Инбридинг — форма гомогамии, скрещивание близкородственных форм в пределах одной популяции организмов (животных или растений).
Марианна Дехаск и Лав Дален: В науке мы обычно делимся своими успехами и игнорируем менее гламурные неудачи. Мы решили применить другой подход.
Это история о том, как несколько поколений ученых сотрудничали, чтобы расшифровать геном мамонта, ранее известного как Одинокий мальчик, которого часто называют последним мамонтом на Земле.
Шерстистый мамонт был одним из самых харизматичных видов последнего ледникового периода, примерно от 120 000 до 12 000 лет назад. Тем не менее, причина его исчезновения остается загадкой.
В период своего расцвета мамонты обитали на значительной части северного полушария, но к концу ледникового периода они исчезли с большей части своего прежнего ареала. Последняя популяция мамонтов обитала на острове Врангеля, небольшом острове у сибирского побережья, до своей окончательной гибели около 4000 лет назад.
В нашем новом исследовании, опубликованном в Cell, мы исследовали, была ли популяция мамонтов острова Врангеля генетически обречена на вымирание. И, несмотря на множество ошибок на этом пути, мы в конечном итоге обнаружили, что это не так.
Мамонты оказались изолированными на острове Врангеля около 10 000 лет назад из-за повышения уровня моря и выживали как небольшая популяция в течение тысяч лет. Инбридинг является распространенной проблемой в небольших популяциях, и его негативные последствия могут накапливаться с течением времени, в конечном итоге приводя к нежизнеспособности популяции и вымиранию.
Инбридинг может вызвать множество проблем. На портретах Карла II Испанского, последнего монарха из дома Габсбургов, виден его деформированный подбородок из-за поколений инбридинга. Ученые давно задавались вопросом, привели ли геномные процессы к вымиранию мамонтов на острове Врангеля.
Чтобы решить эту проблему, мы сгенерировали набор данных из 21 генома мамонта, охватывающий последние 50 000 лет существования вида. Этот набор данных позволил нам отправиться в прошлое и изучить генетические последствия их изоляции с течением времени.
Одинокий мальчик был самой ценной особью в нашем наборе данных, образцом, ключевым для понимания того, почему вымерли мамонты. Однако секвенирование ДНК Одинокого мальчика оказалось сложной задачей.
Приключения одинокого мальчика
Для создания генома одинокого мальчика потребовалось несколько попыток на протяжении почти десяти лет. При нашей первой попытке извлечь ДНК оказалось, что наш образец заражен человеком. Во второй попытке мы использовали отбеливатель, чтобы удалить как можно больше загрязнений.
Хотя это обычная практика в области изучения древней ДНК, она также предполагает компромисс, заключающийся в том, что часть ДНК мамонта также будет непреднамеренно разрушена. В нашем случае это означало, что в образце осталось недостаточно материала мамонта для создания высококачественного генома.
В последней попытке мы объединили данные из разных экстрактов ДНК, взятых у Lonely Boy. Однако ДНК из наших разных экстрактов, хотя и похожи, выглядели так, словно принадлежали разным особям. Мы выдвигали самые смелые теории, чтобы объяснить эти новые результаты.
Одна из наших ведущих теорий того времени заключалась в том, что у Одинокого мальчика было состояние, называемое “синдромом исчезающего близнеца”. Очевидно, в некоторых редких случаях зародыш млекопитающего может поглотить генетический материал больного близнеца во время беременности. Это объясняет, почему экстракты ДНК выглядели похожими, но не полностью идентичными.
В конце концов, объяснение оказалось далеко не таким захватывающим, и все можно было свести к вопиющему количеству усилий, которые мы вложили в этот образец. Это привело к появлению странных лабораторных артефактов (то есть всего, что вызывает трудности при интерпретации образца) – обычно даже незаметных, – которые привели к ложной генетической вариации в образце. Поэтому мы создали простой фильтр для удаления этих артефактов.
Но даже после всех этих шагов Одинокий мальчик по-прежнему выглядел как выброс. На этом этапе мы решили повторно датировать образец. Дата рождения "Одинокого мальчика" была установлена давным-давно, и с тех пор методы значительно улучшились.
Результат стал большой неожиданностью. Одинокому мальчику было не 4000 лет, как первоначально предполагалось, а ближе к 5500 годам, что делает его совершенно средним мамонтом в нашем наборе данных, а не последней подобной особью на Земле.
Причины вымирания
Отвечая на первоначальный вопрос этого проекта, скажу: нет, популяция острова Врангеля, скорее всего, вымерла не из-за инбридинга.
Сравнивая наши геномные данные с результатами компьютерного моделирования, мы теперь знаем, что сокращение популяции мамонтов после изоляции на острове Врангеля около 10 000 лет назад, должно быть, было огромным, и осталось всего восемь размножающихся особей.
Тем не менее, наши результаты показывают, что популяция быстро восстановилась до 300 особей в течение 20 поколений и оставалась стабильной до окончательной гибели мамонта. Мы можем видеть, что он оставался стабильным, поскольку за этот период уровни инбридинга практически не изменились.
Однако наши результаты по вредным мутациям говорят о другом. В то время как наиболее вредные мутации постепенно удалялись из популяции естественным отбором, умеренно вредные мутации накапливались с течением времени. Это указывает на то, что первоначальное сокращение популяции – несмотря на быстрое восстановление – имело долгосрочные генетические последствия.
Предсказать точный эффект вредных мутаций непросто, особенно у вымершего вида. Сравнение с известными заболеваниями человека позволяет предположить, что некоторые из наиболее вредных очищенных мутаций, вероятно, нарушили работу генов, которые, возможно, были важны для развития различных чувств, таких как слух и зрение.
Тем не менее, кажется маловероятным, что это стало причиной окончательной гибели мамонта. Исходя из наших результатов, вымирание должно было произойти быстро. Люди не сосуществовали с мамонтами на острове, но внезапное событие, такое как вспышка болезни или погодное явление, могло вызвать внезапное вымирание популяции.
Как и в большинстве случаев в науке, мы надеемся, что дальнейшие исследования позволят получить новые сведения. Возможно, даже с новым одиноким мальчиком или девочкой.
Хотя в конечном итоге нам удалось проанализировать инбридинг мамонтов, это был долгий путь со множеством обходных путей. Тем не менее, как лабораторная группа, мы многому научились из этого проекта.
Мы разработали новый биоинформационный метод борьбы с заражением человека и обнаружили новый тип лабораторных артефактов. Эта новая информация вполне может иметь решающее значение для точного определения причин, по которым вымер шерстистый мамонт.
Марианна Дехаск, научный сотрудник Уппсальского университета, и Лав Дален, профессор Стокгольмского университета