ДНК-дактилоскопия: наши далекие предки защищают нас от бактерий

Нобелевская премия по физиологии и медицине 2022 года присуждена шведскому биологу, специалисту по эволюционной генетике, директору Института эволюционной антропологии общества Макса Планка Сванте Паабо за его открытия, касающиеся геномов вымерших гомининов и эволюции человека.

На пути Сванте Паабо много удивительных совпадений и крутых поворотов. Премию ему дали не за какое-то конкретное достижение или исследование, а за кропотливый системный труд в течение многих лет. Сын лауреата Нобелевской премии по физиологии и медицине 1982 года Суне Бергстрёма, Сванте Паабо рано заинтересовался наукой, но сначала посвятил себя египтологии. И хотя в египтологии он так же рано разочаровался, Сванте Паабо пронес через всю жизнь и тягу к исследованию древностей, и готовность до бесконечности корпеть над шифрами и кодами, но уже не переставляя местами составляющие иероглифов, а жонглируя короткими последовательностями ДНК.

Ему благоволила судьба — великий отец помог найти перспективную отрасль в науке, великие коллеги (в их числе Кэри Муллис, лауреат Нобелевской премии по химии 1993 года за метод ПЦР) дали доступ к передовым, нигде более не доступным на тот момент технологиям исследования генома, жена и тоже выдающаяся ученая Линда Виджилант (155 научных статей с индексом Хирша 49 и общим количеством цитат 10 407) подсказала первоначальный объект приложения усилий — митохондриальную ДНК.

В результате последние 40 лет Сванте Паабо работал на передовой исследования древней ДНК и делил с коллегами в этой области науки радость открытий и горечь признания собственных ошибок. Но поскольку эти ошибки были не его личные, а следовали из технологического и методического уровня тех времен, Сванте Паабо все прощалось. И присутствие в расшифровках ДНК египетских мумий примеси ДНК современного человека («смотрителя музея», как тогда образно выражались), и сначала ошибочное утверждение об отсутствии генетической связи между неандертальцем и современным человеком.

Вообще-то «пробой пера» в секвенировании геномов древних организмов была расшифровка ДНК животных, а не древнего человека и его ближайших родичей из подсемейства гоминин семейства гоминид. С животными задача решалась проще, потому что такие последовательности легче было отделить от примеси ДНК «смотрителя музея», то есть Homo sapiens. С ДНК древних (и не очень) предков человека оказалось работать сложнее. Но и тут нашелся изящный ход — в работу брались только очень «плохие», не более 150 пар нуклеотидов, последовательности, в то время как геном человека — это миллиарды пар нуклеотидов. Такой подход оправдался. Ведь не могла же древняя ДНК не разрушиться, а это значит, что среди «целых» молекул ее априори нет и быть не может.

Первым прорывом в исследованиях эволюционной геномики стало секвенирование группой Сванте Паабо митохондриального генома неандертальца в 1997 году. И хотя для разгадки хитросплетений генеалогического древа человечества потребовались еще десятилетия усилий, главное — было показано, что секвенировать ДНК после сотен тысяч лет забвения возможно!

Далее благодаря внедрению метода пиросеквенирования удалось повысить степень распознавания сигнала одиночных молекул ДНК (а только такие пережили сотни лет мумификации), что позволило отделить бактериальную ДНК и ДНК современных людей от исследуемого образца. Тут удачно подошел образец кости из пещеры Виндия в Хорватии, где доля ДНК неандертальского происхождения оказалась больше 90 процентов. Благодаря этой находке в 2006 году был расшифрован первый образец ядерного генома неандертальца. В 2010 году Сванте Паабо добился, казалось, недостижимого: представил на суд научного сообщества черновую последовательность ядерного генома неандертальца.

Теперь вопрос о том, имело ли место скрещивание между неандертальцами и анатомически современными людьми, мог быть исследован с помощью сравнения последовательностей в их ядерных геномах. Сам Сванте Паабо, для того чтобы оценить, насколько близки неандертальцы к современным людям, первоначально использовал для секвенирования их геномов двух американцев европеоидов, двух коренных жителей Восточной Азии и четырех жителей Западной Африки и обнаружил, что неандертальцы были одинаково близки к европейцам и жителям Восточной Азии и значительно ближе к неафриканцам, чем к африканцам. Расширение анализа путем добавления последовательностей генома французов, ханьцев, папуасов, йоруба и других привело к тому же выводу.

То, что неандертальцы были ближе к неафриканцам, чем к африканцам, легче всего объяснить потоком генов (интрогрессией) между неандертальцами и предками неафриканцев во время их сосуществования. Независимым признаком интрогрессии было то, что многие области генома с большей вариативностью за пределами Африки, чем внутри Африки, представляют неандертальские последовательности.

Далее были новые образцы для изучения, все более совершенные секвенаторы и все большая база данных геномов современного человека… Но особое место в достижениях Сванте Паабо занимает анализ генома денисовского человека. Последствия этого открытия были огромны. Сванте Паабо фактически обнаружил совершенно нового гоминина, отличного от неандертальцев и Homo sapiens. Это открытие было сделано полностью путем извлечения и секвенирования архаичной ДНК без какой-либо доступной морфологической информации об обитателях Денисовской пещеры, живших 60 тыс. лет назад.

Поводом же для присуждения Нобелевской премии Сванте Паабо и общественного внимания к его работам было неопровержимое доказательство того, что, во-первых, геном человека содержит последовательности генома неандертальца и древних гомининов (более 31 тыс. последовательностей). А кроме этого оказалось, что некоторые участки «древнего» генома, доставшиеся нам от вымерших «кузенов», и сегодня в неизменном виде определяют способность, например, тибетцев к адаптации к низким концентрациям кислорода, а последовательности генов Toll-подобных рецепторов защищают нас от бактерий.

Таким образом, благодаря исследованиям Сванте Паабо на вопрос, имела ли место метисизация неандертальцев и сапиенсов, ответ на сегодня скорее положительный, чем отрицательный. Можно даже предположить, что по результатам эволюционного генетического анализа главное отличие нас от вымерших предков — наша более высокая толерантность к себе подобным. Во всяком случае, наш геном содержит следы дрейфа генов из разных ветвей гомининов, и именно Homo sapiens интегрировал в свой геном гены устойчивости к стрессирующим факторам окружающей среды, при этом проживая большими популяциями и активно мигрируя, смог сохранить и распространить эти гены.

Это если смотреть с философской точки зрения. Но что более интересно с научной точки зрения, так это те участки в геноме человека, которые не содержат признаков встраивания ДНК вымерших гомининов. Похоже, именно они создают поле для открытий уровня Нобелевской премии в будущем.

Алексей Дейкин, НИУ БелГУ