отмечаются мутацииVСAN, что могло повлечь ускоренный синтез гликозаминогликанов. Эти полисахариды, являясь значимым компонентом межклеточного матрикса, важны для формирования костных, хрящевых и покровных тканей. А изменения гена PDZD2указывают на усиление взаимосвязи процессов питания, формирования жиров и выделения тепла.
Для иммунной системы мамонта, вероятно, важны стали мутации CD1D. Этот ген кодирует антигены для клеток Т-хелперов, которые участвуют в борьбе с внешними патогенами, включая паразитических червей.
К наиболее измененным генам относится также BRCA1 и BRCA2 (19 мутаций), играющие важную роль в восстановлении ДНК и в противостоянии раковым заболеваниям. Эти мутации проявляются у индийского слона и для мамонта, видимо, являются унаследованными.
Существенные мутации затронули ген SCN10A, что, вероятно, привело к усилению кодирования белков, поддерживающих разность потенциалов на внешней и внутренней стороне клеточной мембраны (потенциал-зависимые натриевые каналы). Эти элементы восприимчивы к боли, но также и к сильному холоду. Вместе с комплексом генов TRP, изменения которого уже были установлены у мамонта, этот часть генома отвечала за восприятие малейших колебаний температуры среды.
Изменения генотипа мамонта затронули и ряд генов, связанных с работой мозга (включая формирование синапсов), зрительным восприятием и слухом, а также с формированием потовых желез (в сторону их утраты). Получается, что мамонт был менее пахучим, чем слоны.
Уже у индивида с реки Большой Чукочьей, которому 700 000 лет, наблюдается 91,7% фиксированных несинонимических мутаций, которые характерны для большинства особей шерстистого мамонта. Лишь 8,3% таких изменений были обретены этими слонами позднее. Среди последних — ген FLG, экспрессия которого, как показано на мышах, приводит к уменьшению ушных раковин. За этот временной интервал также продолжали накапливаться мутации в генах, регулирующих особенности шерстяного покрова, например усиление волосяных стержней. Некоторые из последних изменений генотипа способствовали уменьшению размера тела шерстистого мамонта по сравнению с предковыми видами.
В дальнейшем исследователи предполагают выяснить, как менялся генотип шерстистого мамонта в зависимости от крупных температурных скачков, свойственных ледниковому периоду (какие генетические изменения были еще обратимыми, а какие — уже нет). Кроме того, насчитывается десяток достаточно сильно измененных генов, функция которых пока совершенно не ясна.