Potkávali se lidé a neandrtálci, nebo se dokonce křížili? Na tuto otázku již známe odpověď: Sexuální kontakty dokázala přítomnost neandertálské DNA v genomu člověka. Nyní vědci poprvé objevili opačnou stopu:­ lidskou DNA v dědičné informaci neandrtálce.

Člověk žijící v současnosti – během posledních pár tisíc let, řekněme – je uvyklý být jediným zástupcem svého druhu na světě. Není snadné představit si situaci, kdy na planetě Zemi žilo vedle sebe více druhů rodu Homo, nejen anatomicky moderní člověk Homo sapiens. Přitom ještě docela nedávno dělali našim předkům společnost příslušníci druhů Homo neanderthalensis, Homo floresiensis či vymírajícího Homo erectus. Vědce zabývající se paleoantropologií přitom odedávna zajímalo, zda se populace různých druhů rodu Homo setkávaly, či zda se dokonce nemohly křížit. Předchozí výzkumy popsaly mezidruhové sexuální kontakty vedoucí ke vzniku životaschopného potomstva – doklady těchto událostí si neseme v sobě jako neandertálskou stopu v genomu. Badatelům však drahnou dobu vrtalo hlavou, proč nenachází obdobnou lidskou stopu v genomu neandertálců. Konec této záhady přináší studie týmu Martina Kuhlwilma zveřejněná v únoru 2016 v časopise Nature. Dokládá totiž existenci genového toku od moderních lidí k altajským neandertálcům.

Homininé z Altaje

Počkat, že jste ještě neslyšeli o altajských neandertálcích? Jakkoli jsou naleziště pozůstatků neandertálců koncentrována v Evropě a na Blízkém východě, jejich rozšíření bylo geograficky rozsáhlejší. Aktuálně nejvýchodnější nálezy pochází z Tešik-Taše (angl. přepis Teshik-Tash) v Uzbekistánu a z Děnisovovy jeskyně právě v pohoří Altaj na jižní Sibiři.

Mapa nalezišť fosilií neandertálců, děnisovanů a moderních lidí. Kliknutím přejdete na interaktivní mapu.

Mapa znázorňující naleziště fosilií neandertálců, děnisovanů a moderních lidí, zmiňovaných v textu. Zdroj: Autoři článku. (kliknutím přejdete na interaktivní mapu)

Jak konkrétně tito altajští neandertálci vypadali a nakolik jejich morfologie odpovídala klasickým evropským neandertálcům s jejich robustními podsaditými těly, relativně krátkými končetinami, velkou hmotností těla a objemnými mozky?

Na tyto otázky zatím odpovědět nedokážeme, jelikož naše znalosti o neandertálcích z Altaje jsou založeny na jedné fosilii proximálního článku prstu nohy dospělé ženy.

Příbuznost fosilie není postavena na charakteristické morfologii neandertálského prstu, ačkoli článek nese neandertálské znaky, ale především na analýze DNA. Vzhledem k miniaturnímu objemu nalezeného kosterního materiálu je paradoxem, že z něj získané údaje o DNA patří k těm nejúplnějším, jež se podařilo v rámci výzkumů minulých populací rodu Homo získat. Díky analýze DNA například víme, že populace altajských neandertálců byla malá a běžně tak docházelo k páření mezi blízkými příbuznými – přímo rodiče zkoumané neandertálské ženy byli příbuzní na úrovni nevlastních sourozenců či strýce s neteří.

První vysoce kvalitní sekvence neandrtálského genomu vznikla díky vzorku špičky kosti neandrtálské ženy. (autor: Bence Viola)

První vysoce kvalitní sekvence neandrtálského genomu vznikla díky vzorku z článku prstu neandrtálské ženy. (autor: Bence Viola)

Děnisovova jeskyně, z níž pochází zmíněný článek prstu altajského neandertálce, se již dříve proslavila jinými nálezy, fosiliemi takzvaných děnisovanů (viz Vesmír 93, 208, 2014). Ani jejich kosterní pozůstatky nejsou početné, tvoří je část článku prstu ruky nedospělce (dnes již zničeného kvůli analýze mitochondriální DNA) a dvě stoličky. Datování děnisovských nálezů naznačuje, že děnisované a neandertálci byli přibližně současníci (pozůstatky altajských neandertálců jsou ve vrstvě jen o několik málo tisíc let starší než pozůstatky děnisovanů) a obývali Altaj před zhruba 50 tisíci lety.

Porovnání genomu děnisovanů s genomy neandertálců a současných lidí naznačuje existenci předchozí společné populace děnisovanů a neandertálců, jež se oddělila od linie moderních lidí před zhruba 600 tisíci lety a následně se před asi 400 tisíci lety rozdělila do neandertálské a děnisovanské linie.

Porovnání genomů dvou taxonů z Děnisovské jeskyně však vyjevilo i jedno překvapivé zjištění: genom děnisovanů se odlišuje od genomu současných lidí více než genom altajských neandertálců. Kay Prüferová se svým týmem z Max-Planckova ústavu pro evoluční antropologii před dvěma roky v Nature vysvětlila toto zjištění tím, že do děnisovanského genomu přispěla po oddělení od neandertálců populace nějakého jiného hominina, jež tím odlišila děnisovanský genom od genomu současných lidí.

Tento hominin se musel oddělit od tehdy ještě společné linie neandertálců, děnisovanů a moderních lidí před více než jedním milionem let, což vedlo ke spekulacím, že by mohlo jít o hominina známého ve fosilním záznamu jako Homo erectus. Jak se ale dozvíme níže, ne všechny odlišnosti lze připsat na vrub onoho neznámého hominina. Pojďme se však ještě před tím krátce podívat, s čím vlastně badatelé zkoumající genomy dávných lidí pracují.

Starobylá DNA (aDNA)

Materiálem pro studium prastarých genomů je takzvaná starobylá DNA (aDNA; ancient DNA), což je v obecné rovině označení pro deoxyribonukleovou kyselinu získanou z pozůstatků živočichů, rostlin či mikroorganismů, u níž lze předpokládat časem podmíněné rozkladné změny. V rámci biologických výzkumů se používá k fylogenetickým studiím, rekonstrukci migračních pohybů, výživy či chorob minulých populací anebo k identifikaci pozůstatků historických osobností.

Zdrojem aDNA může být prakticky jakýkoli biologický vzorek, byl-li zachován do současnosti (kost, zub, chlup, nehet, ba i stolice). S ohledem na stáří vzorku bývá však množství získané aDNA výrazně nižší oproti výtěžku DNA získatelnému ze současných tkání, přičemž kvalita aDNA bývá rovněž nižší (v důsledku částečné degradace a vyšší míry fragmentovanosti). Vedle spontánní degradace podléhá DNA působení enzymů (zejména exonukleáz a endonukleáz bakterií či plísní) a rovněž fyzikálnímu poškození. Denaturaci a ztrátu tvaru DNA způsobuje vysoká teplota. Ultrafialové záření pak stimuluje vznik kyslíkových radikálů a fotoadičních působků, které vedou k poškození DNA na úrovni nukleotidů.

Objev moderní lidské DNA v genomu neandertálce žijícího před více než 50 tisíci lety, navíc v tak odlehlé oblasti jako Altaj, je spíše překvapivý.

Vzhledem ke svému charakteru vyžaduje práce s aDNA specifické podmínky. Zejména je třeba vyhnout se riziku kontaminace, přičemž ke kontaminaci vzorku cizorodou DNA může dojít v jakékoli fázi zpracování, a to počínaje jeho odhalením (např. při archeologickém výzkumu). Vzhledem k nízkým výtěžkům aDNA může i slabá kontaminace vést ke zcela zmatečnému či chybnému výsledku analýz, což dokládají i skutečné případy, kdy musely být zcela revidovány výsledky významných výzkumů.

Analýza aDNA se dále v podstatě shoduje s analýzou současné DNA pro evoluční studie. Soustředí se na dva druhy polymorfismů, tedy variabilních znaků DNA, a to na sekvenční a délkové. Sekvenčními polymorfismy rozumíme záměnu různých nukleotidů na téže pozici ve vlákně DNA (tzv. SNP; single nucleotide polymorphism). Délkovými polymorfismy pak zejména variabilní počet opakování základního motivu v blocích mnohonásobně opakovaných sekvencí, z nichž se systematicky využívají zejména mikrosatelity (tzv. STR, short tandem repeats). S jejich pomocí je poté možné pokusit se rekonstruovat evoluční vztahy mezi zkoumanými organismy.

K samotnému srovnávání genomů minulých a současných jedinců a datování jejich rozrůznění (divergencí) a křížení jsou používány velmi komplikované statistické modely. Vzhledem k množství neznámých proměnných, jež do nich vstupují, se na konkrétní hodnoty míry mísení a datování rozrůznění a křížení mezi populacemi musíme dívat s obezřetností. Testování existence genového toku jsou navíc založené na předpokladu jedné epizody mezipopulačního kontaktu, což je zcela jistě přílišné zjednodušení.

Hledání lidské stopy v neandertálském genomu

V aktuální studii španělští vědci vedení Martinem Kuhlwilmem využili oba do značné míry úplné genomy z Děnisovovy jeskyně, nově osekvenované chromozomy 21 evropských neandertálců z nalezišť El Sidrón ve Španělsku a Vindija v Chorvatsku (jejich dříve publikované úplné genomy byly neúplné) a srovnávací genomy současných lidí z afrických i mimoafrických populací. Cílem studie bylo zjistit, zda mohlo dojít ke genovému toku od moderních lidí k předkům altajských neandertálců, jinými slovy zda můžeme v neandertálském genomu odhalit DNA anatomicky moderních lidí. Opačný směr genového toku vedoucí k přítomnosti neandertálských genů v genomu moderních lidí již popsán byl.

U jedince Oase 1 (…) neandertálská DNA tvořila 6 až 9 procent jeho genomu.

Podle původních odhadů je míra neandertálského původu současných neafrických lidských populací mezi jedním až čtyřmi procenty, novější odhady zredukovaly toto rozpětí na 1,5–2,1 procenta. Časově je příspěvek neandertálců do moderního lidského genomu připadá na období před 47 až 65 tisíci lety, a mohl by tudíž souviset s expanzí anatomicky moderních lidí s technologiemi svrchního paleolitu z Afriky. Dnes už se však nemusíme spoléhat jen na neandertálskou DNA v nás, současných lidech. Doklady o genovém toku od neandertálců k moderním lidem přinášejí i poslední analýzy genomu dvou lidí svrchního pleistocénu. Před 45 tisíci lety žil v Usť-Išim (ang. Ust’-Ishim) na západní Sibiři moderní člověk, jehož genom nese stopy po křížení s neandertálci 7 až 13 tisíc let před jeho životem.

Předci jedince dnes označovaného jako Oase 1, žijícího před 40 tisíci lety v oblasti dnešního Rumunska, se s neandertálci křížili dokonce jen pouhých 4 až 6 generací před jeho narozením. Není divu, že neandertálská DNA tvořila 6 až 9 procent jeho genomu.

Absence dokladu genového toku od moderních lidí k neandertálcům byla pro antropology záhadou, zdůvodňovanou nejčastěji tím, že neandertálci, jejichž genom jsme měli k dispozici, mohli žít před kontaktem s moderními lidmi, a tudíž u nich nebylo co detekovat.

Žádné populace současných neandertálců, jejichž genom bychom mohli podrobit zkoumání (tak jako v případě současných lidí) bohužel známy nejsou a vědcům tedy nezbývalo než čekat na osekvenování nových, ideálně mladších fosilií neandertálců.

Detekce moderní lidské DNA v genomu neandertálce žijícího před více než 50 tisíci lety, navíc v tak odlehlé oblasti jako Altaj, je tudíž spíše překvapivá.

Článek prstu mladé dívky, nalezený v roce 2008 v Děnisovově jeskyni. (Originál zničen při studiu mtDNA, replika v Muzeu přírodních věd v belgickm Bruselu. Autor: Thilo Parg, CC BY-SA 3.0

Článek prstu mladé dívky, nalezený v roce 2008 v Děnisovově jeskyni. (Originál zničen při studiu mtDNA, replika v Muzeu přírodních věd v belgickém Bruselu. Autor: Thilo Parg, CC BY-SA 3.0

Kde se vzala lidská DNA

Jak vlastně identifikace lidské DNA v neandertálském genomu probíhala? Autoři předkládají dvě linie důkazů. První linie je založena na studiu míry rozrůznění. Tato analýza vyjevila, že oblasti genomu neandertálců, jež se nejvíce podobají současným africkým populacím, se zároveň výrazně odlišují od genomu děnisovanů. V kontrastu s tím se ty části děnisovanského genomu, které se nejvíce podobají africkým populacím, zároveň podobají i neandertálcům. Jakoby tudíž neandertálci měli se současnými Afričany společného něco navíc oproti děnisovanům, a toto „něco navíc“ je nejsnáze vysvětleno jako důsledek genového toku od anatomicky moderních lidí ke genomu neandertálců.

Druhá linie důkazů o moderní lidské stopě v neandertálské DNA vede přes porovnávání haplotypů (konkrétních sestav sekvenčních a délkových polymorfismů) altajských neandertálců, děnisovanů a jednotlivých současných afrických populací a umožňuje odhadnout směr i datování genového toku.

Vzhledem k datu oddělení neandertálské linie od linie moderních lidí by měla být většina haplotypů sdílených současnými lidskými populacemi a neandertálci starých a „krátkých“ (obsahujících nízký počet opakujících se úseků v délkových polymorfismech). Genový tok od moderních lidí k neandertálcům by měl haplotypy v neandertálském genomu „omladit“ a oproti děnisovanům by tak měli altajští neandertálci mít část haplotypů mladších a „delších“.

Porovnání neandertálského genomu s genomy šesti Afričanů, po dvou jedincích z populací Sanů, Mbuti a Jorubů skutečně ukazuje, že neandertálský genom obsahuje oproti děnisovanskému genomu více mladých a „krátkých“ afrických haplotypů.

Neandertálci si od moderních lidí „vzali“ úsek v genu s možným významem pro vývoj řeči.

Většina těchto mladých haplotypů vznikla v genomu afrických populací anatomicky moderních lidí před 100 až 230 tisíci lety, což naznačuje, že ke křížení a genovému toku od anatomicky moderních lidí do genomu předků altajských neandertálců došlo přibližně před 100 tisíci lety, a tudíž dlouho před tím, nežli ke genovému toku od neandertálců do genomu anatomicky moderních lidí.

Snaha blíže identifikovat populaci dárců DNA neandertálcům porovnáním podobnosti genomů nejstarších afrických populací genomu altajského neandertálce vedla k závěru, že prastaré africké populace mají k neandertálcům přibližně stejně blízko. Zdrojem genového toku od moderních lidí k neandertálcům tudíž musela být populace, jež se od předků všech moderních lidí oddělila buď před, nebo krátce po oddělení Sanů (kteří jsou považováni za jedny z nejodlišnějších od ostatních lidských populací) od linie ostatních moderních lidí, k čemuž došlo před cca 108 až 157 tisíci lety.

Moderní lidé a evropští neandrtálci – tudy stopa nevede

Autory studie dále zajímalo, zda moderní lidé přispěli i do genomu evropských neandertálců. Za tímto účelem porovnali sekvence chromosomu 21 altajských a evropských neandertálců s moderními lidmi. Z porovnání vyplývá, že moderní lidé do genomu evropských neandertálců nepřispěli. To by naznačovalo, že ke vnesení genů moderních lidí do genomu neandertálců (introgresi) došlo až po oddělení altajské a evropské linie neandertálců před 110 tisíci lety (68 až 167 tisíci lety).

Demografický vývoj archaických a moderních lidí (a) Schématické vyjádření šesti událostí introgrese a směru a míry genového toku. Pět z nich bylo již popsáno dříve, a to včetně genového toku od neznámé archaické populace do genomu děnisovanů (modrá šipka). Nově popisovaný genový tok od anatomicky moderních lidí do genomu altajských neandertálců znázorňuje červená šipka. Zdá se, že jeho původcem je populace, která se buď odštěpila od předků dnešních Afričanů, anebo se oddělila v rámci velmi rané historie afrických populací (znázorněno kružnicí). (b) Znázornění efektivní velikosti a rozrůznění populací. Vodorovné linky ukazují odhadovaný čas rozrůznění. Nálezy archaických lidí jsou vyjádřeny tečkami podle odhadovaného stáří. Převzato z Kuhlwilm a kol. (2016), Nature.

Demografický vývoj archaických a moderních lidí (a) Schématické vyjádření šesti událostí introgrese a směru a míry genového toku. Pět z nich bylo již popsáno dříve, a to včetně genového toku od neznámé archaické populace do genomu děnisovanů (modrá šipka). Nově popisovaný genový tok od anatomicky moderních lidí do genomu altajských neandertálců znázorňuje červená šipka. Zdá se, že jeho původcem je populace, která se buď odštěpila od předků dnešních Afričanů, anebo se oddělila v rámci velmi rané historie afrických populací (znázorněno kružnicí). (b) Znázornění efektivní velikosti a rozrůznění populací. Vodorovné linky ukazují odhadovaný čas rozrůznění. Nálezy archaických lidí jsou vyjádřeny tečkami podle odhadovaného stáří. Převzato z Kuhlwilm a kol. (2016), Nature.

Není ale vyloučeno, že budoucí analýza úplného genomu evropských neandertálců stopy moderních lidí vyjeví.

Autoři dále spekulují, že místem setkání přispívající populace moderních lidí a předků altajských neandertálců mohl být Blízký východ. Tato oblast se pro rendez-vous nabízí jednak proto, že je na půli (suchozemské) cesty mezi Afrikou a Altajem, a jednak proto, že odsud máme pro ono inkriminované období fosilní evidenci o působení moderních lidí i neandertálců. Sama molekulární evidence však ke geografickému určení genového toku žádné vodítko nedává.

A co že si to ti neandertálci od moderních lidí vlastně „vzali“? Asi nezajímavější lidskou stopou v neandertálském genomu se zdá být úsek v genu FOXP2, jenž kóduje transkripční faktor, který by mohl mít význam pro vývoj řeči.

Aktuální studie konečně dokládá existenci předpokládaného, ale dlouho marně hledaného genového toku od moderních lidí k neandertálcům. Výsledky naznačují, že směřoval pouze k předkům altajských neandertálců, ale nikoli k neandertálcům evropským. Zdá se, že probíhal o několik desítek tisíc let dříve než dříve zdokumentovaný opačný genový tok od neandertálců k moderním lidem. Tato nová zjištění nás opět o krok posouvají v našich snahách o objasnění vztahů mezi různými druhy rodu Homo.

Použitá literatura

Fu Q, Hajdinjak M, Moldovan OT, Constantin S, Mallick S, Skoglund P, Patterson N, Rohland N, Lazaridis I, Nickel B, Viola B, Prüfer K, Meyer M, Kelso J, Reich D, Pääbo S. 2015. An early modern human from Romania with a recent Neanderthal ancestor. Nature 524:216–219.

Fu Q, Li H, Moorjani P, Jay F, Slepchenko SM, Bondarev AA, Johnson PLF, Aximu-Petri A, Prüfer K, de Filippo C, Meyer M, Zwyns N, Salazar-García DC, Kuzmin YV, Keates SG, Kosintsev PA, Razhev DI, Richards MP, Peristov NV, Lachmann M, Douka K, Higham TFG, Slatkin M, Hublin J-J, Reich D, Kelso J, Viola TB, Pääbo S. 2014. Genome sequence of a 45,000-year-old modern human from western Siberia. Nature 514:445–449.

Green RE, Krause J, Briggs AW, Maricic T, Stenzel U, Kircher M, Patterson N, Li H, Zhai W, Fritz MH-Y, Hansen NF, Durand EY, Malaspinas A-S, Jensen JD, Marques-Bonet T, Alkan C, Prufer K, Meyer M, Burbano HA, Good JM, Schultz R, Aximu-Petri A, Butthof A, Hober B, Hoffner B, Siegemund M, Weihmann A, Nusbaum C, Lander ES, Russ C, Novod N, Affourtit J, Egholm M, Verna C, Rudan P, Brajkovic D, Kucan Z, Gusic I, Doronichev VB, Golovanova LV, Lalueza-Fox C, de la Rasilla M, Fortea J, Rosas A, Schmitz RW, Johnson PLF, Eichler EE, Falush D, Birney E, Mullikin JC, Slatkin M, Nielsen R, Kelso J, Lachmann M, Reich D, Paabo S. 2010. A Draft Sequence of the Neandertal Genome. Science 328:710–722.

Gronau I, Hubisz MJ, Gulko B, Danko CG, Siepel A. 2011. Bayesian inference of ancient human demography from individual genome sequences. Nat Genet 43:1031–1034. Kuhlwilm M, Gronau I, Hubisz MJ, de Filippo C, Prado-Martinez J, Kircher M, Fu Q, Burbano HA, Lalueza-Fox C, de la Rasilla M, Rosas A, Rudan P, Brajkovic D, Kucan Ž, Gušic I, Marques-Bonet T, Andrés AM, Viola B, Pääbo S, Meyer M, Siepel A, Castellano S. 2016. Ancient gene flow from early modern humans into Eastern Neanderthals. Nature 530:429–433.

Mednikova MB. 2011. A proximal pedal phalanx of a Paleolithic hominin from denisova cave, Altai. Archaeol Ethnol Anthropol Eurasia 39:129–138.

Prüfer K, Racimo F, Patterson N, Jay F, Sankararaman S, Sawyer S, Heinze A, Renaud G, Sudmant PH, de Filippo C, Li H, Mallick S, Dannemann M, Fu Q, Kircher M, Kuhlwilm M, Lachmann M, Meyer M, Ongyerth M, Siebauer M, Theunert C, Tandon A, Moorjani P, Pickrell J, Mullikin JC, Vohr SH, Green RE, Hellmann I, Johnson PLF, Blanche H, Cann H, Kitzman JO, Shendure J, Eichler EE, Lein ES, Bakken TE, Golovanova LV, Doronichev VB, Shunkov MV, Derevianko AP, Viola B, Slatkin M, Reich D, Kelso J, Pääbo S. 2014. The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains. Nature 505:43–49.

Sankararaman S, Patterson N, Li H, Pääbo S, Reich D. 2012. The Date of Interbreeding between Neandertals and Modern Humans. PLOS Genet 8:e1002947.

 

Titulní ilustrace: Dora Čančíková

Print Friendly

Tagy

O autorovi

Martin Hora a Roman Šolc

Martin Hora a Roman Šolc

Mgr. Martin Hora je doktorandem na katedře antropologie a genetiky člověka PřF UK. Věnuje se rekonstrukci lokomoce a manipulace dávných lidských populací, k čemuž využívá analýzy pohybu živých lidí, biomechanické modelování a studium lidských kosterních pozůstatků. Mgr. Roman Šolc (*1986) je doktorandem téže katedry, specializuje se na molekulární cytogenetiku člověka. Dále se zabývá evoluční biologií, didaktikou biologie a styčnými plochami mezi biologií a jinými vědami o člověku.