«Ледниковый период в Европе и изучение останков древнего человека на территории России»

Лекция Йоханнеса Краузе  (Johannes Krause) «Ледниковый период в Европе и изучение останков древнего человека на территории России» состоится в рамках Фестиваля науки

8 октября 2016  в  Шуваловском корпусе МГУ, аудитория «В4» 

12.45-13.45

Йоханнес Краузе  — профессор археологии и палеогенетики,  директор Института наук об истории человека Общества Макса Планка (Max Planck Institute for the Science of Human History) в Йене.

программу Фестиваля науки 7-9 октября можно скачать здесь  program-2016

«МОСКВА, 10 окт – РИА Новости. Известный палеогенетик Йоханнес Краузе рассказал РИА «Новости» о том, почему ученые сегодня считают степи Прикаспия родиной народов Европы, поделился мыслями о причинах почти полного вымирания Европы в конце ледникового периода, а также порассуждал о перспективе «воскрешения» средневековой чумы.

Йоханнес Краузе, палеогенетик из Института истории человека в Йене (Германия) – один из самых известных «некромантов» современности, которому удалось за последние несколько лет восстановить и изучить геномы средневековых возбудителей чумы и проказы, раскрыть тайны миграций и вымирания первых жителей Земли.

Кроме того, он обнаружил, что в конце ледникового периода фактически вся Европа вымерла и была заново заселена «северными евразийцами», поселенцами с юга России, а также нашел однозначные генетические свидетельства того, что неандертальцы были каннибалами. Обо всем этом Краузе рассказал на лекции в МГУ имени М.В. Ломоносова, которая проводилась в рамках всероссийского фестиваля Наука 0+.

— Йоханнес, недавно вы выяснили, что почти все первые жители Европы вымерли и не оставили следов в ДНК современного населения субконтинента. В чем могли быть причины такой катастрофы, вызвали ли ее болезни или климат?

— Сам по себе ледниковый период был периодом масштабных климатических изменений. Поэтому мы собственно и называем его ледниковым периодом – температуры упали на 10 градусов Цельсия, и большая часть Европы была покрыта льдом во время последнего ледникового максимума, 20 тысяч лет назад.

В то время, по сути, в Центральной Европе было невозможно жить – она представляла собой области вечной мерзлоты, покрытые тундрой и льдами.

© Martin Frouz

Генетики: в конце ледникового периода почти вся Европа вымерла

Поэтому то, что в то время местное население полностью вымерло и было замещено новой группой людей, никого не должно удивлять. Поэтому я считаю, что болезни, в том числе и чума, вряд ли могли вызвать это вымирание, а климатические изменения – вполне могли это сделать.— Вы и ваш коллега Дэвид Рейчпоказали в недавнем прошлом, что Европа была заселена несколькими волнами мигрантов, которых было или три, или четыре. Сколько их было на самом деле?

— На текущий момент у нас есть сведения о том, что первые люди появились в Европе примерно 40 тысяч лет назад. Следы этой популяции людей были найдены в Румынии в виде скелета одного человека, а также останками еще одного древнего кроманьонца, которые были открыты в окрестностях Омска, в Усть-Ишиме. Они являются на сегодняшний день древнейшими останками человека современного типа за пределами Африки.

Оба этих человека принадлежали к особой популяции древних людей, следов которых вообще не осталось в нашей ДНК. Иными словами, они не были предками современных жителей Азии и Европы. Их популяцию можно назвать первой провалившейся попыткой колонизовать мир за пределами Африки.

За ними следовали люди, подобные тем, чьи останки были найдены в окрестностях деревни Костенки в Воронежской области. Их следы уже можно заметить в ДНК последующих групп древних людей.

© Фото: Алексей Нечавалода

Генетики нашли новые доказательства каспийских корней индоевропейцев

Со времени жизни людей в Костенках и до конца ледникового периода, который завершился примерно 15 тысяч лет назад, в генетике Европы почти ничего не поменялось. Примерно 14 тысяч лет назад в Европу проникли первые мигранты с Ближнего Востока, и затем, около 7-8 тысяч лет назад, произошла вторая волна ближневосточной миграции, принесшая с собой фермерское искусство. И последняя волна миграции, самая масштабная из них, произошла примерно пять тысяч лет назад, когда Европа была заселена жителями прикаспийских и причерноморских степей.

Проблема, на самом деле, не в подсчете волн миграции, а в самом термине. Под миграцией мы обычно понимаем перемещение больших групп людей, условно говоря, из точки А в точку Б. С другой стороны, в реальности могли происходить не массовые миграции, а просто медленная экспансия новых групп людей, распространявшихся по Европе со скоростью, скажем, пять километров в год. Поэтому нельзя говорить о том, что древние люди в один момент вдруг сказали «мы покидаем Россию, едем в Европу», собрали вещи и поехали – этот процесс мог протекать органично и незаметно для коренных жителей субконтинента, постепенно замещая их благодаря большему числу потомства и другим факторам. Мне кажется, именно так нужно думать, когда мы рассуждаем о волнах миграции в прошлом.»

 

Подготовка к анализу новых образцов палеогеномов

Несколькими постами ранее ув. Сергей Козлов подготовил замечательный по своей глубине русскоязычный обозор новой статьи Allentoft et al. 2015 (еще раз выражаю свою благодарность). В этом обзоре были затронуты преимущественно технические вопросы, в то время как в аналогичном разборе на сайте генофонд.ру было пересказано общее содержание статьи:  » Cтатья большого международного коллектива, опубликованная 11 июня в журнале Nature, посвящена исследованию геномов популяций Евразии в бронзовом веке (изучен период от 3000 до 1000 лет до н.э.). Первый автор Мортен Aллентофт (Morten E. Allentoft) и ведущий автор Эске Виллерслев (Eske Willerslev) представляют Центр географической генетики Музея естественной истории Университета Копенгагена, Дания. Эта статья вызвала огромный интерес у специалистов по истории популяций человека — ведь в ней представлен анализ самого большого массива древних геномов из разных археологических культур эпохи бронзы. На основании анализа древних геномов авторы пробуют реконструировать древние миграции и распространение археологических культур во времени и пространстве. В бронзовом веке, начало которого датируют временем 3500-3300 лет до н.э., в производстве орудий и оружия камень все больше уступает место металлу. Это сопровождается   радикальными культурными и социальными изменениями в жизни людей. Они касаются не только хозяйственного уклада – возникает новое понимание имущественных отношений, семьи и личности. Основной вопрос, на который попытались ответить авторы статьи — были ли эти изменения результатом передачи культурных навыков или результатом миграций населения. Иными словами, «была ли это циркуляция людей или идей». Важнейший вопрос — связаны ли эти события с распространением индоевропейских языков, на которых сейчас говорит большая часть человечества.»

Лавина публикаций древних геномов (кроме вышеупомянутых статей Allentoft et al. 2015, Haak et al. 2015, летом опубликовались статьи Pinhasi et al. Optimal Ancient DNA Yields from the Inner Ear Part of the Human Petrous Bone,  и Fu et al.  An early modern human from Romania with a recent Neanderthal ancestor, однако к сожалению, количество снипов в большинстве образцов палеогеномов недостаточно для проведения развернутых анализов вместе с палеогеномами из других статей) заставила меня ускорить подготовку своей сводной выборки референсных образцов популяций (об этом я писал в предыдущих записях).

Я решил отказаться от полного импутирования древних геномов (очевидно бессмысленного занятия, так как у нас нет надежной референсной панели для импутирования выборочно секвенированных палеогеномв), и вместо этого ограничился импутированным (с помощью панели 1000 Genomes) набором снипов в контрольном наборе популяций лаборатории Райха (Affymetrix Human Origins Fully Public Dataset), этот набор использовался в статье Lazaridis et al. 2014.  

Разумеется, ни одна процедура «импутирования генома» (imputation of genome -сложнопереводимый на русский язык термин) не обходится без ошибок. Поэтому перед тем как приступить к самому анализу, я провел проверку качества выборки. На этот раз, я использовал  инструментарий Python — PyGenClean. Этот инструментий существенно облегчает стандартизацию генетических данных и  контроль качества выходных данных платформы генотипирования. Он минимизирует ошибки манипулирования данными, и ускоряет процесс очистки данных от потенциальных ошибок генотипирования,  а также позволяет составлять информативные графики и автоматически оценивать предварительные параметры последующего статистического анализа.

После отсеивания снипов c низким качеством и индивидов с низкой степенью генотипирования, а также снипов с существенным отклонением от равновесия Харди-Вайнберга, я посмотрел оставшиеся образцы на предмет наличия в выборке «оutliers» (так называемых «статистических выбросов»). До процедуры нахождения выбросов график главных компонент выглядел следующим образом:

И после нахождения выбросов (т.е образцов со стандартным отклонением больше 5 сигм)

Первоначально я планировал анализировать древние геномы вместе с геномами современных людей, однако (как видно из нижеприведенных графиков) палеогеномы гораздо в большей степени отклоняются от реперных точек, бессистемно разбиваясь на группы:

 

Поэтому такую очистку данных лучше проводить в два захода, один — для современных образцов, а другой — для палеогеномов. А затем полученные «качественные» выборки соединять в общую контрольную выборку.
В нашем случае, я так и поступил, получив выборку из 2250 этнопопуляционных образцов и 155 000 снипов.

Вот так выглядит взаимное расположение образцов геномов на PCA графике.

 

Именно эту выборку я положил в основу своего нового тестового калькулятора K13 (о его создании я расскажу позже) — предназначенный для анализа «глубокого» происхождения популяций. Как всегда, модель нового калькулятора основана на базовой модели известного DIYDodecad калькулятора. Впервые я остался более или менее удовлетворен полученными результатами. Думаю, что от этой модели можно плясать дальше. И хотя модельная кластеризация с помощью алгоритма Mclust дает основание полагать, что используемая мной выборка из 2230 геномов наилучшим образом (т.е без неизбежного при больших значениях K вырождения компонентов) описывается моделью из 8 кластеров, я остановился на K=13 т.е 13 кластерах:

1. Amerindian — модальный компонент американских индейцев

 

 

• ANE — модальный компонент северных евразийцев, изолирован из общего с WHG кластера — наивысшие значения в древнесибирских образцах MA1, AG2, а также у андроновцев, синаштинцев, представителей ямной культуры, шнуровиков и т.д. Из ныне живущих популяций самый высокий процент у калашей. Практически совпадает с ANE в статье Lazaridis et al. 2014

 

 

• Arctic — модальный компонент с пиком в популяциях коряков, чукчей, ительменов и эскимосов

 

 

• ASI — модальный компонент южноиндийских популяций, у современных популяций наивысший процент у онге, идентичен ASI в работе Reich et al. 2009.

 

 

• Caucas(us)-Gedrosia — идентичен кластеру, открытому в 2011 году Диенеком Понтикосом

 

 

• EastAsian — модальный компонент жителей восточной Азии

 

 

• ENF — компонент древних европейских земледельцев неолита, пик в образцах палеогеномов культуры линейно-ленточной керамики. Тождественен аналогичному компоненту в работах популяционных генетиков (Lazaridis et al. 2014, Haak et al. 2015). В современных этнопулах — наивысшие значения у сардинцев, корсиканцев и басков.

 

 

• NearEast — модальный компонент жителей ближнего Востока

 

 

• Oceanian — модальный компонент аборигенных жителей Океании, Австронезии, Меланезии и Микронезии — пик у современных папуасов и австралийских аборигенов

 

 

• Paleo-African — модальный компонент африканских пигмеев и бушменов

 

 

• Siberian — модальный компонент народностей юго-восточной Сибири

 

 

• Subsaharian — второй африканских компонент — пик в популяциях мандинка, йоруба и ишан

 

 

• WHG-UHG — компонент древних европейских мезолитических охотников-собирателей, пик в образцах палеогеномов мезолитических популяций европейских охотников-собирателей. Тождественен аналогичному компоненту в работах популяционных генетиков (Lazaridis et al. 2014, Haak et al. 2015). Из современных популяций — наивысший процент в популяциях эстонцев, литовцев, финнов и др.

 

 

Как я и предполагал, модель калькулятора оказалась особенно хороша в применении к анализу древних геномов. И на самом деле, на нижеприведенном графике PCA (пространстве 2 главных компонент результатов анализа древних геномов в моем бета-калькуляторе K13) видны замечательные вещи. Расположение геномов хорошо вписывается в треугольник, один из углов которого образуют геномы древних «ямников» (из работы Haak et al. 2015), причем геномы «русских»ямники из работы Allentoft at al.2015 чуть-чуть сдвинуты в сторону древних мезолитических геномов древних европейских охотников-собирателей. За ними (в направлении «неолитического» угла) следуют представители шнуровой культуры, еще дальше — геномы представителей геномов унетицкой культуры и т.д. Второй угол треугольника образован неолитическим геномами, причем если более поздние неолитические геномы сдвигаются ближе к представителям линейно-ленточной культуры (англ. Linear Pottery culture, фр. Culture rubanée, нем. Linearbandkeramische Kultur, LBK — наиболее распространенная неолитическая культура Центральной Европы 5500—4500 гг. до н. э.), то более ранние геномы — геном представительницы более ранней фазы этой культуры (Stuttgart-LBK), а также геномы представителей балканских неолитических культур — Старчево и Винча — очень близки к палеогеному из Barcin (культура Чатал-Хююк, cамые ранние найденные культурные слои относятся к 7400 г. до н. э.). Таким образом генетика подтверждает утверждения археологов о близости неолитических культур Балкан и Анатолии. Более того — данные генетики свидетельствуют о том, что во времена т.н «неолитической революции» происходила не только и не столько миграция технологий (как считали некоторые археологи), но и миграция населения (из Анатолии на Балканы). Причем, судя по моему графику PCA, миграция происходила в несколько, хронологически удаленных, этапов, и — скорее всего — из разных мест. Крайную точку в этому угле треугольника я обозначил как «анатолийские земледельцы» (ближайший к этой точки геном — геном «земледельца» из культуры Старчево — взят из работ Haak et al. 2015).

Для людей, интересующихся вопросами происхождения индоевропейцев, разумеется будет более интересна другая сторона треугольника, которая скорее всего отражает градиент увеличения градиента частот так называемого ANE — «компонента древних северных евразийцев».

Образно говоря, вектор градиента начинается в геномах ямников (больше половины генома которых состояла из этого компонента) и затем идет к геномам представителей синташтинской, афанасьевской, андроновской, окуневской и карасукской культур.
Пару слов об этих культурах (положение геномов представителей которых можно посмотреть на графике).
1) Синташтинская культура формировалась из древнеямных и катакомбных племён и местного населения. Синташтинцев связывают с индоиранскими племенами.
2) Андроновская культура также развивается на базе ямной. На западе она доходила до района Урала и Волги, где контактировала со срубной культурой. На востоке андроновская культура распространилась до Минусинской котловины, частично включив в себя территорию ранней афанасьевской культуры. Андроновцев (также как и синаштинцев) относят к индоиранской сообщности.
3) Афанасьевская культура была создана мигрантами из Восточной Европы, в частности, носителями древнеямной культуры, ассимилировавшими местное население. Сменилась карасукской и окуневской культурами.Наследниками афанасьевцев были племена тагарской культуры, дожившей до III в. до н. э., по другой версии, тагарцы были скифами, а потомки афанасьевцев — тохарами, которых именно скифы-тагарцы вытеснили в Синьцзян.Большинство исследователей ассоциируют афанасьевскую культуру с (прото-)тохарами.
4) Окуневская культура — фнтропологический тип населения этой эпохи был смешанного европеоидно-монголоидного происхождения, с преобладанием монголоидного. Как отмечает А. В. Громов, бросается в глаза их морфологическая разнородность — встречаются как чисто монголоидные черепа, так и типично европеоидные, не обнаруживающими никаких следов монголоидной примеси. Проведя обстоятельный анализ антропологических особенностей населения неолита и ранней бронзы, А. А. Громов пришел к выводу, что физический тип окуневцев сложился в результате смешения местного неолитического населения с выходцами из территории Средней Азии и Казахстана (афанасьевцами)
5) Карасукская культура — развилась на основе окуневской культуры под влиянием андроновской культуры.

Интересно, что геном мальчика с южносибирской палеолитической стоянки MA-1 как раз проецируется между центроидами геномов представителей синташтинской, афанасьевской, андроновской, окуневской и карасукской культур. Эти геномы (вернее их центроиды) занимают на графике значительное место. Самый дальний из них — геном алтайца из эпохи железного века (примерно 50 год до нашей эры). Сразу за ним идут все из имеющихся у меня палеогеномов жителей Америков (палеоэскимосы — в том числе и Saqqaq; и «палеоиндейцы» — Clovis, древние жители Перу и палеогеномы Botocudo). Любопытно что последние — геномы Botocudo — хотя и являются самыми современными (1600 год нашей эры), однако в них хорошо заметен «океанский компонент», именно поэтому они смыкаются на графике с палеогеномом австралийского аборигена. В этой связи я вспоминаю оригинальную теорию Тура Хейердала о наличии доисторических контактов между жителями островов Тихого океана и жителями Южной Америки.

Особое место на графики занимают «живые реликты» — онге, один из коренных андаманских народов (адиваси), геномы так называемого «усть-ишимца» (возраст 45000 лет), костенковца (Kostenki-14, возраст 38 700 -36 200 лет), и недавно опубликованный палеогеном Oase из Румынии (возрастом 37000-42000 лет). Они образуют отдельную группу (особенно близки друг к другу румынский палеогеном Oase и усть-ишимец), однако я терясь в догадках о том, что именно означает столь заметная близость этих геномов.

 

 

Публикации и работа с палеогеномами

Как я уже отмечал в своих предыдущих записях, за последние годы был опубликован ряд работ, посвященных попыткам генотипирования останков древних людей — от живших несколько тысячелетий назад до «усть-ишимца» с предположительным возрастом около 45 тысяч лет, неандертальцев и «денисовки». Количество таких расшифровок растет все быстрее, что не может не вызывать оптимизма.  Вторая половина 2014 года особенно примечательна как количеством подобных публикаций, так и числом полных геномных NGS-сиквенсов древних людей, размещенных в публичных репозиториях (банках геномных данных). Так, в сентябре в Nature была опубликована окончательная версия работы Lazaridis et al. 2014  «Ancient human genomes suggest three ancestral populations for present-day Europeans». Работа получила широкое освещение в СМИ, поскольку аналитическая выборка сэмплов в этом исследовании включала значительное количествао заново генотипированных (на чипе Affymetrix HumanOrigin) образцов ДНК из древних палеолитических стоянок Сибири (Афонтова Гора, Малта), представителя древней индейской культуры Кловис и палеоэскимоса Cаккак. В работе был представлен  целый  ряд образцов древней ДНК представителей европейских мезолитических и неолитических культур, опубликованных в более ранних работах 2012-2014 годов: Skoglund et a. 2014 «Genomic Diversity and Admixture Differs for Stone-Age Scandinavian Foragers and Farmers»(шведские земледельцы и охотники собиратели эпохи неолита); Olalde et al. 2014 «Derived immune and ancestral pigmentation alleles in a 7,000-year-old Mesolithic European» (дДНК мезолитического населения Иберийского полуострова) и т.д.

В этой связи необходимо также отметить статью Carpenter et al. 2013 «Pulling out the 1%: whole-genome capture for the targeted enrichment of ancient DNA sequencing libraries», в которой целый авторский коллектив представил результаты исследований древних образцов ДНК найденных в захоронениях бронзового века II тыс. д.н.э (Болгария и Дания).  В следующей работе опубликованной в конце октября, Gamba et al. 2014. «Genome flux and stasis in a five millennium transect of European prehistory»,  читателям была представлена хронологическая перспектива на процесс изменения генофонда населения популяций живших на территории  Паннонской равнины на протяжении 5000 лет (с эпохи неолита до конца железного века), проиллюстрированная на примере изучения 13 образцов древней ДНК. Параллельно вместе с этим Wellcome Trust Sanger Institute разместил геномные «риды» геномов древних англосаксов и бриттов (сама статья еще находится в процессе пре-публикации, презентация статьи была представлена на последней конференции AJHG).

Более важные публикации появилась совсем недавно. В частности, таковой публикацией является статья Fu et al. 2014 «Genome sequence of a 45,000-year-old modern human from western Siberia» о  геноме так называемого «усть-ишимца» (возраст останков которого датируются 45 000 д.н.э) и статья Seguin-Orlando et al. 2014 «Genomic structure in Europeans dating back at least 36,200 years», посвященная обсуждению результатов анализа ДНК знаменитого «папусоида»  с палеолитической стоянки Костенки-14.Тело мужчины, жившего 37 тыс. лет назад и найденное в 1954 г. на юго-западе России, оказалось источником старейшей европейской ДНК. Анализ его генома, опубликованный на прошлой неделе, показывает, что большинство разнообразных европейских генетических комбинаций существуют более 30 тыс.лет и пережили последний ледниковый период. Генетики обнаружили что ДНК Костенки-14 является близкородственным по отношению к раннеевропейским охотникам-собирателям, современным европейцам и жителям Сибири.
В то же время другой древний геном, данные о котором были опубликованы несколько недель назад, принадлежащий сорокапятитысячелетнему западному сибиряку, известному как Усть-Ишим, имел родство как с европейцами, так и с азиатами.  Любопытно, что в этой статье подтверждается то о чем я говорил гораздо раньше: процент неандертальских генов у древних евразийцев был выше чем у современных (о чем я упоминал в одной из своих заметок в этом блоге).

Трудами известного геномного блоггера Феликса Чандракумара большинство из них было переведено в простой и доступный формат, аналогичный файлам raw data от FTDNA и 23andMe. В GEDMatch можно поиграть с этнокалькуляторами и даже попытаться сравнить свой геном с геномами древних людей.Для этого следует взять из таблицы (кот. видна, если пройти по ссылке) номера, которыми обозначены древние геномы.

Sample Name	Sample Location	GEDMatch	Sex	Y-DNA	Mt-DNA	Approx. Age by authors	My Analysis or Comments
Altai Neanderthal	Denisova Cave, Siberia	F999902	Female			50,000 years
Denisova	Denisova Cave, Siberia	F999903	Female			30,000 years
Palaeo-Eskimo	Qeqertarsuaq, Greenland	F999906	Male	Q1a	D2a1	4,000 years	Palaeo-Eskimo 2000 BC DNA
Clovis-Anzick-1	Montana, North America	F999919	Male	Q-Z780	D4h3a	12,500 years	Matches Living people.
Mal’ta	South-Central Siberia	F999914	Male	R	U	24,000 years	Matches Living people on X Chromosome.
La Braña-Arintero	León, Spain	F999915	Male	C-V183	U5b2c1	7,000 years	Analyzing La Braña-Arintero Ancient DNA
Motala-12	Östergötland, Sweden	F999917	Male	I-L460	U2e1	7,000 years	My Analysis of Motala-12 ancient DNA
LBK	Stuttgart, Germany	F999916	Female		T2c2	7,500 years	Matches Living people
Loschbour	Loschbour, Luxembourg	F999918	Male	I-L460	U5b1a	8,000 years	Matches Living people
Ajvide58	Sweden	F999924	Male	I-CTS772	U4d	5000 years	Ajvide58 DNA Analysis
Gökhem2	Sweden	F999934	Female		H1c	5000 years	Gökhem2 Ancient DNA Analysis
Hinxton-2	Cambridgshire, UK	F999921	Female		H2a2b1	1300 years	Hinxton-2 Analysis
Hinxton-3	Cambridgshire, UK	F999922	Female		K1a4a1a2b	1300 years	Hinxton-3 Analysis
Hinxton-4	Cambridgshire, UK	F999925	Male	R-DF25	H1ag1	2000 years	Hinxton-4 has X-Matches with living people
Hinxton-5	Cambridgshire, UK	F999926	Female		H2a2a1	1300 years	Hinxton5 Ancient DNA Analysis
KO1	Tiszaszőlős-Domaháza, Hungary	F999931	Male	I-L68	R3	5650-5780 cal BC	Analysis of Neolithic KO1 genome
NE1	Polgár-Ferenci-hát, Hungary	F999937	Female		U5b2c	5070-5310 cal BC	NE1 Ancient DNA Analysis
NE5	Kompolt-Kigyósér, Hungary	F999927	Male	C-F3393	J1c	4990-5210 cal BC	Ancient Hungarian Genome NE5 Analysis
NE6	Apc-Berekalja I., Hungary	F999932	Male	C-P255	K1a3a3	4950-5300 cal BC	Analysis of Hungarian genome-NE6
NE7	Apc-Berekalja I., Hungary	F999928	Male	I-L1228	N1a	4360-4490 cal BC	Ancient Hungarian genome — NE7
CO1	Apc-Berekalja I., Hungary	F999930	Female		H	2700-2900 cal BC	Analysis of Copper age genome CO1
BR2	Ludas-Varjú-dűlő, Hungary	F999933	Male	J-M67	K1a1a	1110-1270 cal  BC	Ancient BR2 matches living people
IR1	Ludas-Varjú-dűlő, Hungary	F999929	Male	N-M231	G2a1	830-980 cal BC	Ancient Hungarian genome — IR1
Tyrolean Iceman (ERP001144)	Tisenjoch Pass, Oetztal Alps		Male			5300 years	Pending
Ust’-Ishim	Ust’-Ishim, Siberia	F999935	Male	K-M526	R	45,000 years	Ust’-Ishim matches with living people!
Kostenki14	European Russia	F999936	Male	C-V199	U2b	38,700-36,200 years	Kostenki14 Ancient DNA Analysis

Sample Name	Sample Location	Sex	Y-DNA	Mt-DNA	Approx. Age by authors
Mezmaiskaya Neanderthal	Mezmaiskaya Cave	Female			29,000 years
Tianyuan	Tianyuan Cave, China			R	40,000 years
Afontova Gora-2	South-Central Siberia	Male	R1?	R	17,000 years
Motala-1	Östergötland, Sweden	Female		U5a1	7,000 years
Motala-9	Östergötland, Sweden	Female		U5a2 or U5a1f1a1	7,000 years
Motala-6	Östergötland, Sweden	Male		U5a2d	7,000 years
Motala-2	Östergötland, Sweden	Male	F-P139	U5e1	7,000 years
Motala-4	Östergötland, Sweden	Female		U5a2d	7,000 years
Motala-3	Östergötland, Sweden	Male	I-M258	U2e1	7,000 years
Hinxton-1	Cambridgshire, UK	Male	R-L151	K1a1b1b	2000 years
Ajvide53	Sweden	Female		U4d	5000 years
Ajvide59	Sweden	Male	I-PF3796	U5b2c1	5000 years
Gökhem7	Sweden	Female		H	5000 years
Ire8	Sweden	Male	I-CTS6343	U4d	5000 years
StoraFörvar11	Stora Karlsö, Sweden	Male	I-CTS4077	U5a1f1a	7500 years
Gökhem4	Sweden	Male	CF-M3690	H	5000 years
Gökhem5	Sweden	Female		K1e	5000 years
Ajvide52	Sweden	Male	HIJK-F929	HV0a	5000 years
Ajvide70	Sweden	Female		U4d	5000 years
NE4	Polgár-Ferenci-hát, Hungary	Female		J1c	5050-5290 cal BC
NE3	Garadna, Hungary	Female		X2b	5010-5210 cal BC
BR1	Kompolt-Kigyósér, Hungary	Female		K1c1	1980-2190 cal BC
KO2	Berettyóújfalu-Morotva-liget, Hungary	Female		K1	5570-5710 cal BC
NE2	Debrecen Tócópart Erdõalja, Hungary	Female		HV	5060-5290 cal BC
V2	Vratitsa, Bulgaria	Male		U2e1’2’3	1500-1100 BC
M4	Borum Eshøj, Denmark	Male		B2	1350 BC
K8	Krushare, Bulgaria	Male		R	450-400 BC
NA43	Laguna de los Condores, Peru	Male		B4b’d’e	1000-1500 AD
AusAboriginal	Western Austalian	Male	F-M235	O1a	100 years
NA41	Laguna de los Condores, Peru	Male		L3	1000-1500 AD
P192-1	Svilengrad, Bulgaria	Male		U3b	800-500 BC
T2G2	Stambolovo, Bulgaria	Male		H1c9a	850-700 BC
NA42	Laguna de los Condores, Peru	Male		D1	1000-1500 AD
NA50	Laguna de los Condores, Peru			B4b’d’e	1000-1500 AD
NA47	Laguna de los Condores, Peru			L3	1000-1500 AD
NA40	Laguna de los Condores, Peru			L3	1000-1500 AD
NA39	Laguna de los Condores, Peru	Male		B2	1000-1500 AD
Feld1 Neanderthal	Neander Valley, Germany				42,000 years
Sid1253 Neanderthal	El Sidron cave, Asturias, Spain				49,000 years
Vi33.16 Neanderthal	Vindija cave, Croatia	Female			38,310 years
Vi33.25 Neanderthal	Vindija cave, Croatia	Female
Vi33.26 Neanderthal	Vindija cave, Croatia	Female			44,450 years

В своем блоге Феликс размещает аналитические отчеты по каждому из проведенных анализов, отчеты включают графическое отображения «состава различных геномных компонентов происхождения» каждого из образцов в калькуляторах Gedmatch (включая мой последний калькулятор K23b), фенотипические признаки (предположительный цвет кожи и глаз), возраст на момент смерти и т.д.
Пытаясь ответить на вопрос,  насколько  правдоподобны (в смысле реального генеалогического родства) результаты совпадения сегментов древних и современных людей, Феликс приводит замечательные вычисления оценки правдоподобия совпадений в геномах современных людей и древних образцов. К сожалению, рассуждения замечательные, но вызывающие определенные вопросы, которые я озвучу в другой заметке.

Так или иначе, поставленная Феликсом на поток и практически полностью автоматизированная работа с древними геномами заслуживает безусловного признания, поскольку в силу разделения труда позволяет другими исследователям-любителям полностью сконцетрировать свое внимание на процессе непосредственного анализа полученных данных, вместо того чтобы тратить свои ресурсы на процесс извлечения снипов из «сырых» геномных данных. Благодаря этому разделению труда,  Давид Веселовский из проекта Eurogenes провел ряд замечательных экспериментов с этими данными (включая PCA, Treemix и вычисление генного дрейфа с помощью f3). В основном выводы этих экспериментов повторят то, что было написано в статьях профильных генетиков, за исключением одного интересного вывода на основании графа Treemix, в котором отображено направление процессов обмена генами между различными древними популяциями:

«В отношении Kostenki14, графики  Treemix  подтверждают один из основных выводов работы Seguin-Orlando et al. 2014, согласно которой  главны компонент образца  Kostenki-14  является базальным «предковым» компонентом более поздних европейцев (Basal_Eurasian). Тем не менее, два последних графика показывают, что этот базальный «компонент» не тот же самый «базальный» компонент в геноме неолитического образца из Штутгарта, связанного с базальным евразийским  компонентом, который был описан  в работе Lazaridis et al. 2013″.

Другой геномный блоггер, Сергей Козлов, использовал те же самые данные палеогеномов (взятые с сайта Ф. Чандракумара) для создания замечательных карт, иллюстрирующих количество и интенсивность общих IBD-сегментов палеогеномов и геномов современных популяций.

Я решил не оставаться в стороне и провел собственный анализ PCA и кластеризации популяций по значениям компонентов генетического разнообразия.

Ниже приведены иллюстрации к моему опыту кластеризации собственного генома с геномами древних жителей Евразии. В качестве входных данных алгоритма ward-кластеризации в программе R, я использовал собственные значения 4 векторов главных компонентов (PC) разнообразия. Эти векторы, в свою очередь, были получены путем вычислений в большом массиве (2024 образца) генетических данных (примерно 110 тысяч снип-полиморфизмов) представителей современных и древних популяций. Мой геном (обозначенный как Vadim) представляет собой набор, полученныq в ходе импутации по датасету Human Origin значения снипов информативных с точки зрения эволюционного происхождения, и используется в качестве контрольной группы.

Для начала график PCA, и положение палеогеномов на этом графике.

В аналитической выборке я задействовал снипы геномов высших и низших приматов (дендрограмма выборка укоренена на геноме мармозетки), древних гоминидов (денисовского человека и неандертальцев). Остальное — как я и упоминал выше — представляет собой совокупность снипов современных и древних популяций.

Благодаря характеру выборки и характеру используемых снипов, я могу взглянуть на свое происхождение с наиболее широкой перспективы, позволяющей проследить индивидуальный эволюционный путь от древнейших людей до наших современников.
Можно сказать, что я проделал самое далекое (из всех предыдущих) генеалогическое путешествие в собственное прошлое. Разумеется, без предыдущего выделения обработки образцов древнего ДНК новейшими биохимическими методами, а также публикации данных — это путешствие длинной в сотни тысяч лет не могло бы просто состоятся. Так что огромное спасибо всем биохимикам, генетикам и биоинформатиков работавшим с образцами древней ДНК.

Полученные мной кластерные дендрограммы вышли очень большого разрешения. В силу этого, имеет смысл изучить топологию, структуры и расположение популяционных групп-кластеров в полномасштабном варианте, иначе могут возникнуть интересные вопросы.

Поэтому — я подготовил соответствующие файлы PDF и разместил ссылки на эти файлы для удобного просмотра.

tree1

tree2

tree3

tree4

tree5

tree6

tree7

tree8

tree9

tree10

tree11

tree12

tree13

tree14

tree15

tree16

Здесь их опубликовать не представляется возможным, и по этой причине я ограничу себя размещением тех фрагментов трех вариантов кластерных диаграмм, на которых присутствуют древние образцы.
Забегая вперед, можно заметить, что образцы ДНК древних людей (т.е людей современного анатомического типа — homo sapiens sapiens), строго говоря, разбиваются на три органические суперкластера — древних сибириков (или евразийцев), древних европейских охотников-собирателей, и ранних неолитических европейских земледельцев. В основной своей части состав и топология популяционных кластеров стабилен в разных вариантах, наибольшие видоизменения заметны у тех образцов, чье множество снипов имеет меньшее пересечение с общим набором снипов. Отсюда довольно таки тривиальный вывод: чем меньше общее число снипов — тем больше флуктуаций наблюдается в расположении древних образцов внутри ветвей кластерной дендрограммы.

Кластер древних евразийцев наиболее стабилен (т.к. там всего два древних генома Afontova Gora 2 (AG2) и знаменитый мальчик с сибирской стоянки Malta (MA1); причем оба образца взяты из одного источника данных). Из современных популяций к этому кластеру наиболее органично примыкают различные группы населения центральной Азии — от таджиков до гуджаратов, и от калашей до пуштунов.

Кластер древних охотников-собирателей Европы наиболее неустойчив, и это объясняется прежде всего разным числом снипов в образцах, а также тем что сами образцы взяты из разных исследований. Тем не менее тенденция наглядна — древнейшие европейцы (охотники-собиратели мезолита) наиболее близки по своим аутосомным снипам к жителям современной западной и северной Европы — особенно Британских островов, Скандинавии и Балтийского региона. Практически во всех вариантах прибалтийцы близки к древним жителям Швеции (Готланда), а также мезолитическим образцам La Brana, Motala и Loshbour. Последние также близки к финнам, эстонцам и северным русским. Из более поздних и географически удаленных образцов к ним близки древние образцы из Венгрии неолитического периода, бронозового и железного веков (BR1, NE2 и KO1).

Интересно, что в этот же кластер входят как современные популяции западной Европы (британцы, норвежцы, французы и др.), так и современные жители центральной Европы — чехи хорваты и венгры. Является ли это наследием древних времен (гальштатской общности связываемой с древними кельтами) — трудно сказать. Не этим ли объясняется тот факт, что образцы древних англо-саксов и бриттов (обозначенные здесь как Hixton) иногда кластеризируются с (современными!) венграми, хорватами, иногда с современными англичанами из Кента и корнуэлльцами. При этом некоторые из образцов Hixton остаются близки (в смысле схожести генома) к скандинавам, оркнейцам, шотландцам, и даже литовцам.

Мой собственный «геном» (Vadim) также входит в эту группу, причем в разных вариантах он определенно близок одновременно и древним мезолитическим и эпинеолитическим шведам, а также более поздним образцам из Венгрии (киммерийского мальчика IR1, а также самый «балтийский» из всех древних венгерских обрацов — KO1). Интересно что IR1 («аутосомный геном» «киммерийского » мальчика Y-гаплогрупы N1a из захоронения паннонской культуры бронзового века Mezőcsát примерно 900 год до нашей эры) в первых четырех главных компонентах кластеризируется с моим собственным «аутосомным геномом»). Это наверное объясняет почему мой собственный геном дает хорошие комбинации (fit) к комбинации трапезундских турков и древних жителей Балтийского региона.

Как известно, попгенетики готовят к публикации большую статью, в которой подводятся итоги нескольких лет исследования генофонда представителей древних культуры шнуровой керамики* (известной также как культура боевых топоров) и ямной культуры** (другое название — древнеямная культурно-историческая общность). Безусловно, это исследование обещает пролить свет на некоторые темные места генетических связей жителей этих культур с современным населением Восточной Европы (особенно Польши, Украины, Беларуси и юго-западной части России).

Пока все детали исследования неизвестны, однако благодаря настойчивости некоторых энтузиастов генетической генеалогии (Веселовского и пр.) удалось выяснить, например, что генофонд древние образцы представителей Ямной культуры в рамках формальных тестов (f3 и D-статистик) наилучшим образом аппроксимируются как результат смешения древнего мезолитического населения севера Европы (в работе их представляют карельские образцы, очевидно из известных захоронений Палеострова) и населения, близкого к современным закавказским популяциям (лучший результат дали армяне из Еревана).

Признаюсь, эти сведения приободрили меня. Дело в том, что последние несколько недель я занимался изучением эволюции аутосомного генофонда беларусов (и своего тоже) из недавно опубликованного набора лаборатории Райха (это одна из усеченных версии их знаменитого кураторского набора Human Origin Dataset).
Как и раньше, для анализа я использовал инструменты разработанные программистами той же лаборатории (Admixtools), а также Alder — программу написанную на основе открытого кода Admixtools, и оптимизированную под более детальный анализ процесса смешивания различных предковых групп.

Так вот, до получения сведений о предварительных результатах попгенетиков, я был немного смущен полученной картиной. У меня получилось вот что. С точки зрения формальной оценки (f3-статистки, аналога более известной p-статистки) лучшие пары адмикса для беларусов (с отрицательным значением Z) представляли собой либо комбинацию мезолитического населения Европы (Loshbour) и современного населения современной Анатолии и ближнего Востока, либо комбинацию ‘генов’ неолитических жителей Европы (LBK380, а также современных сардинцев) и современных америндских популяций (происходящих, как нам известно, из восточной Сибири).
Вот начало списка значимых пар:

Mixe Sardinian Vadim -11.811
Sardinian Mixe Vadim -11.811
Karitiana Sardinian Vadim -11.757
Sardinian Karitiana Vadim -11.757
Zapotec Sardinian Vadim -11.638
Sardinian Zapotec Vadim -11.638
Loschbour Georgian_Megrels Vadim -11.599
Georgian_Megrels Loschbour Vadim -11.599
Piapoco Sardinian Vadim -11.482
Sardinian Piapoco Vadim -11.482
Loschbour Turkish_Trabzon  Vadim -11.434
Turkish_Trabzon Loschbour Vadim -11.434
Loschbour Assyrian_WGA Vadim -11.395
Assyrian_WGA Loschbour Vadim -11.395
LBK380 Piapoco Vadim -11.354
Piapoco LBK380 Vadim -11.354
Surui Sardinian Vadim -11.346
Sardinian Surui Vadim -11.346
Loschbour Abkhasian Vadim -11.293
Abkhasian Loschbour Vadim -11.293
Bolivian_LaPaz Sardinian Vadim -11.232
Sardinian Bolivian_LaPaz Vadim -11.232
Loschbour Iranian_Jew Vadim -11.231
Iranian_Jew Loschbour Vadim -11.231

Я выбрал около сотни значимых пар и проверил их достоверность «адмикса) с помощью инструментов D-статистки (qpDstat) в попарном сравнении каждой из значимых комбинаций (начало таблицы):

Vadim Italian_Tuscan : Loschbour Palestinian 0.0293 8.141 best
Vadim Iranian : LBK380 GujaratiC_GIH 0.0245 7.319 best
Vadim Motala12 : Druze Sardinian 0.0125 7.285 best
Vadim Loschbour : Palestinian Albanian 0.0146 7.17 best
Vadim Sardinian : GujaratiC_GIH Iranian 0.0121 7.151 best
Vadim Palestinian : Spanish_Pais_Vasco_IBS GujaratiC_GIH 0.0145 7.126 best
Vadim Egyptian_Comas : Basque_Spanish GujaratiC_GIH 0.0137 7.016 best
Vadim Sardinian : Loschbour Egyptian_Comas 0.0251 6.962 best
Vadim Sardinian : Loschbour Tunisian_Jew 0.0251 6.789 best
Vadim Palestinian : Basque_Spanish GujaratiC_GIH 0.013 6.758 best
Vadim Sardinian : Loschbour Palestinian 0.0237 6.69 best
Vadim Basque_Spanish : Balkar Palestinian 0.0076 6.601 best
Vadim GujaratiC_GIH : Tunisian_Jew Egyptian_Comas 0.0094 6.493 best
Vadim Spanish_Pais_Vasco_IBS : Balkar Palestinian 0.0079 6.458 best
Vadim Loschbour : Druze Italian_WestSicilian 0.0135 6.443 best
Vadim Loschbour : Iranian Albanian 0.0159 6.385 best
Vadim Palestinian : Sardinian Iranian 0.0083 6.344 best

Как видно, лучшая достоверность (обмена генами) у тех пар которые представляют собой комбинацию мезолитических популяций (Loshbour и Motala), популяций Кавказа, южной Европы и центральной Азии.

Это особенно хорошо заметно в тесте f4ratio. Вот например сравнение 2 квадропул, три популяции в каждой из которых идентичны (беларусы, кумыки и Losbour), а четвертая популяция отличается (балкарцы vs. Motala). Результат означает что кроме мезолитического компонента Loshbour (из западной Европы), у беларусов наблюдается эксцесс (28+-0.1%) дополнительного источника мезолитических «генов» (типично для балтийских популяций мезолита вроде Motala)

Vadim Kumyk Loschbour Motala12 : Vadim Kumyk Loschbour Balkar 0.285678 0.096194 2.97

Крайне любопытны и результаты проведенного мной в Alder исследования источников «древного» адмикса у беларусов.
Я выбрал только те пары, в которых амплитуда угасания LD в двух гипотетических популяциях-донорах была сопоставима с амплитудой угасания LD в популяции-реципиенте (т.е у беларусов). Интересно, что только две пары (пенджабцы + Motala) и (иракские евреи + чукчи) дали консистентную попарную подгонку кривой угасания LD с незначительным разбросом амплитуды (15-25%). К слову, комбинация Armenian+Motala-merge (примерно идентичная наиболее устойчивой модели адмикса у жителей ямной культуры) тоже присутствует в списке «успешных» комбинаций, однако кривые угасания LD имеют разную скорость угасания (их амплитуда отличается уже на 55% и поэтому они не консистентны, т.е несовместимы) в попарном режиме сравнения

DATA: success_consistent 0.0042 Belarusian Punjabi_Lahore_PJL Motala_merge 4.49 2.76 2.78 15%
DATA: success_consistent 0.0098 Belarusian Iraqi_Jew Chukchi 4.31 2.2 3.01 25%
DATA: success 0.0065 Belarusian Mongola Motala_merge 4.4 2.64 2.78 28%
DATA: success 0.011 Belarusian Yi Papuan 4.29 2.26 4.66 28%
DATA: success 0.00037 Belarusian Lebanese Papuan 4.98 2.69 4.66 38%
DATA: success 0.041 Belarusian Kusunda Motala_merge 3.98 2.61 2.78 41%
DATA: success 0.013 Belarusian Hezhen Motala_merge 4.25 2.17 2.78 49%
DATA: success 0.037 Belarusian Motala_merge Tu 4.01 2.78 3.13 51%
DATA: success 4.20E-06 Belarusian Kalmyk Motala_merge 5.79 2.36 2.78 54%
DATA: success 0.0086 Belarusian She Motala_merge 4.34 2.58 2.78 54%
DATA: success 0.0019 Belarusian Armenian Motala_merge 4.66 2.14 2.78 55%
DATA: success 0.048 Belarusian Daur Motala_merge 3.94 2.11 2.78 56%
DATA: success 0.0042 Belarusian Motala_merge Miao 4.49 2.78 3.5 59%
DATA: success 0.041 Belarusian Oroqen Motala_merge 3.98 2.28 2.78 59%
DATA: success 0.013 Belarusian Thai Motala_merge 4.25 2.13 2.78 65%
DATA: success 0.043 Belarusian Motala_merge Lahu 3.97 2.78 3.56 71%
DATA: success 0.0049 Belarusian Motala_merge Japanese 4.46 2.78 3.53 72%

Примечательно что для пары Belarusian Armenian Motala_merge  Admixtools датирует смешение 114.67+/-20.5 поколений тому назад. А вот датировка адмикса для двух первых пар (последняя колонка это датировка адмикса
Belarusian Punjabi_Lahore_PJL Motala_merge 4.49 2.76 2.78 15% 142.4+/-27.54
Belarusian Iraqi_Jew Chukchi 4.31 2.2 3.01 25% 43.28+/-9.45 То есь самое позднее 3500 лет до нашего времени.Итак, выводы: в эволюционной перспективе, костяк аутосомного генофонда беларусов составляет субстрат мезолитического генетического компонента Европы, к которому примешиваются два потока — один с юга, с наиболее значимым вливанием во времена неолита (земледельцы из Анатолии и ближнего Востока), другой — видимо более поздний (т.к. он отсутствует у ямников) из Сибири.

---

*Культура боевых топоров, культура шнуровой керамики (нем. Schnurkeramik) — археологическая культура медного и бронзового веков, распространенная на обширных территориях Центральной и Восточной Европы и датированная 3200 г. до н. э./2300 до н. э. — 2300 г. до н. э./1800 г. до н. э. Племена культуры боевых топоров часто считают первыми индоевропейцами на территории Средней Европы
**Я́мная культу́ра (точнее — Древнея́мная культу́рно-истори́ческая о́бщность) — археологическая культура эпохи позднего медного века — раннего бронзового века (3600—2300 до н. э.). Занимала территорию от Южного Приуралья на востоке до Днестра на западе, от Предкавказья на юге до Среднего Поволжья на севере.В рамках ранней версии курганной гипотезы Марии Гимбутас ямная культура связывалась с поздними протоиндоевропейцами.

 

Кластер древних жителей по своей устойчивости занимает промежуточное место между кластерами древних северных евразийцев и западных европейских охотников-собирателей.
В этот кластер, иерархически близкий популяциям Кавказа и ближнего Востока, предсказуемо входят предстаители самых классических популяции южной Европы — от греков и болгар, до басков и сардинцев. Как уже стало обычным, сардинцы кластеризуются с образцом тирольского человека Этци и женщины из линейноленточной культуры («LBK380»). В большинстве вариантов (2 из трех опубликованных) к этой подгруппе примыкают представители древнейших неолитических культур на территории современной Венгрии — CO1, H4, H3, NE5, NE7). Жители бронзового века (на графике они ошибочно обозначены как Europe оказались посередине между раннеевропейскими охотникам-собирателями и земледельцами.

Добавление к выборке древних геномов «усть-ишимца» и «костенковца» позволило пролить свет на некоторые особенности эволюции популяций центральной и восточной части Евразии. В кластерном анализе (вардовская кластеризация) по 4 первым компонентам PCA усть-ишимец у меня получился в одном кластере с киргизами и кажется селькупами. По первым двум компонентам в том варианте рейховского набора популяций, где нет андаманцев Onge — он попадает в один кластер с австралийскими аборигенами.
Думаю, что onge все же ближе, да к тому же во всех калькуляторах у усть-ишимца максимум «генома» приходится на сочетание южно-индийских и юго-восточноазиатских компонентов.  А вот «костенковец» оказывается ближе всего к чувашам и саамам. Что характерно — в предыдущих вариантах, в которых я не использовал костенковца, место костенковца часто занимал AG-2 (Afontova Gora).  Также заметна разница между кластерными схемами PC1-2 и PC-1-2-3-4.В первом случае костенковец в одном кластере с индусами, а во-втором с с чувашами и саамами. Характерно, что восточноевразийские палеогеномы Тяньюань и Усть-Ишим входят в один кластер (их положение не сильно меняется), а MA1 нет.

Методологические заметки к созданию неандертальского калькулятора

Данная заметка представляет собой критический анализ методологических предпосылок создания неандертальского калькулятора, имплементированного в cоответствующем сервисе 23andme (Neanderthal lab). В основу заметки положен перевод технического документа 23andme (white paper), описывающего процесс создания неандертальского калькулятора.

Существует несколько методологических подходов  к созданию неандертальского калькулятора (т.е инструмента для оценки того, сколько процентов ДНК  в геноме анализируемого индивида имеет  неандертальское происхождение).   Есть несколько способов прямой экспериментальной оценки величины процента «неандертальской » ДНК с помощью ресеквенирования ДНК клиента в тех регионах, в которых ученые обнаружили возможные варианты, имеющие предполагаемое неандертальское происхождение. Но в силу технической сложности реализации этих способов и необходимости каждый раз заново производить секвенирование в полном объеме  регионов неандертальского происхождения, нет особой нужды рассматривать их в этой записи. Вместо этого я предлагаю рассмотреть две оставшиеся методики определения вклада неандертальского ДНК.  Хотя оба метода не без своих изъянов, они позволяют существенно снизить влияние неопределенности (ascertainment bias) в оценке вклада неандертальского ДНК, и в принципе,  других приемлемых альтернатив этим методам не существует, так как в противном случае получаемый другими методами (например, D—statisticsили ABBA—BABA) разброс оценки величины неандертальского вклада будет в несколько раз отличаться от тех величин, которые получаются на выходе соответствующих программ, используемых в  NationalGeographicGeno и 23andme (обе программы основаны на одном из двух нижеописанных методов).Именно по этой причине, каждая из нижеприведенных методик заслуживает отдельного рассмотрения. 

1. Метод PCA

На мой личный взгляд, наилучшим  (как в плане аккуратности, так и в плане легкости реализации) методом оценки величины неандертальца в ДНК клиентов является метод главных компонент PCA, так как он представляет собой очень мощный инструмент для представления корреляции данных высокой размерности (порядка миллионов снипов и даже больше) в виде гораздо меньшего, некоррелирующего набора переменных, которые носят название «главные компоненты». Итак, метод главных компонент — это один из способов понижения размерности, состоящий в переходе к новому ортогональному базису, оси которого ориентированы по направлениям максимальной дисперсии набора входных данных (в нашем случае это набор генотипов снипов). Вдоль первой оси нового базиса дисперсия максимальна, вторая ось максимизирует дисперсию при условии ортогональности первой оси, и т.д., последняя ось имеет минимальную дисперсию из всех возможных. Такое преобразование позволяет понижать информацию путем отбрасывания координат, соответствующих направлениям с минимальной дисперсией. Можно отметить, что в основе метода главных компонент лежат следующие допущения: (a) допущение о том, что размерность данных может быть эффективно понижена путем линейного преобразования, и  (b)  допущение о том, что больше всего информации несут те направления, в которых дисперсия входных данных максимальна.

 

На первом этапе анализа необходимо вычислить главные компоненты отображающие дисперсию данных неандертальца по отношению данным современного человека. Для этого необходимо  провести PCA анализ, в который будут включен набор снипов неандертальцев, набор снипов денисовского человека, и набор снипов шимпанзе (Clint). 

Сначала скачиваем полные геномы неандертальца, денисовского человека, и шимпанзе Clint. Затем с помощью программы samtools генерируем для каждого из трех геномов файлы с геномными вариантами (vcf), отфильтровываем из полученных файлы инделы, таким образом чтобы на выходе остались только снипы и проводим аннотацию  снипов с использованием базы данных dbSNP; при аннотации находятся те варианты, которые присутствуют в базе данных и им назначается соответствующий индекс, например rs4213456 (это условный пример). Затем необходимо выбрать из это файла только те cнипы, которые присутствуют в контрольной выборке с референсными популяциями современного человека. Описание примерного порядока выполнения этой задачи можно найти в двух записях в моем блоге (здесь и здесь).

В конечном итоге, по окончанию первого этапа,  мы получаем три файла VCF c аннотированным снипами, которые необходимо соединить в один файл либо в vcftools, либо в Plink. Затем провести анализ PCA с двумя заданными главными компонентами (K2) в самом Plink, либо конвертировать данные в формат Eigenstrat и провести в программе Eigensoft анализ PCA (также с двумя заданными главными компонентами). Последний вариант предпочтителен, так алгоритм Eigensoftдает более точные данные за счет kernel-преобразований данных. В конечном результате проведенного анализа двух основных компонентов должны получится нормированный лист cобственных векторов — эйгенвекторов так называемый лист факторной загрузки –factor loading) для каждого из индивидуальных образцов, входящих в анализируемый набор. Первый главный компонент, PC1 , чьи значения отображаются вдоль первой оси ортогонального  базиса, характеризуется максимальной дисперсией набора снипов входящих данных, эта ось отображает общее генетическое сходство архаичных людей (неандертальца и денисовского человека). Ось второго компонента , PC2 , оптимизирует дисперсию при условии ортогональности первой оси (т.е, PC1), и  отображает генетическое расхождение между неандертальцами и денисовским человеком. 

 

На следующем этапе генотипы клиентыпроецируются на плоскость, образованную двум яосями PC1 и PC2.  Я полагаю, что на этом этапе в самом PCA анализе нет необходимости, вместо этого можно имплементировать метод с использованием высчитанного в первом анализе PCA листа загрузки компонентов (loadings). Подобный подход реализован, например, в программе shellfish. 

В случае успешного выполнения промежуточной задачи на этом этапе, те клиенты, у которых нет неандертальского или денисовского вклада в геном,  должныр авномерно  распределиться в центре графика, то есть внутри условного треугольника, образованного референсными геномами неандертальца,  денисовского человека и шимпанзе.В то время, как клиенты с  неандертальской примесью должны  будут проецироваться ближе к неандертальца .

Как видно из иллюстрации к работе (Reich et al.2011), европейцы и жители Восточной Азии существенно сдвинуты в сторону неандертальцев по сравнению с афро-американцами (как видно из приведенного ниже графика,  расстояние между неандертальским «углом» и положением афроамериканцеввесьма значительно, это следствие неопределенности определения предковых аллелей неандертальца по африканским популяциям, поэтому для коррекции этой дистанции в 23andme высчитали центроид генетического положения африканцев с использование данных проекта 1000G, и расчет дистанции вели от него).

 

На третьем этапе необходимо преобразовать PCA-координаты популяций современных людей в процент неандертальского ДНК,  т.е привести к тому виду, который выдается клиенту на выходе.  Для этих целей каждый клиент проецируется на расчетную «неандертальскую» ось, представляющую собой линию, соединяющий центроид предковой популяции клиента с точкой, координаты которой соответствует положению неандертальца на графике.

1. Методтеговых (маркерных) снипов— NAIM (Neanderthal Ancestry Informative Markers)

Существует более прямой и простой способ  вычисления неандертальского вклада в геном клиентов. Простота метода обусловлена отсутствием надобности в сравнительно сложных алгоритмах вычисления главных компонентов. Согласно известной публикации драфтовой версии генома неандертальца (Green et al., 2010), в геномах современных людей были обнаружены 13 геномных регионов, которые, как предполагают авторы, имели неандертальское происхождение.  Эти регионы генома  современных людей  были маркированы с помощью маркерных (теговых) снипов – то есть таких снипов, в которых неандертальский вариант часто встречается в современных неафриканских популяциях людей, но отсутствует в коренных африканских популяциях.

В процитированной выше работе был предложен набор  из 180 подобных снипов, которые маркируют эти 13 регионов, предположительного неандертальского происхождения.  Таким образом, простым арифметическим подсчетом у современных людей количества известных неандертальских вариантов этих 180 снипов,  можно было бы определить процент неандертальского вклада в геном современных людей.  Ниже приведена таблица, в которых показаны физические координаты регионов-сегментов (хромосома, начало и конец сегмента – приведены в физических положениях сегмента  в билде 36).

Тем не менее, несмотря на простоту метода, он характеризуется целым рядом недостатков, о которых следует упоминуть подробнее:

1. Во-первых, не существует никаких формальных гарантий того, что эти варианты действительно  имеют неандертальское происхождение.
2. Во-вторых, даже в том идеальном случае, когда все эти 180 вариантов действительно имеют неандертальское происхождение, они охватывают только 13 геномных регионов, самый длинный из которых представляет собой сегмент длиной всего лишь в 160 000 базовых пар. Эта длина на два порядка величин ниже, чем среднестатистические 2,5% неандертальского вклада в среднестатистическом геноме современного человека неафриканского происхождения . Поэтому простой подсчет числа неандертальских вариантов в маркерных снипах, где встречается будет в 2-3  раза занижать реальный процент неандертальского вклада в клиентском геноме.
3. В-третьих, существует еще несколько трудных моментов, связанных с практической реализацией этого метода.

3.1.     Списка вышеупомянутых 180 снипов нет в открытом доступе, и так как в оригинальной статье было упомянуто другое количество снипов (166), похоже на то, что это число снипов варьируется в зависимости от использованного чипсета (поэтому и число снипов разное).

3.2.     Технически  эту проблему можно решить следующим образом. Самый простой способ состоит в определении того, какие снипы из используемого компанией чипсета попадают в эти сегменты. Например, берется первый сегмент на хромосоме 1 (начало 168 110 000 – конец 168 220 000, длина в базовых парах – 110 000) и выбираются снипы попадающие в этот регион, и так далее по всем регионам. При этом сначала надо узнать какой билд используется в контрольной выборке популяций современных людей. Если используется build 37, тогда необходимо конвертировать координаты сегментов в более ранний build 36. После того, как будут определены все снипы попадающие в эти 13 сегментов, нужно найти неандертальские варианты этих файлов (это можно сделать в базе данных неандертальских снипов) и составить список, который затем использовать в качестве затравки при сравнении с значениями снипов у современных людей.

3.3.     Другой вариант более сложный, но очевидно более точный. Список снипов найденных в ходе сравнения геномов шимпанзе, 5 референсных популяций современных людей и неандертальца  выгружен на сайте геномного браузера UCSC. Это большой файл (в распакованном виде 363 Mb), общее количество снипов 5 615 438. Формат файла следующий:

971    chr1       50600811             50600812             AA_AAD:0D,1A  0             +             50600811             50600812             0

971    chr1       50603655             50603656             AAD_AA:0D,2A    0             +             50603655             50603656             0

971    chr1       50604033             50604034             AADAA_:0D,1A    0             +             50604033             50604034             0

971    chr1       50605949             50605950             AAA_DA:0D,1A    0             +             50605949             50605950             0
Первая колонка представляет собой номер сегмента чтения, вторая – название хромосомы, вторая и третья – физическое положение снипа, далее идет длинная колонка с указанием характера варианта в  шимпанзе, 4 популяций людей и неандертальца. «A» обозначает предковое значение аллеля, «D» — derived, т.е мутировавшее значение. После двоеточия идет специфическая неандертальская колонка (например, :0D,1A)с указанием того сколько предковых и сколько мутировавших значений снипа обнаружено в исследованных геномах неандертальцев. В данном случае, в первом снипе обнаружено 0D (0 мутировавших) и 1A (1 предковое значение). Трудность задачи состоит в определении только тех снипов, в которых  у неандертальцев нет предковых значений, а встречаются только мутировавшие значения. Эти снипы — кандидаты на неандертальский вклад в человеческий геном. Затем сравнить отфильтрованный список со списком снипов в  контрольной выборке (опять-таки, надо знать какой билд используется, координаты этого списока  приведен по билду 36) и выбрать только те, что имеются в чипсете компании. Далее алгоритм тот же, что и выше – определяется значение снипа у неандертальца и  сравнивается с соответствующим значением у современных людей. Совпадающие у неандертальца и современных людей варианты подсчитываются и определяется конечный процент неандертальского вклада.

 

Эксперимент.

 

Я решил проверить эфективность первого метода (метода PCA) на своей контрольной выборке (2778 образцов современных людей, шимпанзе, денисовского человека и неандертальского человека и 142429 снипа). В качестве рабочей программы я использовал новую версию Plink, которая позволяет использовать в анализе PCA заданные контрольные кластеры, в которые проецируются исследуемые индивиды. В качестве трех контрольных групп я выбрал, следуя рекомендациям авторов обсуждаемого исследования,  геномы шимпанзе, неандертальца из Vindja и денисовского человека. Однако число априорных главных компонентов я намерено изменил,  с 2 на 3 (K3), таким образом на выходе я получил эйгенвекторы трех главных компонентов.  По этой причине, полученный мной график PCA несколько отличается от вышеприведенного графика 23andme (вместо PC1 и PC2 я использовал PC2 и PC3, то есть второй и третьи главные компоненты, более точно описывающие в данном случае сходство/различие геномов архаичных и современных людей).

Как видно из наших результатов, все популяции современных людей разместились внутри условного треугольника образованного дисперсией геномов денисовского человека, неандертальца и шимпанзе.
Впрочем, на графике нельзя разглядеть, какие именно популяции сдвигаются в сторону неандертальца, а какие — в сторону денисовского человека (такой сдвиг свидетельствовал бы о наличии адмикса).  Чтобы устранить этот досадный артефакт графика, придется убрать с графика геномы денисовца, неандертальца и шимпанзе (из-за значительной генетической дистанции популяции современных людей сдвигаются в одну кучу).

 

 

Положение удаленных денисовца, неандертальца и шимпанзе размечено на новом графике буквенными обозначениями — D, N, Chimp. Из человеческих популяций я разметил группы африканских популяций (Africans), и коренных американцев (Native Americans). Европейские и азиатские популяций смещены в одну общую группу, с сильным креном в сторону неандертальца. Судя по всему, мои результаты, в общих чертах, практически не отличаются от результатов исследований Грина и Райха. Как отмечает  Дробышевский: » «денисовские гены», несмотря на свою экзотичность, обнаружились у современных людей. Первоначально они были найдены у папуасов Новой Гвинеи и меланезийцев острова Бугенвиль (Reich et al., 2010), затем – у австралийских аборигенов (Gibbons, 2011), а полнейшее исследование вопроса констатировало наличие их у огромного числа популяций (Reich et al., 2011). Они были выявлены в тридцати трёх популяциях Океании и Юго-Восточной Азии, в том числе у папуасов Новой Гвинеи, австралийских аборигенов (даже больше, чем у папуасов), полинезицев, фиджийцев, восточных индонезийцев с разных островов, филиппинцев и у филиппинских аэта-маманва.»

Что касается неандертальца, то уже с 2010 года известно, что в целом неандертальская ДНК составляет 1-4% генома нынешних людей, живущих за пределами Африки. Авторы двух исследований, опубликованных в среду журналах Science и Nature, выяснили, что чаще всего неандертальская наследственность присутствует в нескольких генах, связанных с выработкой кератина, присутствующего в коже, волосах и ногтях. В этой части генома неандертальские аллели обнаружены у 70% европейцев и 66% азиатов.

Гораздо интереснее те мои результаты, которые отличаются от общепринятых. Так например, довольно неожиданным результатом является наблюдаемое на графике значительное смещение южноамериканских индейцев в сторону денисовского человека, причем это смещение гораздо значительнее смещения папуасов и меланезийцев, у которых были найдены «денисовские гены» в наибольшем количестве. Что это означает, трудно сказать — наличие реального сигнала смешивания в данном случае равновероятен обнаружению статистического артефакта.  Впрочем, если верить работам Скоглунда этот результат может быть правдоподобным — моделирование миграций генов показало, что «денисовские» гены должны встречаться не только в Юго-Восточной Азии, но даже в некоторых группах Южной Америки (Skoglund et Jakobsson, 2011)

Оставим в стороне этот вопрос, который нуждается в более детальном изучении, и передем к расчетам процентной величины вклада неандертальских генов в популяции современных людей. Очевидно, что средняя величина этого вклада по каждой из популяций может дать только приблизительное представление о характере архаичной интрогресси неандертальских генов. Индивидуальный уровень вклада в каждой популяции может иметь большую частотную амплитуду в интервале между 1 и 6% процентами. Тем не менее, представляется возможным апроксимировать эти значения путем умножения собственного вектора (eigenvector) главных компонентов каждого индивида каждой популяции на собственное число линейного преобразования (eigenvalue), и последующим усреднением по популяции.

Ниже приведены эти усредненные значения в процентах (неандертальских генов), в порядке уменьшения. Вызывают сомнения ультра-высокие значения в первых десяти популяциях — скорее всего это результат комплексного воздействия статистических эфектов недостаточной представленности выборки, а также высокой степени гомозиготности, характерной для изолированных популяций (исландцев, албанцев и басков). Довольно высок уровень неандертальского вклада в образцах древних европейцев, хотя это и логично с точки зрения исторической модели адмикса. С другой стороны, средние значения (2-2.7%) неандертальского адмикса в популяциях Восточной Европы выглядят реалистичными. Так, например, по расчетам 23andme у меня уровень «неандертальских генов» составляет 2.67% :

Icelandic	10.50%
Norwegian	9.00%
1_Motala12	8.00%
Spain_BASC	8.00%
Albanian	7.00%
Korean	7.00%
Tiwari	5.11%
1_LBK380	5.00%
1_Loschbour	5.00%
French_South	4.00%
Kashmiri	4.00%
Tubalar	4.00%
Atayal_Coriell	3.60%
Ami_Coriell	3.10%
1_Motala_merge	3.00%
Bolivian	3.00%
Croatian	3.00%
Totonac	2.80%
Qatari	2.71%
Mixed_East_Slav	2.57%
Gujarati	2.43%
Ulchi	2.39%
North-Russian	2.36%
Center-Russian	2.36%
Aonaga	2.33%
British	2.33%
Chenchu	2.33%
East-Belarusian	2.33%
Ukrainian	2.33%
Finn	2.29%
Latvian	2.29%
Mixed_European	2.28%
South-Russian	2.27%
Pole	2.26%
Lithuanian	2.25%
West-Belarusian	2.25%
Belarusian	2.23%
Vepsa	2.23%
Bosnian	2.22%
Cree	2.20%
Georgian_Imereti	2.20%
Polish	2.20%
Orcadian	2.15%
Russian	2.15%
Karelian	2.13%
Welsh	2.12%
Swede	2.11%
Ukranians	2.11%
Greek	2.10%
Lithuanians	2.10%
Gagauz	2.09%
Croat	2.08%
Slovak	2.08%
Estonians	2.08%
Adygei	2.07%
Serb_Serbia	2.07%
Toscani	2.07%
French	2.06%
Komi	2.06%
1_LaBrana	2.00%
Algonquin	2.00%
Avar	2.00%
Azeri_Dagestan	2.00%
Azov_Greek	2.00%
Bashkir	2.00%
Belgian	2.00%
Bulgarians	2.00%
Central-Greek	2.00%
CEU	2.00%
Cirkassian	2.00%
Cochin_Jew	2.00%
Corsican	2.00%
Cretan	2.00%
Croat_BH	2.00%
Don_cossack	2.00%
Eskimo	2.00%
Haida	2.00%
Hungarian	2.00%
Hungarians	2.00%
Inkeri	2.00%
Inkeri-Finn	2.00%
Italian_Abruzzo	2.00%
Kets	2.00%
Kosovar	2.00%
Kryashen	2.00%
Kuban_cossack	2.00%
Lezgin	2.00%
Macedonian	2.00%
Meghawal	2.00%
Mishar	2.00%
Mixed_CEU	2.00%
Mixed_East_European	2.00%
Mixed_German	2.00%
Mixed_Slav	2.00%
Montenegrian	2.00%
Mordovian	2.00%
Mordovians	2.00%
North_Italian	2.00%
Occitan	2.00%
Roma_Bulgarian	2.00%
Roma_Macedonian	2.00%
Romanian_Jew_2	2.00%
Russian_South	2.00%
Saami	2.00%
Selkup	2.00%
Serb_BH	2.00%
Slovenian	2.00%
South_Greek	2.00%
Swedish	2.00%
Tabassaran	2.00%
Tatar_Lithuanian	2.00%
Velama	2.00%
West_Greenland	2.00%
French_Basque	1.95%
Chechens	1.94%
Iberian	1.94%
Chuvash	1.94%
Tatar	1.93%
Balkars	1.92%
German	1.92%
North-Ossetian	1.92%
Hant	1.89%
North_Greek	1.89%
Georgians	1.88%
Lak	1.88%
Abhkasians	1.85%
Sardinian	1.84%
Udmurd	1.84%
Maris	1.82%
Romanians	1.82%
Georgian_Laz	1.80%
Kumyks	1.80%
Lodi	1.80%
Mansi	1.77%
Chukchis	1.75%
Crimean_Tatar	1.75%
Italian_Piedmont	1.75%
Ket	1.75%
Moldavian	1.75%
Vaish	1.75%
Hallaki	1.67%
Lezgins	1.67%
Ossetian	1.67%
Tlingit	1.67%
Greek-Islands	1.63%
Turks	1.63%
Armenians	1.60%
Nogais	1.60%
Selkups	1.60%
Hakas	1.57%
Ashkenazy_Jews	1.56%
Apache	1.50%
Jew_Tat	1.50%
Kabardin	1.50%
Karitiana	1.50%
Kurds	1.50%
Nenets	1.50%
Samaritians	1.50%
Santhal	1.50%
Srivastava	1.50%
Syrian_Jew	1.50%
Tuva	1.50%
Uygur	1.50%
Mexican	1.45%
Italian_Jew	1.40%
Portugese	1.40%
Tajiks	1.40%
Kyrgyzians	1.38%
Roma_Slovenian	1.38%
Altaians	1.36%
Koryaks	1.33%
Pashtun	1.33%
Satnami	1.33%
Sicilian	1.33%
Yakut	1.31%
Cypriots	1.30%
Spaniards	1.30%
Turkmen	1.30%
French_Jew	1.29%
Iraqi_Jews	1.29%
Sephardic_Jews	1.29%
Turkmens	1.29%
Parsi	1.28%
Buryats	1.27%
Pathan	1.27%
Tadjik	1.27%
Athabask	1.25%
Iran_Jew	1.25%
Kurd_Jew	1.25%
Nganassans	1.25%
Nysha	1.25%
Azeri	1.22%
Mixtec	1.22%
Tharu	1.20%
Tunisian_Jew	1.20%
Uzbek	1.20%
Evenkis	1.18%
Kazakhs	1.18%
Roma	1.17%
Tuvinians	1.17%
Druze	1.16%
Karakalpak	1.14%
Mongolians	1.14%
Uzbeks	1.13%
Ojibwa	1.10%
Buryat	1.00%
Cochimi	1.00%
Cucupa	1.00%
Dolgan	1.00%
Dolgans	1.00%
Even	1.00%
Evenk	1.00%
Hazara	1.00%
Huichol	1.00%
Kalash	1.00%
Kalmyk	1.00%
Kamsali	1.00%
Koryak	1.00%
Kumiai	1.00%
Lambadi	1.00%
Luiseno	1.00%
Maya	1.00%
Mongol_Halha	1.00%
Nganassan	1.00%
Oroqen	1.00%
Pima	1.00%
Roma_BH	1.00%
Romanian_Jew_1	1.00%
Romanian_Jew_3	1.00%
Shor	1.00%
Surui	1.00%
Tharus	1.00%
Tsimsian	1.00%
Uyghur	1.00%
Uzbekistan_Jew	1.00%
Uzbekistani_Jews	1.00%
Vysya	1.00%
Yukaghirs	1.00%
Sindhi	0.91%
Hezhen	0.86%
Xibo	0.80%
Navajo	0.78%
Bhil	0.75%
Brahmins_UP	0.75%
Burusho	0.75%
Mongola	0.75%
Naga	0.75%
Iranians	0.71%
Daur	0.67%
Kshatriya	0.67%
Mala	0.67%
Moroccan_Jews	0.67%
Japanese	0.58%
Chinese_Dai	0.53%
Evens	0.50%
Kol	0.50%
Morocco_Jew	0.50%
Mumbai_Jews	0.50%
Scheduled_Caste_UP	0.50%
South_Han	0.50%
Tu	0.50%
North_Han	0.45%
Brahui	0.45%
She	0.44%
Tujia	0.44%
Iraki	0.43%
Naxi	0.43%
Dharkars	0.40%
Han	0.40%
Kanjars	0.40%
Miaozu	0.40%
Velamas	0.38%
Balochi	0.33%
Chenchus	0.33%
Dusadh	0.33%
Hakkipikki	0.33%
Lahu	0.33%
Piramalai_Kallars	0.33%
Yizu	0.33%
Colombian	0.25%
Chamar	0.22%
Syrians	0.22%
Dai	0.20%
Libyan_Jew	0.17%
Makrani	0.08%

Новая работа по геному неандертальцев и денисовцев.

В июле этого года в журнале Gene появилась замечательная работа Neanderthal and Denisova genetic affinities with contemporary humans:
Introgression versus common ancestral polymorphisms/Robert K. Lowery, Gabriel Uribe , Eric B. Jimenez , Mark A. Weiss, Kristian J. Herrera, 
Maria Regueiro, Rene J. Herrera. Gene . Особого внимания в этой работе заслуживает постановка вопроса в исследовании вопроса о схожести геномов денисовцев и неандертальцев с современными человеческими популяциями.  В этой связи я позволю себе удовольствие процитировать краткий реферат этой статьи в изложении профессионального русскоязычного генетика Людмилы Р.:

Авторы решали вопрос — являются ли те 1-4% генетического сходства между
архаичными гоминидами и современными людьми результатом имевшего место смешивания или общего наследственного полиморфизма, который сохранился в человеческой популяции?
Авторы сравнили 5 млн.SNPs (финальный набор 37,758 SNPs) ныне живущих людей (n=827 из 11 популяций) и архаичных гоминид. Они разделили снипы на 4 группы, которые, логично предположить, происходили в разные отрезки времени –
NdDa –у неандертальцев –derived (мутировавшие) и ancestral (предковые) – у денисовцев,
NaDd — у неандертальцев – ancestral и derived у денисовцев,
NdDd — derived у неандертальцев и денисовцев,
NaDa – ancestral у неандертальцев и денисовцев.
Ancestral и derived снипы определялись по сравнению с шимпанзе.
Ранее предполагалось, что не-Африканские популяции содержат 1-4% генома, доставшегося им от неандертальцев, в отличие от популяций Sub-Saharan-Africans, за счет того, что было смешивание с неандертальцами после выхода человека из Африки. По этому сценарию, все потомки древней человеческой популяции должны содержать равное количество неандертальской ДНК. При этом отличия Sub-Saharan-Africans и non- Sub-Saharan-Africans приписываются gene flow от неандертальцев. Но то, что какой-то SNP у человека, найден у неандертальцев, но не найден у шимпанзе, не означает, что он появился у неандертальца. Такая мутация могла произойти от времени разделения линий шимпанзе и гоминид ( 4-7 млн.лет назад) до времени разделения ветвей человека и неандертальца (400-800 тыс.лет назад). Т.е. выявленные общие SNPs у человека и неандертальцев могут означать их общий предковый полиморфизм.
Авторы не отказываются от “выхода человека из Африки”, но предполагают, что региональные различия в Африке внутри общей предковой популяции были уже на ранних стадиях, и люди, которые мигрировали из Африки, могли представлять собой субпопуляции с более высоким сродством с неандертальцами или денисовцами.
11 популяций, которые участвовали в сравнении:
Abbreviation n Region Populations included
a 123 Sub-Saharan Africa Yoruba, Mandenka, San, Bantu,
Biaka Pygmy, Mbuti Pygmy
b 41 Northern Africa Ethiopians, Egypt, Morocco
c 68 Caucasus Georgia, Armenians, Lezgins, Adygei
e 124 Europe Lithuanian, Belorussian, Romanian,
Cypriot, Hungarian, Basque, Russian,
Spanish, Chuvash
m 33 Melanesian Papuan, Bouganville
n 31 Amerindian Pima, Piapoco, Curripaco, Mayan
s 67 South Central Asia Paniya, Kannadi, Sakilli, Kalash, Uygur,
Barusho, Balochi
r 35 SouthWest Asia Iranian, Uzbekistan
d 30 South East Asia Yizu, Cambodian, Lahu, Malayan
t 34 North East Asia Yakut, Mongolian, Daur
z 241 Near-East Jordan, Samaritan, Syrian, Druze,
Bedouin, Mozabite, Palestinian,
Turkey, Lebanon, Saudi, Yemen
В работе использовали методы популяционной генетики — Principal component (PC) и Structure analyses, D-statistics. Авторы делают выводы, что присутствие 3,6 % неандертальских генов в европейских геномах более похоже на полиморфизм нашего общего предка, чем на результат спаривания видов. % общих генов уменьшается с продвижением на восток в Евразию. Предполагаемая примесь у меланезийцев денисовских генов может также свидетельствовать об их общем предке.

Примечательно, что задолго до публикации этой интересной статьи, к аналогичным выводам пришли любители — антрополог Джон Хоукз (анализ интрогрессии геномов в выборке 1000genomes) и уже ставший живой легендой геномный блогер Диенек Понтикос ( пост о вопросе наличия неандертальский/денисовский адмикса) . Эти выводы противоречат широко растиражированному в масс-медиа выводу о том что «неандертальцы занимались сексом с предками современных людей, за исключением африканцев из региона Суб-Сахары». Этот фривольный медиа-мем возник на основании вольной интерпретации серьезного исследования коллектива под руководством Сванте Паабо. Позже появилось еще одно исследование «The Shaping of Modern Human Immune Systems by Multiregional Admixture with Archaic Human», в котором было показано, что  вклад денисовца в евразийские гены оказался более скромным, однако его доля, как выяснилось, достигает 6% у современных меланезийцев и населения Новой Гвинеи. Соответственно, в средства массовой информация прошла очередная ‘сексуальная’ новость — оказывается, «cпособность успешно противостоять евразийским микробам мы обрели благодаря бракам с неандертальцами и денисовцами». Причем никто из журналистов, похоже не вникал в технические особенности этих работ, в которых ascertainment (установление) снипов производилось по субсахарской популяции бушменов.

Обсуждаемая здесь новая статья позволяет взглянуть на эту проблему под другим углом, c использованием новых методов попгенетики  анализ адмикса, главных компонентов разнообразия и D-статистики.  При интерпретации авторы обосновано отмечают ряд недостатков растиражированной в масс-медиа версии о сексе с архаичными гомининами:

Существуют два возможных сценария генезис снипов, которые обнаружены у неандертальцев, денисовских людей и современных людей: 1) они возникли у общих предков всех трех групп или 2) снипы могут являться следствием  обмена генами между эти тремя группами.

Результаты D-статистических анализов демонстрируют более высокое присутствие NdDd (derived у неандертальцев и денисовцев) аллелей в Африке к югу от Сахары относительно всех евразийцев и населения Северной Африки. Конечно, сочетание этих двух сценариев может объяснить происхождение подмножества снипов в наборе NdDd подмножество. В модели европейской примеси (адмикса),  у африканцев Субсахары должно быть меньше NdDd аллелей, чем у евразийцев и населения Северной Африки. Исходя из этого, высокий процент NdDd аллелей в субсахарских популяциях является решающим  аргументом в пользу происхождения этих аллелей от древних гоминид, а не в пользу версии смешивания с архаичными людими. Кроме того, к югу от Сахары доля 3 из 5 NdDd компонентов адмикса , включает в себя примерно 30% от общего числа снипов в NdDd  (1 компонент, 6 и 10 на рис. 10), что предполагает общее происхождение предков, а не трехстороннее смешивание для снипов, включенных в панель NdDd . Дополнительным аргументов в пользу сценария общего предкового полиморфизма является расположение снипов NdDd неандертальцев и Денисова NdDd в пространстве первого главного компонента разнообразия PC1 (рис. 5) рядом с субафриканскими популяциями. Этот результат является неожиданным, учитывая, что генотипы NdDd состоят только из деривативных (derived) аллелей. Интересно, что снипы NdDd демонстрируют сопоставимые характеристики D-статистики  в популяциях меланезийцев и африканцев Субсахары. Обе группы — меланезийцы и субсахарские африканцы —  генерируют более высокие показатели D-статистики на основании снипов NdDd основана D-статистики, — примерно на 0,7% выше, чем у выходцев из Северной Африки и на 1,5% выше, чем у жителей Северо-Восточной Азии (табл. 2;. Рис 11). Кроме того, если мы предположим, что смешивание между тремя группами (предками современных людей, неандертальцами и денисовцами) является важным источником снипов NdDd , то можно  было бы ожидать более высокую степень генетического обмена между европейцами и меланезийцами, однако, во всех наших анализах Structure, ни один такой обмен не наблюдается.

Эксперимент

С целью проверки выводов этого исследования я провел дополнительное исследование этого вопроса с использованием большого количества современных популяций (более трехста популяций), большего числа снипов (примерно 300 000 снипов) и альтернативных методов — программы Admixture и MDS (мультидименсионального скалирования).

Результаты нашего анализа замечательно согласуются с результатами в обсуждаемой статье. Например, на графике PCA (в пространстве двух первых главных компонентов генетического разнообразия), неандертальцы и денисовцы оказываются в окружении трех субсахарских популяций — гумуз, ари из Восточной Африки и лемба из южной Африки. 

Результаты Admixture также мало чем отличаются от результатов аналогичного анализа Structure в работе профессиональных попгенетиков. Снипы неандертальцев и денисовского человека (взятые из кураторского набора данных лаборатории Райха (SNP ascertainment panel)) образуют особый компонент вместе со снипами субсахарских популяций бушменов, коса и сандаве.

Denisova	Denisova	99,98%
Neander	Vindija	99,98%
San	HGDP00991	99,98%
San	HGDP01032	99,98%
San	HGDP01036	99,98%
San	SA36	99,98%
San	SA34	99,98%
San	SA52	99,98%
San	SA19	99,98%
San	HGDP00988	99,54%
San	HGDP01029	99,19%
San	HGDP00992	98,47%
San	SA53	97,53%
San	SA47	93,98%
San	SA41	93,28%
San	SA22	92,13%
San	SA32	91,10%
Neander	Clint	90,75%
San	SA48	89,58%
San	SA30	89,40%
San	SA55	88,93%
San	SA35	88,18%
San	SA61	85,45%
San	SA50	83,92%
San	SA29	81,14%
San	SA04	78,20%
San	SA37	74,40%
San	SA56	74,34%
San	SA38	74,17%
San	SA21	70,00%
San	SA06	69,85%
San	SA28	61,13%
San	SA03	57,39%
San	SA40	56,62%
San	SA49	54,89%
San	SA45	47,39%
San	SA58	43,01%
San	SA39	41,33%
San	SA59	34,80%
Bantu	HGDP01030	33,37%
Xhosa	XH4	26,85%
Xhosa	XH20	25,99%
Xhosa	XH14	24,78%
Bantu	HGDP00993	23,99%
Bantu	HGDP00994	23,02%
Bantu	HGDP01034	21,48%
San	SA25	21,28%
Bantu	HGDP01033	15,40%
Sandawe	HG43	14,20%
Sandawe	HG60	14,04%
Sandawe	HG40	13,77%
Sandawe	HG35	13,56%
Sandawe	HG44	13,51%
Sandawe	HG56	13,37%
Sandawe	HG46	13,26%
Sandawe	HG41	13,25%
Sandawe	HG66	13,18%
Sandawe	HG47	13,09%
Sandawe	HG49	12,93%
Sandawe	HG67	12,75%
Sandawe	HG55	12,63%
Sandawe	HG45	12,43%
Sandawe	HG63	12,14%
Aricultivator	Aricultivator11	12,13%
Ariblacksmith	Ariblacksmith2	12,13%
Sandawe	HG42	12,10%
Ariblacksmith	Ariblacksmith3	11,92%
Sandawe	HG38	11,85%
Ariblacksmith	Ariblacksmith7	11,83%
Sandawe	HG53	11,76%
Ariblacksmith	Ariblacksmith6	11,70%
Aricultivator	Aricultivator2	11,67%
AricultivatorIbd	Aricultivator23Ibd	11,54%
Ariblacksmith	Ariblacksmith10	11,49%
Ariblacksmith	Ariblacksmith8	11,48%
Aricultivator	Aricultivator17	11,46%
Aricultivator	Aricultivator4	11,42%
AricultivatorIbd	Aricultivator24Ibd	11,28%
Sandawe	HG48	11,22%
Aricultivator	Aricultivator15	11,18%

Более любопытные результаты получены при применении рекомендованного Диенеком Понтикосом метода Mclust, метода который позволяет за счет редуцирования числа измерений набора статистических данных избавиться от шума и проблем, связанных с различием в составе использованных выборок. Как видно, из приведенной ниже таблицы набор снипов неандертальцев и денисовцев кластеризуется не только с африканскими популяциями, но и с меланезийцами, и даже инбридинговыми популяциями индейцев из южной Америки, популяциями с хорошо заметным эффектом генного дрейфа

Neander	Clint	100,00%
Denisova	Denisova	100,00%
Neander	Vindija	100,00%
Papuan	HGDP00542	100,0000%
Papuan	HGDP00554	100,0000%
NAN_Melanesian	HGDP00662	100,0000%
NAN_Melanesian	HGDP01027	100,0000%
Papuan	HGDP00543	100,0000%
Papuan	HGDP00555	100,0000%
NAN_Melanesian	HGDP00663	100,0000%
Papuan	HGDP00544	100,0000%
Papuan	HGDP00556	100,0000%
NAN_Melanesian	HGDP00664	100,0000%
Papuan	HGDP00545	100,0000%
NAN_Melanesian	HGDP00490	100,0000%
NAN_Melanesian	HGDP00787	100,0000%
Papuan	HGDP00546	100,0000%
NAN_Melanesian	HGDP00491	100,0000%
NAN_Melanesian	HGDP00788	100,0000%
Papuan	HGDP00547	100,0000%
NAN_Melanesian	HGDP00655	100,0000%
NAN_Melanesian	HGDP00789	100,0000%
Papuan	HGDP00548	100,0000%
NAN_Melanesian	HGDP00656	100,0000%
NAN_Melanesian	HGDP00823	100,0000%
Pima	HGDP01048	100,0000%
Papuan	HGDP00541	100,0000%
Papuan	HGDP00553	100,0000%
NAN_Melanesian	HGDP00661	100,0000%
NAN_Melanesian	HGDP00979	100,0000%
Karitiana	HGDP00998	100,0000%
Karitiana	HGDP01011	100,0000%
Surui	HGDP00833	100,0000%
Surui	HGDP00846	100,0000%
Karitiana	HGDP01010	100,0000%
Surui	HGDP00832	100,0000%
Surui	HGDP00845	100,0000%
Papuan	HGDP00550	100,0000%
NAN_Melanesian	HGDP00658	100,0000%
NAN_Melanesian	HGDP00825	100,0000%
Karitiana	HGDP00999	100,0000%
Karitiana	HGDP01012	100,0000%
Surui	HGDP00834	100,0000%
Surui	HGDP00847	100,0000%
Papuan	HGDP00540	100,0000%
Papuan	HGDP00552	100,0000%
NAN_Melanesian	HGDP00978	100,0000%
Karitiana	HGDP01000	100,0000%
Karitiana	HGDP01013	100,0000%
Surui	HGDP00835	100,0000%
Surui	HGDP00848	100,0000%
Karitiana	HGDP01001	100,0000%
Karitiana	HGDP01014	100,0000%
Surui	HGDP00837	100,0000%
Surui	HGDP00849	100,0000%
Karitiana	HGDP01003	100,0000%
Karitiana	HGDP01015	100,0000%
Surui	HGDP00838	100,0000%
Surui	HGDP00850	100,0000%
Karitiana	HGDP01004	100,0000%
Karitiana	HGDP01016	100,0000%
Surui	HGDP00839	100,0000%
Surui	HGDP00851	100,0000%
Surui	HGDP00843	100,0000%
Pima	HGDP01050	100,0000%
Karitiana	HGDP01005	100,0000%
Karitiana	HGDP01017	100,0000%
Surui	HGDP00840	100,0000%
Surui	HGDP00852	100,0000%
Karitiana	HGDP01006	100,0000%
Karitiana	HGDP01018	100,0000%
Surui	HGDP00841	100,0000%
Karitiana	HGDP00996	100,0000%
Karitiana	HGDP01008	100,0000%
Papuan	HGDP00551	100,0000%
Karitiana	HGDP00995	100,0000%
Karitiana	HGDP01007	100,0000%
Karitiana	HGDP01019	100,0000%
Surui	HGDP00842	100,0000%
Karitiana	HGDP00997	100,0000%
Surui	HGDP00830	100,0000%
Surui	HGDP00844	100,0000%
NAN_Melanesian	HGDP00657	100,0000%
NAN_Melanesian	HGDP00824	100,0000%
Papuan	HGDP00549	100,0000%
Hadza	BAR01	100,0000%
Hadza	BAR04	100,0000%
Hadza	BAR07	100,0000%
Hadza	BAR08	100,0000%
Hadza	BAR10	100,0000%
Hadza	BAR11	100,0000%
Hadza	BAR13	100,0000%
Hadza	END08	100,0000%
Hadza	END09	100,0000%