Привело ли близкородственное скрещивание к вымиранию шерстистых мамонтов?

Это история о том, как несколько поколений ученых работали вместе, 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 между 120 000 и 12 000 лет назад. Тем не менее, причина его вымирания остается загадкой.

Мамонты бродили по обширным территориям северного полушария в период своего расцвета, но к концу ледникового периода они исчезли из большей части своего прежнего ареала. Последняя популяция мамонтов жила на острове Врангеля, небольшом острове у побережья Сибири, до своего окончательного вымирания 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 выжили 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 нежизнеспособной популяции и вымиранию.

Инбридинг может вызвать множество проблем. Портреты Карла II Испанского, последнего монарха из дома Габсбургов, показывают 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 создали набор данных из 21 генома мамонта, охватывающих последние 50 000 лет существования вида. Этот набор данных позволил нам вернуться назад во времени и изучить генетические эффекты их изоляции с течением времени.

Lonely Boy был самой ценной особью в нашем наборе данных, образцом-ключом к пониманию того, почему вымерли мамонты. Однако секвенирование ДНК Lonely Boy оказалось сложной задачей.

Приключения Одинокого Мальчика

Генерация генома для Lonely Boy потребовала множества попыток в течение почти десяти лет. В нашей первой попытке извлечь ДНК наш образец оказался зараженным человеческим загрязнением. Во второй попытке мы использовали отбеливатель, чтобы удалить как можно больше загрязнений.

Хотя это обычная практика в области древней ДНК, она также сопряжена с компромиссом, заключающимся в том, что часть ДНК мамонта также будет непреднамеренно уничтожена. В нашем случае это означало, что в образце осталось недостаточно материала мамонта для создания высококачественного генома.

В последней попытке мы объединили данные из разных фрагментов ДНК Lonely Boy. Однако ДНК из наших разных фрагментов, хотя и были похожи, выглядели так, будто принадлежали разным людям. Мы придумали самые смелые теории, чтобы объяснить эти новые результаты.

Одной из наших ведущих теорий в то время было то, что у Одинокого Мальчика было состояние, называемое «синдромом исчезающего близнеца». По-видимому, в некоторых редких случаях плод млекопитающего может поглощать генетический материал больного близнеца во время беременности. Это объяснило бы, почему экстракты ДНК выглядели похожими, но не полностью идентичными.

В конце концов, объяснение оказалось не таким уж захватывающим и все можно было отследить до вопиющего количества усилий, которые мы вложили в этот образец. Это привело к странным лабораторным артефактам (то есть всему, что затрудняет интерпретацию образца) – обычно даже не заметным – которые вносили ложную генетическую вариацию в образец. Поэтому мы создали простой фильтр для удаления этих артефактов.

Но даже после всех этих шагов Lonely Boy все еще выглядел как исключение. В этот момент мы решили передатировать образец. Lonely Boy был датирован давно, и методы с тех пор значительно улучшились.

Результат оказался большим сюрпризом. Одинокому мальчику было не 4000 лет, как предполагалось изначально, а ближе к 5500 годам, что делает его совершенно средним мамонтом в нашем наборе данных, а не последней такой особью на Земле.

Причины вымирания

Отвечая на изначальный вопрос этого проекта, нет, популяция острова Врангеля, скорее всего, не вымерла из-за близкородственного скрещивания.

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 было быть колоссальным: осталось всего восемь размножающихся особей.

Тем не менее, наши результаты показывают, что популяция быстро восстановилась до численности в 300 в течение 20 поколений и оставалась стабильной до окончательного вымирания мамонта. Мы видим, что она оставалась стабильной, поскольку в течение этого периода практически не произошло никаких изменений в уровнях инбридинга.

Однако наши результаты по вредным мутациям говорят об обратном. В то время как наиболее вредные мутации постепенно вычищались из популяции посредством естественного отбора, 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 сложно, особенно у вымершего вида. Сравнение с известными человеческими заболеваниями показывает, что некоторые из наиболее вредных вычищенных мутаций, вероятно, нарушили гены, которые могли быть важны для развития различных чувств, таких как слух и зрение.

Однако маловероятно, 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, например вспышка болезни или погодное явление, могло вызвать внезапное вымирание популяции.

Как и во многих других областях науки, дальнейшие исследования, как мы надеемся, дадут новые идеи. Возможно, даже с новым Одиноким Мальчиком или Девочкой.

Хотя нам в конечном итоге удалось проанализировать инбридинг мамонтов, это был долгий путь со множеством обходных путей. Тем не менее, как лабораторная группа, мы многому научились в ходе этого проекта.

Мы придумали новый биоинформационный метод борьбы с человеческим загрязнением и обнаружили новый тип лабораторного артефакта. Эта новая информация может оказаться решающей для точного определения причин вымирания шерстистого мамонта.

Марианна Дехаск, научный сотрудник, Уппсальский университет, и Лав Дален, профессор, Стокгольмский университет.