ДНК из кости возрастом 360 000 лет раскрывает самый древний геном из непромерзшей среды

Учёные успешно секвенировали геном вымершего пещерного медведя, используя кость возрастом 360 000 лет. Это самый древний геном любого организма, полученный из среды, не связанной с вечной мерзлотой.

Исследование, проведённое Ноттингемским университетом Трента и Потсдамским университетом (Германия), выявило новую эволюционную историю гигантского пещерного медведя, вымершего около 25 000 лет назад.

Команда обнаружила, что пещерные медведи и их ныне живущие родственники — бурый и белый медведи — разошлись от общего предка около 1,5 миллиона лет назад.

Также было установлено, что многие значимые события в эволюции медведей могли быть вызваны крупными глобальными изменениями климата около миллиона лет назад, когда холодные фазы (ледниковые периоды) стали длиннее и интенсивнее, а тёплые — короче.

Пещерные медведи, которые были крупнее бурых и весили до тонны, были широко распространены в Евразии в плейстоцене. Они сосуществовали с бурыми медведями и скрещивались с ними. Современные бурые медведи до сих пор несут в своих геномах следы вымершего пещерного медведя.

Проанализированный образец принадлежал пещерному медведю, обитавшему на Южном Кавказе (нынешняя Грузия) в среднем плейстоцене.

Ранее самые древние последовательности ДНК были получены из вечной мерзлоты, где ДНК сохраняется гораздо лучше.

В этом исследовании учёные стремились отодвинуть временной предел палеогеномного секвенирования дальше в тёплые, умеренные зоны, которые были домом для гораздо большего числа видов.

Работа включала извлечение древней ДНК из крошечного фрагмента каменистой кости (0,05 г) — части черепа, содержащей органы внутреннего уха, которая известна устойчивостью к загрязнению внешними источниками ДНК.

Затем ДНК подготовили для секвенирования, получив миллиарды коротких последовательностей, представлявших собой смесь ДНК пещерного медведя и загрязнителей, накопленных костью за сотни тысяч лет.

С помощью вычислительного анализа целевые последовательности отделили от загрязнения, сопоставляя короткие последовательности с референсным геномом родственного организма — в данном случае белого медведя.

Чтобы больше узнать об эволюции пещерного медведя, команда сравнила данные генома 360 000-летнего медведя с данными других особей возрастом от 35 000 до 70 000 лет, что дало широкую выборку по всем основным линиям пещерных медведей.

Благодаря большому временному разрыву между образцами, учёные смогли подсчитать количество мутаций ДНК, произошедших за этот период, и рассчитать скорость мутаций в геноме пещерного медведя, а также время расхождения разных линий.

Используя новую рассчитанную скорость мутаций, исследователи подтвердили, что пещерные, бурые и белые медведи разошлись от общего предка. Также они смогли датировать события скрещивания пещерных и бурых медведей.

Исследование показало важность климатических изменений для эволюции видов: расхождение бурых и белых медведей, расхождение линий пещерных медведей и прекращение генного потока между пещерными и бурыми медведями — всё это произошло примерно в один период миллион лет назад, когда мир стал холоднее.

В отличие от предыдущих работ, основанных на митохондриальной ДНК (которая прослеживает только материнскую линию), это исследование анализировало ядерную ДНК, наследуемую от обоих родителей. Команда обнаружила, что пещерные медведи часто обменивались митохондриальной ДНК в ходе эволюции, что до сих пор скрывало их истинные эволюционные связи.

Ведущий исследователь доктор Аксель Барлоу отметил, что анализ данных полного генома раскрыл новую эволюционную историю пещерных медведей, и впервые удалось определить скорость мутаций их генома. Это показало, что крупные климатические изменения могли быть фактором, движущим основные эволюционные события у этих гигантских медведей.

Исследование демонстрирует, что ДНК может сохраняться дольше, чем считалось ранее, открывая новые возможности для генетических исследований на ранее немыслимых временных масштабах. Проанализированная каменистая кость была примерно в семь раз старше любых ранее изученных, показывая, что данные генома можно восстановить из образцов умеренной зоны возрастом более 300 тысячелетий. Этот пещерный медведь, вероятно, жил до появления нашего собственного вида, Homo sapiens.

В отличие от бурого медведя, пещерные медведи были вегетарианцами. Их название связано с тем, что они зимовали в пещерах, и многие умирали, не накопив достаточного количества жира.

Причина их вымирания неясна. Предполагается, что факторами могли быть изменение климата и приток современных людей из Африки, что совпадает с их упадком. Кости пещерных медведей находили с застрявшими в них человеческими наконечниками копий, а ранние люди также рисовали изображения пещерных медведей на стенах пещер.

Исследование опубликовано в журнале Current Biology.