№ 3

Сентябрь/2022

Russian Traveler 03/2022

Шведскому биологу вручили Нобелевскую премию за секвенирование генома неандертальца

«Нобелевку» по физиологии или медицине получил шведский биолог Сванте Паабо.

Человечество всегда интересовалось своим происхождением. Кто мы, откуда мы, и какая у нас связь с предками? Чем мы, Homo sapiens, отличаемся от других гоминидов?

Благодаря своему новаторскому исследованию Сванте Паабо совершил нечто на первый взгляд почти невозможное: секвенировал геном неандертальца, вымершего родственника современного человека. Он же приложил руку к сенсационному открытию денисовского человека.

Паабо также обнаружил, что передача генов произошла от этих ныне вымерших гоминидов к Homo sapiens после миграции из Африки около 70 000 лет назад. Этот древний поток генов имеет физиологическое значение сегодня – например, влияет на то, как наша иммунная система реагирует на инфекции.

Исследования Паабо стали основой для новой научной дисциплины – палеогеномики. В рамках этой науки ученые выявляют генетические различия, которые отличают всех живых людей от вымерших гоминид.

Исследования предоставили доказательства того, что анатомически современный человек, Homo sapiens, впервые появился в Африке примерно 300 000 лет назад, в то время как наши ближайшие известные родственники, неандертальцы, развивались за пределами Африки и заселяли Европу и Западную Азию примерно от 400 000 лет до 30 000 лет назад.

Фото: Nobel Prize
ДНК локализована в двух разных компартментах клетки. Ядерная ДНК содержит большую часть генетической информации, в то время как митохондриальный геном гораздо меньшего размера представлен в тысячах копий. После смерти ДНК со временем деградирует, и в конечном итоге остается лишь небольшое количество

Около 70 000 лет назад группы Homo sapiens мигрировали из Африки на Ближний Восток, а оттуда распространились по всему миру. Таким образом, Homo sapiens и неандертальцы сосуществовали бок о бок на больших территориях Евразии в течение десятков тысяч лет. Но что мы знаем о наших отношениях с вымершими неандертальцами? Подсказки могут быть получены как раз-таки из генома.

К концу 1990-х был секвенирован почти весь геном человека. Это стало значительным достижением, позволившим провести последующие исследования генетической связи между различными популяциями человека. Однако для изучения взаимоотношений между современными людьми и вымершими неандертальцами требовалось секвенирование геномной ДНК, извлеченной из архаичных образцов.

В начале своей карьеры Сванте Паабо был очарован возможностью использования современных генетических методов для изучения ДНК неандертальцев. Однако вскоре он осознал техническую сложность такого исследования, потому что со временем ДНК химически модифицируется и распадается на короткие фрагменты. Спустя тысячи лет остались лишь следовые количества ДНК неандертальцев, а то, что осталось, было в значительной степени загрязнено ДНК бактерий и современных людей.

Будучи студентом докторантуры у Аллана Уилсона, пионера в области эволюционной биологии, Паабо начал разрабатывать методы изучения ДНК неандертальцев, и эта работа длилась несколько десятилетий.

Фото: Nobel Prize
Филогенетическое древо, показывающее эволюцию и взаимоотношения между Homo sapiens и вымершими гомининами. Филогенетическое дерево также иллюстрирует потоки генов, открытые Паабо

В 1990 году Паабо приняли на работу в Мюнхенский университет, где он продолжил свою работу над архаичной ДНК. Он решил проанализировать ДНК митохондрий неандертальцев – органелл в клетках, содержащих собственную ДНК.

Митохондриальный геном невелик и содержит лишь часть генетической информации клетки, но он присутствует в тысячах копий, что увеличивает шансы ученых на успех. С помощью своих усовершенствованных методов Паабо удалось секвенировать участок митохондриальной ДНК из куска кости неандертальца возрастом 40 000 лет. Таким образом мы впервые получили доступ к геному вымершего предка. 

Поскольку анализ небольшого митохондриального генома дал лишь ограниченную информацию, Паабо взял на себя тяжелую задачу по секвенированию ядерного генома неандертальца. В это время ему предложили должность в Институте Макса Планка в Лейпциге. В новом институте Паабо и его команда постоянно совершенствовали методы выделения и анализа ДНК из архаичных костных останков.

Исследовательская группа использовала новые технические разработки, которые сделали секвенирование ДНК высокоэффективным. Его усилия увенчались успехом. Паабо совершил, казалось бы, невозможное и смог опубликовать первую последовательность генома неандертальца в 2010 году. Сравнительный анализ показал, что самый последний общий предок неандертальцев и Homo sapiens жил около 800 000 лет назад.

Фото: Nobel Prize
Открытия Паабо предоставили важную информацию о том, как был заселен мир в то время, когда Homo sapiens мигрировал из Африки. Неандертальцы жили на западе, а денисовцы на востоке на Евразийском континенте. Скрещивание произошло, когда Homo sapiens распространился по континенту, оставив следы, которые остались в нашей ДНК

В 2008 году в Денисовой пещере на юге Сибири был обнаружен фрагмент кости пальца возрастом 40 000 лет. Кость содержала исключительно хорошо сохранившуюся ДНК, которую команда Паабо тоже секвенировала. Результаты произвели сенсацию: последовательность ДНК была уникальной по сравнению со всеми известными последовательностями неандертальцев и современных людей. Паабо обнаружил ранее неизвестного гоминина, которому дали имя Денисовский человек.

Открытия Паабо породили новое понимание нашей эволюционной истории. В то время, когда Homo sapiens мигрировал из Африки, по крайней мере две вымершие популяции гоминидов населяли Евразию. Неандертальцы жили в западной части Евразии, тогда как денисовцы населяли восточные части континента. В ходе экспансии Homo sapiens за пределы Африки и миграции на восток они встречались и скрещивались не только с неандертальцами, но и с денисовцами.

Благодаря открытиям Сванте Паабо мы теперь понимаем, что архаичные последовательности генов наших вымерших родственников влияют на физиологию современных людей. Одним из таких примеров является денисовская версия гена EPAS1, которая дает преимущество в выживании на большой высоте и распространена среди современных тибетцев. Другими примерами являются гены неандертальцев, которые влияют на наш иммунный ответ на различные типы инфекций.