Сванте Паабо: то, что делает нас людьми

Запутанная родословная

Сванте Паабо с 1997 года возглавляет кафедру генетики Института эволюционной антропологии им. Макса Планка в Лейпциге. Сын нобелевского лауреата в той же номинации 1982 года Суне Бергстрема (за изучение простагландинов), ученый активно работает с геномами неандертальцев, денисовцев (к открытию которых он приложил руку) и других вымерших древних людей. Сравнительно недавно прочитать и восстановить их генетические данные по имеющимся находкам казалось невозможным.

К сожалению, палеонтология или археология позволяет получить лишь малую часть информации о прошлом Земли: многие образцы обнаруживаются в плохом состоянии. Даже если вам повезло найти целый скелет, знания о том, каким был цвет волос его обладателя, откуда он пришел, кем были его родители, будут очень ограничены. Но чаще всего дело обстоит хуже, и радоваться приходится даже одной сохранившейся фаланге — по такому фрагменту, найденному в пещере в Алтайском крае, кстати, и был описан денисовский человек, геном которого тоже секвенировал герой нашей статьи.

Современные методы генетики, молекулярной биологии и биоинформатики позволяют решить эти проблемы, собирать информацию по крупицам и воссоздавать облик давно исчезнувших организмов, восстанавливая их деградировавшую со временем генетическую последовательность. Открытая в середине восьмидесятых американским биохимиком Кэри Муллисом полимеразная цепная реакция стала революцией в области генетического анализа и позволила многократно копировать фрагменты ДНК, а ее создатель получил Нобелевскую премию по химии в 1993 году. Но большую сложность создает и контаминация — загрязняющие образец кусочки ДНК микроорганизмов из почвы или неосторожных археологов.

Работа с ДНК наших древних предков или их родственников — не просто поиск аргументов в спорах с креационистами или удовлетворение научного интереса. Миграция представителей рода Homo из Африки 70 тысяч лет назад и перемешивание их генов повлияло на то, как мы выглядим, какие наследуем болезни и как наша иммунная система реагирует на инфекции. Сванте Паабо развил подходящие технологии и создал стандарт секвенирования геномов наших вымерших собратьев по роду. Работая с неандертальцами, он показал, что _Homo sapiens _сосуществовали с ними не только во времени, но и в пространстве одних и тех же укрытий, а также порой скрещивались друг с другом, доказательство чему сохранилось и в геномах современных людей. Кроме того, эти работы позволяют лучше понять, что делает нас уникальными как вид — а кому не хочется узнать о себе больше?

Книга, которую нельзя прочитать

Первые шаги к пониманию нашей эволюции со стороны генетики сделал Аллан Вильсон, который проанализировал белки, зашифрованные в ДНК митохондрий — внутриклеточных станций по выработке энергии, которые передаются по материнской линии. Поскольку когда-то митохондрии были свободными микроорганизмами, у них сохранился собственный небольшой набор генов, отличающийся от нашего «основного» генома, который хранится в хромосомах в ядре. В клетке со множеством митохондрий содержатся тысячи в копий этой части генома — при «сборке» последовательности из кусочков биоинформатическими методами это обеспечивает хорошее перекрытие, чтобы можно было хорошо состыковать и многократно проверить каждый участок последовательности. Данные Вильсона стали весомым аргументом в пользу теории общего исхода из Африки как колыбели человечества, но в митохондриальном фрагменте было лишь 16,5 тысяч пар оснований («букв» ДНК), тогда как три миллиарда пар в ядерном геноме оставались за кадром.

В 1990 году огромный международный консорциум объединил свои силы в Human Genome Project — первой успешной попытке секвенировать (прочитать) и аннотировать (подписать значение всех участков) человеческий ядерный геном целиком. Эти многолетние усилия увенчались успехом — двумя статьями, вышедшими в 2001 году, — и позволили создать карту наших генов, с которой ученые активно работают и сегодня — не только ища ответы на фундаментальные генетические вопросы, но и решая медицинские проблемы. Для понимания разнообразия человеческих геномов за этим последовали проекты 1000 Genomes Project Consortium и Simons Genomes Diversity Project. Все это положило начало большому научному направлению, однако сравнить наши геномы с ДНК наших далеких предков пока не удавалось.

Генетики (в том числе, Томас Линдал, с которым молодой Паабо работал в Имперском колледже Лондона) были уверены, что образцы возрастом десятки и сотни тысяч лет еще можно прочитать, но ДНК наших предков, живших более миллиона лет назад, слишком разрушена и не предоставит нам каких-то ценных данных. Оказалось, многое зависит от условий хранения, что подтверждает недавнее секвенирование ДНК мамонта, который бродил по Земле миллион лет назад, а до нас дошел сохраненный в вечной мерзлоте.

Сванте Паабо, с молодости интересовавшийся египтологией, археологией и палеонтологией, вместе с упомянутым нами Вильсоном одним из первых попытался применить метод ПЦР к древним останкам в 1988 году. За два года до этого он защитил PhD по иммунологии. Чтобы решить проблему контаминации, Паабо, которому тогда было чуть больше 30, занялся созданием специальных стерильных помещений, а также призывал лаборатории независимо воспроизводить результаты друг друга, снижая риск ошибки. Группа Паабо несколько десятилетий подробно исследовала то, как с точки зрения биохимии деградирует, разрушается и фрагментируется ДНК с течением времени, а также искала технологии, чтобы узнать, каким был ее первоначальный вид. Кроме того, ученые создали системы очистки древней ДНК от более поздних загрязнений и обнаружили, что благодаря степени рацемизации (соотношения зеркально подобных версий одних и тех же аминокислот) можно узнать, содержит ли образец ДНК какие-то примеси.

В 1990 году Паабо начал работать в Мюнхенском университете и задался целью прочитать неандертальскую ДНК — для начала, митохондриальную. Археологический музей в городе Бонн поделился с генетиками бесценным материалом — кусочком ключицы «типового образца», обнаруженного в 1856 году. Поначалу удалось извлечь последовательность длиной всего в 61 нуклеотид, но благодаря образцу из нового фрагмента кости и многократному копированию удалось восстановить цепочку из 379 нуклеотидов. Этот участок ДНК Паабо прогнал через базу последовательностей 2051 человек и 59 шимпанзе, чтобы сравнить его с аналогичными участками в их геномах. Это позволило построить эволюционное древо, которое показало, что последние общие предки людей с такой митохондриальной ДНК жили в Африке 120-150 тысяч лет назад.

Общий предок современного с анатомической точки зрения человека и погибшего 40 тысяч лет назад (согласно углеродной датировке) неандертальца жил в четыре раза раньше, 550-690 тысяч лет назад. Этим ученый доказал принципиальную возможность работы с таким древним генетическим материалом. Однако митохондриальная ДНК позволяла построить лишь часть этой родословной по материнской линии.

За этим последовало изучение образца возрастом 42 тысячи лет из известняковых пещер Хорватии, однако в публикации второй митохондриальной ДНК неандертальца нашего героя обогнали британские коллеги, которые исследовали образцы из Мезмайской пещеры в нашем Краснодарском крае (там был найден скелет младенца). Эти данные подтвердили информацию от предыдущих находок.

Новейшие технологии для изучения древностей

Через несколько лет на помощь генетикам пришла новая технология секвенирования, разработанная 454 Life Sciences. Эмульсионная ПЦР позволяла окружить одиночную молекулу ДНК капелькой эмульсии, размножить ее и провести пиросеквенирование. За один прогон этот высокопроизводительный метод позволял получать сотни и тысячи прочтений. При этом длина фрагментов, с которыми ведется работа, в 100-200 нуклеотидов, как нельзя лучше подходила для целей палеогенетики. Сванте Паабо, недавно поступивший на работу в Институт эволюционной антропологии им. Макса Планка, сразу же заинтересовался прорывным подходом, который позволял изолированно амплифицировать, или копировать, каждый фрагмент ДНК. Ученый отобрал из костей от более 70 неандертальцев самую подходящую для анализа и благодаря этому методу получил 254 933 последовательности, которые он прогнал через базу данных GenBank и программу BLASTN, сравнивая их с последовательностями людей, шимпанзе и мышей длиной хотя бы в 30 нуклеотидов. Вместе с Эдвардом Рубиным при помощи клонирования ДНК из одной и той же кости им удалось получить фрагмент в 65 тысяч нуклеотидов. Это показало, что метод подходит и для ядерной ДНК.

Но Паабо уже замахнулся на полную ядерную ДНК, первую версию которой он пообещал представить уже через два года. Для этого он получил три хорватских образца, а также фрагменты костей неандертальцев из долины Неандерталь, Мезмайской пещерыа также фрагменты костей неандертальцев из долины Неандерталь, Мезмайской пещеры и испанской пещеры Эль Сидрон. и испанской пещеры Эль Сидрон. Его группа также создала специальные последовательности-адаптеры — фрагменты, специфичные для неандертальцев, которые позволяли точнее отличить нужную ДНК от примесей. Также Сванте Паабо предложил новые улучшенные протоколы для подготовки образцов к секвенированию, что позволило в несколько сотен раз увеличить ДНК, которую можно добыть из образца. В 2008 году благодаря еще более высокопроизовдительному методу секвенирования они получили миллиард фрагментов длиной 30-70 нуклеотидов. Для анализа и сопоставления этих фрагментов понадобилось создать новые компьютерные алгоритмы. В том же году палеогенетик презентовал научному сообществу полный митохондриальный геном неандертальца длиной 16 565 нуклеотидов, реконструированный на основе 8 341 последовательностей.

Паабо привлек к своим исследованиям консорциум из 50 ученых, включая популяционных генетиков, биоинформатиков и других специалистов. В 2010 году эта группа совершила, казалось бы, невозможное, опубликовав первую версию полного неандертальского генома в журнале Science. Они использовали три независимых подхода к оценке контаминации полученных данных, проверив участки с различиями между ДНК современного человека и неандертальца, участки с Y-хромосомы современных мужчин в сравнении с фрагментом ДНК женщины-неандерталки, а также участки ядерной ДНК, которые отличают современных людей и от неандертальцев, и от шимпанзе.

Все три метода показали, что примеси чужеродной ДНК составили менее 1%. Ядерная ДНК неандертальцев из разных регионов западной части Евразии показала, что они одинаково родственны современным людям, а разошлись эти ветви примерно 825 тысяч лет назад. При этом дополнительный анализ находок и геномов современных людей из других уголков нашей планеты позволил выяснить, что происходило еще и скрещивание неандертальцев с Homo sapiens. При этом неандертальцы оказались ближе к коренным жителям Евразии, чем к представителям африканских народов. К китайцам или жителям Папуа Новой Гвинеи они оказались настолько же генетически близки, как и к французам, хотя, судя по находкам, неандертальцы населяли только Европу и западную часть Азии. Согласно этим данным, за 1-4% генома жители Евразии унаследовали именно от неандертальцев. Скорее всего, скрещивание произошло на Ближнем Востоке, до того, как современные люди распространились дальше в Евразию.

Кроме того, удалось обнаружить 78 замен среди «букв» ДНК, что ключевым образом изменило производство белка с некоторых наших генов по сравнению с генами неандертальцев. Эти небольшие отличия вызывают большой интерес — они позволят больше узнать о том, что же отличает современных людей с генетической точки зрения.

Таинственные денисовцы и их богатое наследство

Однако неандертальцами список наших предков и собратьев по роду Homo не ограничивается. Архаические гоминины жили и в более высоких широтах, где при низких температурах древняя ДНК, как мы уже говорили выше, сохраняется даже лучше. Одним из таких регионах стал Алтай, который был заселен гомининами примерно 125 тысяч лет назад. Там, в Денисовой пещере, в слое, датированном возрастом примерно 30-48 лет, и была найдена фаланга мизинца с кончика пальца ребенка, по которой благодаря работе Сванте Паабо был описан новый вид, отличавшийся и от нас, и от неандертальцев: денисовский человек. Сравнение полученной из этой кости последовательности митохондриальной ДНК с 54 последовательностями современных людей, анатомически современного человека позднего плейстоцена и образцами неандертальцев показало, что наши виды разошлись примерно миллион лет назад.

Анализ ядерной ДНК позволил определить, что к неандертальцам новая ветвь несколько ближе: с ними денисовцы разошлись около 640 тысяч лет назад, тогда как с современными коренными африканцами — 804 тысячи лет назад. При этом денисовцы скрещивались и с неандертальцами, и с современными людьми, но не так активно. В основном их генетическое наследство сохранилось у жителей Меланезии, геномы которых на 4-6% происходят от денисовских вариантов.

Сванте Паабо продолжил свои исследования, применяя новейшие генетические методы, которые и сам постоянно развивал. Он получил геном неандертальца с высоким покрытием, расшифровал геномы еще нескольких денисовцев, а также получил ДНК от древнего человека, жившего в Сима де лос Уэсос де Атапуэрка в Испании 430 тысяч лет назад. Исследования Сванте Паабо породили новую отрасль науки — палеогеномику, однако для физиологии и медицины его открытия тоже много значат. К примеру, денисовская версия гена EPAS1, связанного с гипоксией, сегодня помогает тибетцам выживать на большой высоте в условиях кислородного голодания. Версии генов рецепторов TLR6-TLR1-TLR10, которые помогают нашим клеткам узнавать враждебные микроорганизмы и участвуют в аллергических реакциях, также могли перекочевать в нашу ДНК от наших более архаичных родственников. Меланезийцы могут поблагодарить неандертальцев за антивирусные сигнальный кластер OAS и молекулу Stat2, которые помогают защищать их клетки от инфекций.