Еволюція гомінідів через білки емалі, що мають 2 мільйони років
Обмеження збереження давньої ДНК тривалий час заважали нашому розумінню ранніх гомінідів, особливо тих, що існували в складних кліматичних умовах Африки. Наразі мультидисциплінарна команда дослідників скористалася стійкістю зубної емалі та сучасними методами мас-спектрометрії, щоб відновити та секвенувати фрагменти білків з зубів Paranthropus robustus, що датуються приблизно 2 мільйонами років тому. Їхні результати не лише підтверджують таксономічну єдність цього загадкового роду, але й уточнюють наше розуміння статевого диморфізму, еволюційних зв’язків та подальших напрямків у палеопротеоміці.
Протеомний аналіз відкриває таємниці віком 2 мільйони років
Зазвичай ДНК фрагментується та деградує до невідновлювального стану після 100 000–500 000 років навіть за ідеальних умов. Натомість емаль — найміцніший біокерамічний матеріал природи — захищає білки, які можуть зберігатися значно довше. Завдяки високороздільній рідинній хроматографії з тандемною мас-спектрометрією (LC-MS/MS) на мас-спектрометрі Thermo Fisher Q Exactive™ HF, дослідники виділили шість білків емалі, охоплюючи 425 амінокислот у чотирьох викопних зубах з Південної Африки, відомих як Колиска людства.
Ключові методологічні характеристики
- Підготовка зразків: мікродрилювання для виділення приблизно 5 мг порошку емалі з кожного зуба
- Буфер для екстракції білків: 0,1% трифтороцтової кислоти (TFA) з 6M гідрохлоридом гуанідину
- Градієнт LC: 5–35% ацетонітрилу за 90 хвилин при 300 нЛ/хв
- Отримання MS/MS: дані залежні від топ-15 прекурсорів, фрагментація HCD при 28% нормалізованої енергії зіткнення
- Пошук у базі даних: MaxQuant v2.2.0.0 проти кастомного референтного протеому гомінідів
Складна головоломка гомінідів: Paranthropus в контексті
Цей рід вперше з’явився приблизно 3 мільйони років тому і існував до 1,5 мільйона років. Робустні австралопітини перекривалися як з Australopithecus, так і з ранніми Homo. Пропонується чотири види в межах роду Paranthropus, і значна внутрішньовидова варіація — особливо в розмірах тіла — викликала гіпотези про виражений статевий диморфізм. Однак попередні спроби визначити стать на основі скелетних метрик залишилися безрезультатними.
“Відновлення специфічних для самців пептидів AMELY з невеликого зуба суперечить припущенню, що розмір безпосередньо корелює зі статтю в Paranthropus,” зазначає професор Енріко Каппелліні, старший автор і піонер палеопротеоміки в Інституті Глобус Університету Копенгагена.
Аналіз даних та філогенетичні висновки
Серед шести ідентифікованих білків — AMELX, AMELY, ENAM, MMP20, KLK4 та AMBN — AMELY походить з Y-хромосоми і слугує визначальним маркером для самців. У цьому дослідженні два зуби виявили пептиди, що походять від AMELY, серед яких один раніше був морфологічно класифікований як “жіночий”. Це спростовує прості моделі статевого диморфізму та вказує на те, що екологічні або розвиткові фактори впливали на варіацію розміру.
Окрім визначення статі, команда провела аналіз філогенетичних зв’язків за методом максимальної правдоподібності, використовуючи MEGA X, включаючи 16 специфічних для видів поліморфізмів амінокислот. Підтримка bootstrap на рівні 75% розмістила P. robustus ближче до Homo, ніж до інших австралопітинів — провокаційний результат, який потребує підтвердження на більших вибірках.
Статистичний алгоритм
- Вирівнювання 425 позицій амінокислот серед 10 гомінідів та 4 не-гомінідних таксонів
- Вибір моделі за критерієм інформації Акаіке (AIC) — обрана модель LG+G+I
- 1000 повторів bootstrap для оцінки підтримки вузлів
- Порівняння з симульованими геномами людей для оцінки внутрішньовидової варіабельності
Перспективи та етичні міркування
Оскільки палеопротеоміка входить у свою золоту еру, дослідники стикаються з подвійним викликом: руйнівне відбору зразків та необхідністю збереження незамінних викопних решток. Неруйнівні методи візуалізації (μCT-сканування) та мікрорентгенографія можуть допомогти в направленому відборі зразків з регіонів з максимальною щільністю білків. Тим часом покращення в ампліфікації пептидів та in silico de novo секвенуванні обіцяють підвищити ефективність відновлення з підміліграмових зразків.
Думки експертів
- Д-р Катрін Сунде: “Інтеграція глибокого навчання для прогнозування спектрів пептидів може підвищити рівень ідентифікації на 30–50%.”
- Проф. Бернард Вуд: “Ці методи можуть нарешті дозволити нам знову розглянути давні дебати про видоутворення гомінідів у Східній Африці.”
З публікацією в журналі Science DOI:10.1126/science.adt9539, галузь готова до швидкого розширення. Наступний етап вимагатиме міжнародної співпраці, стандартизованих протоколів та відкритих баз даних пептидів, щоб картографувати протеомну різноманітність вимерлих гомінідів та переосмислити нашу еволюційну історію.