Предки современных шимпанзе и бонобо неоднократно скрещивались друг с другом

Рис. 1. Шимпанзе и бонобо (вверху) разделились около 2 млн лет назад, сапиенсы и неандертальцы — на 1,5 млн лет позже. В обоих случаях между видами успела развиться частичная генетическая несовместимость, и в обоих случаях это не препятствовало эпизодической гибридизации. Изображения с сайтов nat-geo.ru, pinterest.com, en.wikipedia.org, presspublica.gr

Сравнительный анализ 65 полных геномов шимпанзе и 10 геномов бонобо показал, что между этими видами, разделившимися 2 млн лет назад, неоднократно происходил генетический обмен. Из четырех подвидов шимпанзе наибольшая примесь генов бонобо (около 2,4%) обнаружена у центрального подвида Pan troglodytes troglodytes, наименьшая — у западного подвида P. t. verus. Исследование показало, что эпизодическая гибридизация видов, разошедшихся сотни тысяч и даже миллионы лет назад, — не уникальная особенность рода Homo, а скорее общее правило для человекообразных.

Развитие методов секвенирования и сравнительного анализа геномов позволило в деталях реконструировать популяционную историю человечества и, в частности, обнаружить следы неоднократной гибридизации наших предков с представителями других видов рода Homo — неандертальцами и денисовцами (см. ссылки в конце новости). Известно, что межвидовая и даже межродовая гибридизация — совсем не редкость в животном мире, в том числе у млекопитающих (см., например: Европейские зубры появились еще в плейстоцене, «Элементы», 20.10.2016; В плейстоцене белые медведи скрещивались с бурыми, «Элементы», 22.07.2011). Однако до сих пор оставалось неясным, является ли эволюционная история рода Homo, включающая многочисленные эпизоды межвидовой гибридизации, специфической особенностью именно этого рода (связанная, например, с его уникальными расселительными способностями), или это обычная картина для человекообразных.

Чтобы приблизиться к ответу на этот вопрос, логично было бы применить мощнейшие методы сравнительной геномики, разработанные в ходе изучения истории человеческого рода, к нашим ближайшим родственникам — шимпанзе (Pan troglodytes) и бонобо (Pan paniscus). Эти два вида разошлись около 2 млн лет назад. В неволе они с удовольствием скрещиваются и производят жизнеспособное гибридное потомство (см.: H. Vervaecke & L. Van Elsacker, 1992. Hybrids between common chimpanzees (Pan troglodytes) and pygmy chimpanzees (Pan paniscus) in captivity). Правда, данных о плодовитости этих гибридов, по-видимому, нет, равно как и зафиксированных случаев гибридизации в природе. Палеонтологическая летопись рода Pan крайне скудна (S. McBrearty & N. G. Jablonski, 2005. First fossil chimpanzee), поэтому сравнительная геномика — это единственно возможный на сегодня подход к реконструкции популяционной истории шимпанзе и бонобо.

Международная команда генетиков проанализировала полные геномные последовательности 65 шимпанзе из разных частей обширного, фрагментированного ареала этого вида и 10 геномов бонобо, занимающих компактный небольшой ареал к югу от реки Конго. Геномы бонобо и 25 шимпанзе были опубликованы ранее, а дополнительные 40 геномов шимпанзе тщательно (с 25-кратным покрытием, см. coverage) отсеквенировали специально для этого исследования. В выборку попали представители всех четырех подвидов шимпанзе (рис. 2).

Рис. 2. Ареалы четырех подвидов обыкновенного шимпанзе (Pan troglodytes): западный подвид P. t. verus (синий), нигерийско-камерунский подвид P. t. ellioti (красный), центральный подвид P. t. troglodytes (зеленый), восточный подвид P. t. schweinfurthii.(оранжевый). Ареал бонобо (Pan paniscus) показан сиреневым цветом. DRC — Демократическая Республика Конго. Кружочками показаны места, откуда происходят изученные шимпанзе. Большие круги означают, что район происхождения удалось установить лишь с точностью до страны (Камерун, Экваториальная Гвинея). Точки за пределами ареала означают, что в этих точках шимпанзе были конфискованы у браконьеров или торговцев, а откуда они происходят, точно установить не удалось. Кружками с черным контуром показаны места, к которым были условно «приписаны» такие животные. Рисунок из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Самым генетически разнообразным оказался «центральный» подвид P. t. troglodytes. Это, наряду с результатами специальных тестов и моделирования, говорит о том, что в прошлом у данного подвида всегда была довольно высокая численность, в то время как генофонды трех других подвидов несут следы «бутылочных горлышек», ведущих к снижению генетического разнообразия.

Авторы сопоставили генетические различия между особями с географическими координатами мест, откуда они происходят, и пришли к выводу, что по геному вполне реально определить место рождения данного индивида — с точностью до страны, а порой и до региона внутри страны. Чтобы убедиться в этом, были дополнительно отсеквенированы (с низким покрытием) геномы шести шимпанзе с точно известным районом происхождения, а также пробы ДНК из фекалий. Во всех случаях удалось по ДНК правильно определить страну и регион. Этот результат важен для природоохранных мер, поскольку он позволит точнее устанавливать происхождение шимпанзе, конфискованных у браконьеров и нелегальных торговцев.

Для поиска следов гибридизации с бонобо авторы использовали те же подходы, которые ранее позволили доказать наличие неандертальской примеси у внеафриканских популяций Homo sapiens, денисовской примеси у австралийцев и новогвинейцев, а также архаичной сапиентной примеси у алтайских неандертальцев (см.: Геном неандертальцев прочтен: неандертальцы оставили след в генах современных людей, «Элементы», 10.05.2010; У алтайских неандертальцев найдены гены архаичных сапиенсов, а у денисовцев — гены гейдельбергских людей, «Элементы», 25.02.2016). Эти подходы основаны на сопоставлении числа общих производных (не таких, как у предка) аллелей в разных геномах. В простейшем варианте метод работает следующим образом. Допустим, что в определенной позиции в геноме человека и некоторых шимпанзе стоит нуклеотид А, а у бонобо и других шимпанзе — нуклеотид Г. Тогда логично предположить, что А — это предковое состояние данного локуса, а Г — производное. Стало быть, у второй группы шимпанзе и у бонобо имеется общий производный аллель. Нужно подсчитать все такие аллели для всех шимпанзе. И если окажется, что в каких-то популяциях шимпанзе число общих с бонобо производных аллелей существенно больше, чем в других, это будет веским доводом в пользу того, что уже после расхождения предков шимпанзе и бонобо в первую группу популяций шимпанзе был приток генов от бонобо. Именно таким способом удалось доказать, что значительная порция неандертальских генов проникла в генофонд предков внеафриканского человечества, но не попала к коренным африканцам.

Оказалось, что у восточного, камерунско-нигерийского и, в особенности, центрального подвидов шимпанзе намного больше общих с бонобо продвинутых аллелей, чем у западного подвида. Вообще-то этот факт был обнаружен ранее, но до сих пор неполнота данных не позволяла исключить альтернативные объяснения. Например, западные шимпанзе, теоретически, могли потерять часть общих с бонобо аллелей из-за генетического дрейфа, особенно сильного в маленьких популяциях.

Имея на руках большое число качественно отсеквенированных геномов (что, помимо прочего, позволило исключить случайные ошибки и загрязнения как возможную причину обнаруженной закономерности), авторы смогли провести дополнительные тесты, результаты которых подтвердили гипотезу о гибридизации. Например, если избыток общих с бонобо аллелей у центрального подвида шимпанзе действительно объясняется гибридизацией, то следует ожидать, что наиболее часто у центральных шимпанзе будут встречаться те аллели бонобо, которые у самих бонобо встречаются с высокой частотой (поскольку при гибридизации вид-реципиент получает в первую очередь самые распространенные аллели вида-донора). Это было проверено и подтвердилось. Кроме того, если рассматриваемые аллели попали в генофонд центральных, восточных и нигерийско-камерунских шимпанзе в результате гибридизации с бонобо, то эти аллели должны встречаться в популяциях шимпанзе с определенной (как правило, низкой) частотой. Если бы эти аллели были унаследованы от общего с бонобо предка, то многие из них уже успели бы зафиксироваться (достичь 100-процентной частоты). Распределение частот аллелей у шимпанзе совпало с предсказаниями гипотезы о гибридизации.

Авторы выделили в геномах «незападных» шимпанзе многочисленные участки ДНК чужеродного происхождения длиной от 50 тысяч пар оснований (характерным признаком таких участков является повышенное сходство с геномом бонобо на всем протяжении и повышенная гетерозиготность). Больше всего бонобьей ДНК обнаружилось у центрального подвида (2,4% генома), на втором месте — восточный подвид, на третьем — нигерийско-камерунский (рис. 3). Оказалось, что участки геномов незападных шимпанзе, наиболее сходные с бонобо, одновременно являются наиболее сильно отличающимися от западных шимпанзе. Это опять-таки свидетельствует в пользу гибридизации. Другие примененные тесты дали аналогичные результаты. Таким образом, факт проникновения генов бонобо в генофонд шимпанзе можно считать доказанным.

Рис. 3. Доля бонобьей ДНК в геномах шимпанзе из четырех подвидов, слева направо: западный, центральный, восточный, нигерийско-камерунский. Цифры обозначают число привнесенных участков длиной от 50 тыс. пар оснований, высота столбиков — процент от общего размера генома. Более темным цветом показана доля привнесенных участков, встреченных только у данного подвида шимпанзе, серым — определенная при помощи моделирования доля ложноположительных результатов, то есть то, что получилось бы, если бы никакой гибридизации на самом деле не было. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Дальнейший анализ показал, что те области генома шимпанзе, в которых обнаружены фрагменты бонобьего происхождения, в среднем находятся под более слабым действием очищающего отбора — то есть являются менее важными для жизни — по сравнению с участками, в которых нет чужеродных фрагментов. Это крайне важный результат, свидетельствующий о том, что к моменту гибридизации между шимпанзе и бонобо успела развиться частичная генетическая несовместимость (см.: Генетическая несовместимость нарастает по параболе, «Элементы», 26.09.2010). Многие фрагменты ДНК бонобо в генетическом контексте шимпанзе оказались вредными (снижающими приспособленность, то есть эффективность передачи генов следующим поколениям) и постепенно отбраковывались отбором. Поэтому в функциональных участках генома их осталось меньше, чем в «мусорных». Такой же вывод (и на таких же основаниях) ранее был сделан в отношении сапиенсов и неандертальцев (см.: Между сапиенсами и неандертальцами существовала частичная репродуктивная изоляция, «Элементы», 03.02.2014).

Дальнейший анализ, основанный на построении филогенетических деревьев по отдельным фрагментам ДНК (гаплотипам) и определении времени происхождения каждого гаплотипа, позволил реконструировать наиболее вероятную историю современных популяций шимпанзе (рис. 4).

Рис. 4. Итоговая реконструкция популяционной истории шимпанзе. Временная шкала (в тысячах лет назад) показана справа. Цифры у точек ветвления отражают время дивергенции соответствующих линий (слева направо: западные, нигерийско-камерунские, восточные и центральные шимпанзе; бонобо). Стрелками показаны эпизоды гибридизации; цифры над стрелками отражают предполагаемую интенсивность миграции в условных единицах. Коричневые стрелки — приток генов от бонобо к шимпанзе; синие — миграции между подвидами. Пунктирная стрелка показывает предполагаемый обмен генами между предками всех современных популяций шимпанзе и бонобо, серая — более поздний приток генов шимпанзе в генофонд бонобо. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

По-видимому, было по меньшей мере два периода привноса генов бонобо в генофонд шимпанзе. Первый раз это происходило еще до разделения центрального и восточного подвидов, примерно 500–200 тыс. лет назад. В этот период гены бонобо попали к общим предкам двух подвидов. Еще один такой эпизод имел место менее 200 тысяч лет назад, и на этот раз гены бонобо попали только к западному подвиду. В генофонд нигерийско-камерунского подвида гены бонобо, возможно, попали окольным путем, вместе с мигрантами из центральных и восточных популяций шимпанзе, у которых уже была примесь генов бонобо. Кроме того, в более глубокой древности могли иметь место дополнительные эпизоды обмена генами между предками современных популяций шимпанзе и бонобо, причем гены переносились в обе стороны.

Таким образом, исследование показало, что эпизодическая гибридизация между близкими (разошедшимися от 0,5 до 2 млн лет назад) видами не является уникальной особенностью рода Homo. То же самое было характерно и для рода Pan. Мы видим, что частичная генетическая несовместимость, развивающаяся за это время между дивергирующими видами (и показывающая, кстати, что их следует считать именно разными видами, а не подвидами или разновидностями), вовсе не является непреодолимым препятствием для гибридизации. Не исключено, что столь долго сохраняющаяся способность к генетическому обмену между разошедшимися видами идет им на пользу, потому что таким способом можно получать полезные аллели, которые в данном генофонде не возникли или потерялись. На дарвиновых вьюрках такой эффект межвидовой гибридизации показан достаточно убедительно (см.: Расшифрованы генетические основы быстрых эволюционных изменений размера клюва у дарвиновых вьюрков, «Элементы», 25.04.2016).

Помимо прочего, исследование заставляет по-новому взглянуть на взаимоотношения многочисленных ископаемых видов гоминид с перекрывающимся временем существования, обитавших в Африке 3,0–1,5 млн лет назад. В свете новых данных о шимпанзе и бонобо довольно трудно поверить, что все эти Homo habilis, H. ergaster, H. rudolfensis, Australopithecus sediba, Paranthropus boisei, P. robustus и иже с ними совсем не скрещивались друг с другом и не производили плодовитого гибридного потомства. Ведь на тот момент, когда все эти виды вместе жили в Африке, время их дивергенции едва ли превышало 2 млн лет.

Источник: M. de Manuel et al. Chimpanzee genomic diversity reveals ancient admixture with bonobos // Science. 2016. V. 354. P. 477–481. DOI: 10.1126/science.aag2602.

См. также:
1) Прочтен ядерный геном человека из Денисовой пещеры, «Элементы», 23.12.2010.
2) Новые геномные данные позволили уточнить историю заселения Евразии и Австралии, «Элементы», 28.09.2016.
3) У алтайских неандертальцев найдены гены архаичных сапиенсов, а у денисовцев — гены гейдельбергских людей, «Элементы», 25.02.2016.

Александр Марков