Четири изследователски статии, публикувани в Nature, проследяват генетичните следи и географския произход на човешките болести далеч назад във времето.

Анализите предоставят подробни картини на праисторическото човешко разнообразие и миграция, като същевременно предлагат обяснение за нарастването на генетичния риск от множествена склероза.

Чрез анализиране на данни от най-големия в света набор от данни до момента за 5000 древни човешки генома от Европа и Западна Азия (Евразия), нови изследвания разкриват праисторическия човешки генофонд в Западна Евразия в безпрецедентни подробности.

Резултатите са представени в четири статии, публикувани в един и същ брой на Nature от международен екип от изследователи, ръководен от експерти от Университета на Копенхаген и приноси от около 175 изследователи от университети и музеи във Великобритания, САЩ, Германия, Австралия, Швеция, Дания, Норвегия, Франция, Полша, Швейцария, Армения, Украйна, Русия, Казахстан и Италия. Множеството изследователи представят широк спектър от научни дисциплини, включително археология, еволюционна биология, медицина, изследване на древна ДНК, изследване на инфекциозни заболявания и епидемиология.

Изследователските открития, представени в статиите в Nature, се основават на анализи на подгрупа от 5000 генома и включват:

1. Огромните генетични последици от културно определената бариера, която допреди около 4000 години се е простирала през Европа от Черно море на юг до Балтийско море на север.
2. Картографиране на това как рисковите гени за няколко заболявания, включително диабет тип 2 и болестта на Алцхаймер, са били разпръснати в Евразия в резултат на големи миграционни събития преди повече от 5000 години.
3. Нови научни доказателства за древни миграции, обясняващи защо разпространението на множествената склероза е два пъти по-високо в Скандинавия, отколкото в Южна Европа.
4. Картографиране на две почти пълни промени на населението в Дания в рамките на едно хилядолетие.

Времевите разрези показват как западните ловци-събирачи (Italy_15000BP_9000BP) са заменени с неолитни земеделци (Boncuklu_10000BP) по време на неолитния преход в Европа. По-късно степните миграции преди около 5000 въвеждат в Европа както източните ловци-събирачи (MiddleDon_7500BP), така и кавказски ловци-събирачи (Caucasus_13000BP_10000BP) като по този начин намалява потомците на неолитните земеделци. Кредит: Morten E. Allentoft et al, Population genomics of post-glacial western Eurasia, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06865-0

Проектът за 5000 древни човешки генома

Безпрецедентният набор от данни от 5000 древни човешки генома бе реконструиран чрез анализ на кости и зъби, предоставен благодарение на научното партньорство с музеи и университети в Европа и Западна Азия. Усилията за секвениране са постигнати с помощта на силата на технологията Illumina.

Възрастта на екземплярите варира от мезолита и неолита през бронзовата епоха, желязната епоха и периода на викингите до Средновековието. Най-старият геном в набора от данни е от индивид, живял преди приблизително 34 000 години.

"Първоначалната цел на проекта за древни човешки геноми бе да се реконструират 1000 древни човешки генома от Евразия като нов прецизен инструмент за изследване на мозъчни разстройства", казват тримата професори от университета в Копенхаген, които през 2018 г. представят идеята за набора от ДНК данни и очертават първоначалната концепция на проекта: Еске Вилерслев (Eske Willerslev), експерт по анализ на древна ДНК, съвместно в университета в Кеймбридж, и директорът на проекта; Томас Верге (Thomas Werge), експерт по генетични фактори, лежащи в основата на психичните разстройства, и ръководител на Института по биологична психиатрия; и Расмус Нилсен (Rasmus Nielsen), експерт по статистически и изчислителни анализи на древна ДНК, съвместно в Калифорнийския университет, Бъркли, САЩ.

Целта бе да се произведе уникален древен геномен набор от данни за изучаване на следите и генетичната еволюционна история на мозъчни разстройства възможно най-назад във времето, за да се получи ново медицинско и биологично разбиране на тези разстройства. Това трябваше да бъде постигнато чрез сравняване на информация от древните ДНК профили с данни от няколко други научни дисциплини.

Сред мозъчните заболявания, които тримата професори първоначално идентифицират като кандидати за това изследване, са били неврологични състояния като болестта на Паркинсон, болестта на Алцхаймер и множествена склероза, заедно с психични разстройства като ADHD и шизофрения.

Резултатите, докладвани в Nature, са обосновани чрез сравняване на набора от древни геномни данни с деидентифицирани генетични данни от големия датски консорциум iPYSCH и ДНК профили от 400 000 съвременни хора, регистрирани в UK Biobank.

Разпространение на гена на риска на МС

Множествената склероза (МС) е невродегенеративно заболяване, при което имунната система на тялото погрешно атакува "изолацията", обграждаща нервните влакна на главния и гръбначния мозък. Това причинява обостряне на симптомите, както и по-дългосрочна дегенерация.

Чрез анализиране на ДНК на древни човешки кости и зъби, намерени на документирани места в Евразия, изследователите проследяват географското разпространение на множествената склероза от произхода й в Понтийската степ (регион, обхващащ части от днешна Украйна, Югозападна Русия и Западен Казахстан).

Те откриват, че генетичните варианти, свързани с риска от развитие на МС, са "пътували" с хората от културата Ямная – пастири на добитък, които са мигрирали през Понтийската степ в Северозападна Европа.

Тези генетични варианти осигуряват предимство за оцеляване на хората от културата Ямная, най-вероятно като ги предпазват от заразяване от овце и говеда. Но те също повишават риска от развитие на МС.

Еволюцията за справяне с патогенния натиск през бронзовата епоха влияе върху генетичния риск за множествена склероза днес

"Трябва да е било ясно предимство за хората от Ямная да носят тези гени за риск от МС, дори след пристигането си в Европа, въпреки факта, че тези гени безспорно увеличават риска от развитие на МС", коментира професор Еске Вилерслев.

Констатациите дават обяснение за "градиента север-юг", при който има около два пъти повече съвременни случаи на МС в Северна Европа, отколкото в Южна Европа, което отдавна е загадка за изследователите.

От генетична гледна точка хората от културата Ямная се смятат за предци на днешните жители на голяма част от Северозападна Европа. Тяхното генетично влияние върху днешното население на Южна Европа е много по-слабо.

Предишни проучвания са идентифицирали 233 генетични варианта, които увеличават риска от развитие на МС. Тези варианти, също повлияни от факторите на околната среда и начина на живот, увеличават риска от заболяване с около 30%. Новото изследване установява, че този съвременен генетичен рисков профил за МС присъства и в кости и зъби, които са на хиляди години.

Показвайки как начинът на живот на нашите предци е повлиял на съвременния риск от заболяване, подчертава доколко ние сме реципиенти на древни имунни системи в съвременния свят.

"Тези резултати променят нашето виждане за причините за множествената склероза и имат отражение върху начина, по който се лекува", отбелязва професор Еске Вилерслев.

Хората от културата Ямная са имали предимно тъмни коси и очи, но са били и високи. Цветът на кожата им е бил бял, но вероятно средно бял. Те са имали приблизително 50% генетичен примес от източните ловци-събирачи и 50% кавказски ловци-събирачи. Реконструкции на черепи от култура Ямная. Те наистина не приличат на съвременните човешки популации. Кредит: AWS

Допълнителни открития - Физически черти и рискове от заболяване на съвременните европейци

"Поразително е, че начинът на живот на хората в Евразийския регион през последните 10 000 години е довел до генетично наследство, което оказва влияние върху днешните им потомци по отношение както на физическия им вид, така и на риска от развитие на редица заболявания“, коментира д-р Евън Ървинг-Пийз (Evan Irving-Pease) от The Globe Institute, Университет на Копенхаген, първи автор на статията (2) в Nature.

Чрез сравняване на ДНК от 1664 археологически скелета на праисторически обитатели на Евразия - вариращи на възраст от мезолита (средната каменна епоха) до около 1000 г. пр. н. е. - с над 400 000 ДНК профила от днешни европейци, екипът е получил множество нови прозрения в нашата генетична история, включително:

Телесна височина: Северозападните европейци днес обикновено са по-високи от южните европейци – генетичното предразположение да бъдат високи вероятно идва от пастирите от Ямната култура.

Риск от заболяване: Повлиява се от това колко ДНК има човек от древните популации, мигрирали през Евразия след последната ледникова епоха. Например, южноевропейците обикновено имат много ДНК от древните неолитни земеделци и са генетично предразположени към развитие на биполярно разстройство. Северозападните европейци носят по-голям генетичен риск от множествена склероза, докато източноевропейците имат повишен генетичен риск от развитие на Алцхаймер и диабет тип 2.

Толерантност към лактоза: ДНК анализът на праисторическите жители на Евразия разкрива, че толерантността към лактоза - способността да се усвоява захарта в млякото и другите млечни продукти – възниква в Европа преди около 6000 години.

Толерантност към зеленчуци: Способността за по-добро оцеляване при диета, богата на зеленчуци, е записана в гените на европейците в зората на неолита, преди около 5900 години.

Много предизвикателства

Предпоставката за проекта бе експериментална, разказва професор Верге.

"Искахме да съберем древни човешки екземпляри, за да видим какво можем да извлечем от тях, като например да се опитаме да разберем част от околната среда за еволюцията на болестите и разстройствата. Както виждам, фактът е доста уникален, че проектът придоби толкова огромни, сложни пропорции, че Nature иска да бъде описан в четири статии."

Професор Вилерслев коментира, че съставянето на набора от данни за ДНК представлява големи логистични предизвикателства. "Нуждаехме се от достъп до археологически екземпляри от човешки зъби и кости, за които знаехме, че са разпръснати в музеи и други институции в Евразийския регион, и това изискваше много споразумения за сътрудничество. Но след като бяха поставени, нещата наистина потръгнаха - наборът от данни се разшири и сега надхвърля 5000 древни човешки генома. Размерът на набора от данни значително подобри както използваемостта, така и прецизността на резултатите."

Професор Нилсен е бил отговорен за планирането на статистическите и биоинформационните анализи на информацията, събрана от древните зъби и кости в лабораториите на университета в Копенхаген. И той се занимаваше с огромно количество данни, в които ДНК често беше силно влошена.

"Никой преди не е анализирал толкова много древни геноми. Сега трябваше да разберем как да се справим с такива огромни обеми данни. Проблемът бе, че необработените данни са много трудни за работа, защото в крайна сметка се получават много къси ДНК последователности с много грешки и след това тези последователности трябва да бъдат правилно картографирани на правилната позиция в човешкия геном. Освен това има проблем със замърсяването от всички микроорганизми, присъстващи на древните зъби и кости.

"Представете си, че имате пъзел, състоящ се от милиони части, смесени с четири други непълни комплекта пъзел, и след това пускате всичко това в съдомиялната машина за един час. Сглобяването на всичко след това не е лесна задача. Един от ключовете за нашия успех в крайна сметка бе, че се обединихме с д-р Оливие Деланау (Olivier Delanau) от университета в Лозана, който разработи алгоритми за преодоляване на същия проблем", отбелязва професор Нилсен.

Международен интерес

Слуховете, че се събира голям набор от данни за древен човешки геном, скоро се разпространяват в научните среди. И от 2022 г. интересът е много висок, разказват професорите Верге, Вилерслев и Нилсен. "Непрекъснато приемаме запитвания от изследователи по целия свят - особено тези, които изследват болести - които обикновено искат достъп, за да изследват набора от древни ДНК данни."

Четирите статии в Nature демонстрират, че големият набор от данни от 5000 генома служи като прецизен инструмент, способен да предостави нови прозрения за болестите, когато се комбинира с анализи на днешни данни за човешка ДНК и данни от няколко други изследователски области.

Това само по себе си е изключително невероятно, според професор Вилерслев. "Няма съмнение, че древен набор от геномни данни с такъв размер ще има приложения в много различни контексти в рамките на изследването на болести. С публикуването на нови научни открития, извлечени от набора от данни от 5000 генома, повече данни постепенно ще бъдат предоставени безплатно на всички изследователи. В крайна сметка пълният набор от данни ще бъде отворен за всички."

Справка:

Morten E. Allentoft et al, Population genomics of post-glacial western Eurasia, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06865-0

Evan K. Irving-Pease et al, The selection landscape and genetic legacy of ancient Eurasians, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06705-1

William Barrie et al, Elevated genetic risk for multiple sclerosis emerged in steppe pastoralist populations, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06618-z

Morten E. Allentoft et al, 100 ancient genomes show repeated population turnovers in Neolithic Denmark, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06862-3

Източник:

Discoveries gleaned from ancient human DNA, University of Copenhagen

Ancient DNA reveals reason for high MS and Alzheimer’s rates in Europe, Jacqueline Garget, Universities of Cambridge

Още по темата

13/12/2023

Медицина

Дефицитът на витамин В12 и връзката му с множествената склероза

02/08/2023

Човекът

Нова хибридна хипотеза разтърсва теориите за произхода на индоевропейските езици

06/03/2023

Човекът

Първите конници в света са били на запад от Черно море, включително по нашите земи

08/07/2016

Човекът

Създателите на западната цивилизация са били праисторически дилъри на дрога (видео)