Биолог Сванте Паабо создал отдельную научную дисциплину — палеогеномику

Наука и жизньНаука

Гены древних людей

Кирилл Стасевич

Сванте Паабо, создатель палеогеномики.

Нобелевская премия по физиологии и медицине 2022 года присуждена шведскому биологу Сванте Паабо «за открытия, касающиеся геномов вымерших гоминин* и эволюции человека». Паабо сумел найти подход к доисторической ДНК, создав тем самым отдельную научную дисциплину — палеогеномику. Именно благодаря его работам удалось прочитать геном неандертальца, а список видов Homo пополнился человеком денисовским.

* Гомининами называют группу приматов, к которым относится род людей — Homo и род шимпанзе — Pan.

До поры до времени все сведения о древних людях получали, анализируя их кости, их орудия труда, остатки животных, которых они ели на своих стоянках, и т. д. Сравнивая возраст находок, сравнивая места, где их нашли, можно многое узнать о том, как жили неандертальцы и сапиенсы, куда мигрировали, где встречались. Но некоторые тонкости их биологии и поведения просто по костям не узнаешь (в том числе и потому, что кости часто находят не в виде полного аккуратного скелета, а в виде разрозненных обломков). Например, были ли неандертальцы одинаковы на всей территории Евразии, от пиренейских пещер до Алтая? Можно ведь предположить, что их становилось то больше, то меньше, разные популяции теряли контакт друг с другом, переставали вступать в брачные отношения и начинали накапливать кое-какие генетические отличия. А для того чтобы увидеть такие генетические отличия, нужно прочесть неандертальскую ДНК. Или другой пример: общение между Homo neanderthalensis и Homo sapiens. Насколько братскими были отношения между этими братскими видами? Они могли на дух не переносить друг друга, и многие исследователи полагают, что H. sapiens просто вытеснил H. neanderthalensis (хотя есть данные и о том, что неандертальцы исчезли сами, по крайней мере, в некоторых регионах). В то же время конкуренция не обязательно исключает брачные отношения: оба вида могли спариваться и давать гибридное и вполне плодовитое потомство, что не так уж редко встречается в дикой природе. По строению костей нелегко определить, гибрид это или нет. Опять всё упирается в ДНК. Да, её можно извлечь из костной ткани. Но речь-то идёт не о современных костях, а о тех, которые провели в земле десятки и сотни тысяч лет. Прочесть тысячелетнюю ДНК — это что-то из области фантастики. Сванте Паабо стал нобелевским лауреатом как раз потому, что сделал фантастику былью.

ДНК египетских мумий и доисторических животных

Любой рассказ о научной карьере Сванте Паабо начинается с его увлечения Древним Египтом. Учась в Уппсальском университете, он занимался аденовирусами и их взаимодействием с иммунной системой, но свободное время тратил на то, чтобы извлечь ДНК из кусочков египетской мумии возрастом 2400 лет. Цель была в том, чтобы проверить, можно ли вообще найти ДНК в настолько старых образцах. ДНК из мумии выделить удалось, и она даже оказалась человеческой, однако вскоре Паабо понял, что ДНК, которую он выделил, была не древней, а современной. Люди постоянно разбрасывают вокруг себя собственную ДНК: она высвобождается из отмирающих клеток. Хотя её довольно мало, она способна заслонить собой ту ДНК, которую требуется изучить, особенно если этой ДНК тоже немного. Зато благодаря экспериментам с мумией удалось понять, что работать с древними образцами нужно в стерильных условиях.

В 1987 году Паабо перебирается в лабораторию выдающегося исследователя Аллана Чарльза Вильсона в Калифорнийском университета в Беркли (США). Вильсон был едва ли не первым, кто на практике применил молекулярно-биологические подходы к эволюции, в том числе и к эволюции человека. В частности, проанализировав митохондриальную ДНК людей с разных континентов, Вильсон и его коллеги обнаружили, что всё человечество берёт начало в Африке. Но Вильсон работал с ДНК, взятой у современных людей. Паабо же хотел добраться именно до древней ДНК.

Сначала эксперименты ставили с остатками животных, чтобы поменьше обращать внимание на загрязнения: если вы нашли лошадиную ДНК в костях доисторической лошади, то вам не нужно ломать голову, принадлежит ли она действительно доисторической лошади или же эти кости трогала какая-то современная лошадь. Хотя, кроме загрязнений современной ДНК, исследователям пришлось что-то делать с древними загрязнениями, в первую очередь с ДНК микроорганизмов, которые тысячи лет назад питались на этих костях мёртвой органикой. Понятно, что бактериальная ДНК отличается от ДНК той же лошади, но если бактериальной ДНК будет очень много, она всё равно затруднит работу.

В 1980-е годы лаборатории активно осваивали недавно открытую ПЦР, полимеразную цепную реакцию, и Паабо с Вильсоном не остались в стороне. Как мы знаем, ПЦР позволяет создать много копий ДНК. Если изначально ДНК в образце очень мало и с ней ничего нельзя сделать, то с помощью ПЦР её можно размножить, чтобы сделать её видимой для других методов. Тем не менее из ископаемых костей не всегда удавалось так выделить ДНК, чтобы её подхватили ферменты ПЦР. Паабо модифицировал процедуру выделения, чтобы ДНК как можно полнее вымывалась из костного порошка. А потом — уже после того, как он перебрался из Калифорнийского университета в Беркли в Университет Мюнхена (Германия), — ему с коллегами удалось разработать метод, с помощью которого можно было узнать, есть ли вообще в образце необходимое количество ДНК. Метод основан на анализе хиральных (зеркальных) изомеров некоторых аминокислот, которые тоже остаются в костях: в присутствии ДНК аминокислоты изомеризуются медленнее, чем без ДНК. По степени изомеризации можно понять, стоит ли рассчитывать на древнюю ДНК в конкретном образце.

Наконец, нужно было решить большую проблему, связанную с разрушением самой ДНК. Часто говорят, что ДНК — довольно прочная молекула, но это не значит, что она способна пролежать десятки тысяч лет без каких-либо изменений. ДНК окисляется, рвётся, распадаясь на фрагменты, в ней происходят «посмертные мутации»: генетическая буква Г (азотистое основание гуанин) превращается в А (аденин), а Ц (цитозин) — в У (урацил), урацил же при чтении последовательности ДНК будет прочтён как Т (тимин). Такие дефекты можно выявить, потому что ДНК в костных остатках сохраняется во множестве копий, а один и тот же дефект не может попасть сразу во все копии. Кроме того, у повреждений, связанных с посмертной деградацией, есть особые химические признаки, и происходят они по определённым правилам, так что исходную последовательность ДНК можно в том или ином виде восстановить. Но всё это, конечно, требует больших методических ухищрений.

ДНК неандертальцев

Статьи, в которых Паабо с коллегами описывали, как следует работать с доисторической ДНК, были опубликованы в конце 1980-х — первой половине 1990-х годов. Потренировавшись «на кошках» (то есть на плейстоценовых* лошадях, гигантских ленивцах и т. д.), Паабо взялся за людей, то есть за неандертальцев. Причём в качестве первого образца он взял кусочек кости из тех самых останков, которые ещё в XIX веке были найдены в долине Неандерталь. И начать решили не с ядерной ДНК, а с митохондриальной**. Ген в ядерной ДНК в каждой клетке есть только в двух копиях, митохондрий же в клетках много, и митохондриальная ДНК для анализа тоже будет во множестве копий. Разумеется, с неандертальскими образцами работали так, чтобы не загрязнить их современной ДНК; кроме того, такой же эксперимент попросили выполнить другую лабораторию — чтобы оценить надёжность полученных данных. Митохондриальную ДНК анализировали не всю, а только несколько сотен нуклеотидов. Их сравнили с аналогичными участками в митохондриальной ДНК шимпанзе и современных людей, и оказалось, что ДНК из неандертальских костей отличается как от обезьяньей, так и от ДНК современных H. sapiens, где бы они ни жили — в Европе ли, в Африке, в Азии. Отличия в ДНК, конечно, говорили кое-что новое об эволюции людей, но главное, что удалось показать, — это что ДНК в принципе можно выделить из очень, очень древних костей (возраст останков из долины Неандерталь составляет 40 тысяч лет).

* Плейстоцен — геологическая эпоха, начавшаяся 2,588 млн лет назад и закончившаяся 11,7 тысяч лет назад.

** Митохондриями называют клеточные органеллы клетки, которые окисляют питательные молекулы, добывая из них энергию для нужд клетки. У митохондрий есть своя ДНК, намного меньшая по размеру, чем «главная» геномная ДНК в ядре.

Реконструкция внешности мужчины-неандертальца.

На рубеже XX—XXI веков Паабо с коллегами и другие научные группы опубликовали несколько работ, в которых анализировали митохондриальную ДНК из неандертальских костей, найденных в разных местах, в том числе и в Мезмайской пещере в Краснодарском крае. При этом параллельно в научном мире шёл проект «Геном человека»: он начался в 1990 году, а к 2000 году был опубликован черновик генома. Паабо не мог не знать, какие методы чтения ДНК там используются и какие преимущества они дают, — с ними можно было попробовать проанализировать ядерную ДНК неандертальца. Проблема была в том, чтобы найти такие останки, в которых одновременно хватало бы неандертальской ДНК и которые были бы не слишком загрязнены ДНК современной. Среди более чем семидесяти костей и зубов нашлась одна подходящая кость из хорватской пещеры Виндижа — в её неандертальской ДНК к 2006 году удалось прочесть миллион букв. Правда, этот миллион всё равно был ощутимо загрязнён генетическими последовательностями современных людей, но всё же неандертальскую ДНК хоть как-то удалось прочесть. В дальнейших экспериментах усилили стерильность и начали тщательнее избавляться от ДНК бактерий; кроме того, удалось сильно повысить количество копий неандертальской ДНК — теперь одну и ту же последовательность можно было прочесть много раз для большей надёжности.

Реконструкция внешности женщины-неандерталки.

Черновик неандертальского генома был готов к 2010 году. Исследователи прочли четыре миллиарда генетических букв в ДНК из останков трёх неандертальцев, найденных в пещере Виндия. Прочитанные последовательности собирали в геном около пятидесяти специалистов. ДНК неандертальцев из Хорватии сравнивали с отдельными участками генома в ДНК неандертальцев из долины Неандерталь, Мезмайской пещеры и пещеры Эль-Сидрон в Испании. Хотя с ДНК работали в стерильных условиях, получившуюся последовательность дополнительно проверяли на современное загрязнение, сравнивая её с геномом нынешних людей. Некоторые участки генома были прочитаны по нескольку раз, и в них можно было быть более или менее уверенными, другие же были прочитаны мало или не прочитаны вовсе. Так или иначе, стало понятно, что анализ неандертальской геномной ДНК — это не какая-то фантастика, и исследователи принялись уточнять черновик генома, попутно сравнивая его с геномом современных людей. Вместе с неандертальским геномом на свет появилась новая научная дисциплина — палеогеномика.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

БИНТИ БИНТИ

Кто лучше слышит, как суша становится суше и как добыть стройматериал из воздуха

Наука и жизнь
Посмотри мне в глаза Посмотри мне в глаза

Как убрать нависшее веко: методы, которые помогут справиться с проблемой

Лиза
Когда врачи и пациенты на одной стороне Когда врачи и пациенты на одной стороне

Алгоритм для контроля качества оказываемой помощи

Санкт-Петербургский университет
Как создать на телефоне приватную папку, которую никто не увидит Как создать на телефоне приватную папку, которую никто не увидит

Лучший способ обезопасить хранимые в телефоне файлы – создать скрытую папку

CHIP
Антигон Одноглазый Антигон Одноглазый

Антигон Одноглазый: великий полководец и дипломат, которого погубила алчность

Дилетант
Пока не поздно Пока не поздно

Как вести себя сейчас, чтобы не было обидно в старости

Лиза
«Все молчат, а молчание — лучший союзник насилия» «Все молчат, а молчание — лучший союзник насилия»

Иван Петухов о своих «Сестрах», первом российском постхорроре

Weekend
Как восстановить доступ к iCloud, если забыл пароль Как восстановить доступ к iCloud, если забыл пароль

Как восстановить Айклауд на айфоне и получить доступ ко всем своим данным

CHIP
Головоногие моллюски смогли пройти когнитивный тест, предназначенный для человеческих детей Головоногие моллюски смогли пройти когнитивный тест, предназначенный для человеческих детей

Cтранные мозги каракатиц сложнее, чем мы думали

ТехИнсайдер
Что такое зомби-клетки и чем они могут быть опасны для нас Что такое зомби-клетки и чем они могут быть опасны для нас

Что стоит за процессом старения и можно ли повернуть его вспять?

Лиза
Токи гостеприимства Токи гостеприимства

Такой нетипичный Кавказ

Автопилот
8 фильмов о путешествиях, которые меняют жизнь 8 фильмов о путешествиях, которые меняют жизнь

Герои этой киноподборки отправляются в походы и полеты

Psychologies
12 удивительных фактов о Суворове 12 удивительных фактов о Суворове

Малоизвестные стороны жизни любителя штыкового боя

Maxim
Дрофы умеют отыскивать лекарственные растения и используют средства народной медицины Дрофы умеют отыскивать лекарственные растения и используют средства народной медицины

Дрофы — редкий пример птиц, которые используют растения против болезней

ТехИнсайдер
Главные вопросы секса: как и зачем Главные вопросы секса: как и зачем

Как эволюция могла породить мейоз?

СНОБ
Как быстро поднять температуру тела: 7 простых методов Как быстро поднять температуру тела: 7 простых методов

Как быстро и безопасно поднять температуру тела до нормы

ТехИнсайдер
Анастасия Сапожникова: «Когда живешь в комфорте, легко быть гуманным» Анастасия Сапожникова: «Когда живешь в комфорте, легко быть гуманным»

Анастасия Сапожникова — о съемках и борьбе со стрессом

Psychologies
«Я пыталась откреститься от своей нерусскости»: (не)вымышленная история молодой тувинки, переехавшей в Москву «Я пыталась откреститься от своей нерусскости»: (не)вымышленная история молодой тувинки, переехавшей в Москву

Каково это — ощущать себя чужим в родной стране? Отрывок из сборника «Сообщники»

Psychologies
Обратная сторона добра. О лауреате Каннского кинофестиваля «Заговор в Каире» Обратная сторона добра. О лауреате Каннского кинофестиваля «Заговор в Каире»

Как Тарик Салех предлагает бороться с репрессивной машиной власти

СНОБ
Ах, как кружится голова Ах, как кружится голова

У вас бывало, что самочувствие неожиданно ухудшается, а ноги становятся ватными?

Лиза
Вот как антибиотики влияют на скелет подростка: лечение прыщей будет с последствиями Вот как антибиотики влияют на скелет подростка: лечение прыщей будет с последствиями

Лечение акне системными антибиотиками может сказаться на здоровье

ТехИнсайдер
Что возбуждает мужчину больше всего: слова, запахи, тело Что возбуждает мужчину больше всего: слова, запахи, тело

О секретах мужской сексуальности рассказала врач-сексолог

Psychologies
“Честное пионерское!” Этот старый способ оплаты за проезд сейчас кажется странным “Честное пионерское!” Этот старый способ оплаты за проезд сейчас кажется странным

В СССР тоже был общественный транспорт без кондуктора

ТехИнсайдер
Проявления сексуальности на работе: что они могут рассказать о нас Проявления сексуальности на работе: что они могут рассказать о нас

Ночью занимаются любовью, а днем ведут бизнес — одни и те же люди

Psychologies
Культурное погружение: 7 удивительных подводных достопримечательностей Культурное погружение: 7 удивительных подводных достопримечательностей

Иногда, чтобы увидеть нечто прекрасное, нужно сперва спуститься на дно

Вокруг света
Кому сказать спасибо Кому сказать спасибо

Благодарность – это навык, который полезно тренировать и совершенствовать

Psychologies
10 случаев, когда режиссер фильма ненавидел первоисточник 10 случаев, когда режиссер фильма ненавидел первоисточник

Некоторые умники берутся экранизировать книги и комиксы, которые ненавидят

Maxim
«Кино задавало вопросы, а зрители ждали ответов» «Кино задавало вопросы, а зрители ждали ответов»

Наум Клейман — о белых пятнах в истории нашего кино

Weekend
18 лет без фантазий: психотерапевты диагностировали у девушки отсутствие воображения 18 лет без фантазий: психотерапевты диагностировали у девушки отсутствие воображения

Что такое афантазия и как она проявляется?

Psychologies
Тракты — это не только «Игра престолов»: чем Екатеринбург удивил девушку из Владивостока Тракты — это не только «Игра престолов»: чем Екатеринбург удивил девушку из Владивостока

Неожиданные параллели у городов, которые разделяет 5000 километров

Вокруг света
Открыть в приложении