Генетика времени

Генетика – одна из областей науки, находящихся сейчас на острие исследовательского поиска. В этом году Нобелевскую премию в области физиологии и медицины получил шведский биолог Сванте Паабо, основатель одного из её разделов — палеогенетики. 

Палеогенетика занимается изучением образцов древних ДНК, которые сейчас обнаруживают даже в останках динозавров возрастом до десятков миллионов лет. Что даёт нам это изучение, как повлияла любовь учёного к Египту на появление новой научной отрасли и как неандертальцы помогли победить ковид, читайте в нашем материале. 

Мечта о мумии

Сам по себе Сванте Паабо изначально не собирался связывать свою жизнь с биологией и генетикой. После окончания школы он поступил на исторический факультет Уппсальского университета: молодой человек хотел «искать мумии, как Индиана Джонс». Однако реальность не оправдала его ожиданий. Вместо увлекательных путешествий ему пришлось разбирать иероглифы и составлять перечни черепков. Поэтому Паабо переключился на клеточную биологию. 

Путь к мечте

Этот выбор не был случаен. Отец Паабо — шведский биохимик Суне Бергстрём, получивший в 1982 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытия, касающиеся простогландинов и близких к ним органически активных веществ. Несмотря на то что Паабо был внебрачным ребёнком Бергстрёма, они общались по выходным, и отец смог подсказать сыну, на какую сферу деятельности он мог бы переключиться после разочарования в истории. 

Окончив медицинский, Паабо занялся фундаментальными исследованиями. Первая его работа была посвящена аденовирусам. Однако по словам учёного, он и в тот момент «не мог изгнать из головы романтическую привязанность к Древнему Египту». К тому моменту учёным было известно, что ДНК, структура которой была понята в 1953 году знаменитыми Уотсоном и Криком, хранит в себе наследственную информацию. Многие исследователи занимались выделением ДНК и её секвенированием, то есть чтением последовательности нуклеотидов — тех молекул-кирпичиков, из которых она состоит. Паабо задумался: а что, если в его любимых мумиях сохранились остатки ДНК?  

О том, как появилась генетика, читайте в нашем материале “Менделизм. У истоков генетики”

ДНК из хряща

В теории это было вполне возможно. Ткани мумий благодаря бальзамированию являются сухими, а ферменты, которые могли бы повредить генетическую информацию, работают только в воде. Учёный решил сначала проверить свои предположения в лабораторных условиях — взял телячью печень, высушил её до цвета и состояния мумии в лабораторной духовке и попытался из полученного материала выделить ДНК. Ему это удалось. 

Но как же подобраться к настоящей, реальной мумии? Здесь молодому исследователю помогла дружба: египтолог Ростислав Гольтгоер договорился, чтобы Паабо поработал с коллекцией музейного фонда Берлина. Но дело обернулось сложнее, чем с печенью телёнка: в мышцах мумии ядра клеток были почти полностью разрушены. Однако потом Паабо удалось выделить ДНК из хряща уха. В 1985 году он опубликовал статью о своих исследованиях в журнале Nature, а её результаты даже были вынесены на обложку. 

Однако Паабо был в сомнениях, стоит ли продолжать свои поиски в эволюционной биологии или же стоит вернуться к аденовирусам? И снова молодому учёному помог случай. Он отправился читать свой доклад о мумиях на симпозиум, где услышал доклад биолога Кэри Муллиса о новом молекулярном методе исследования. Сегодня мы знаем его под названием ПЦР — полимеразная цепная реакция. Этот метод исследования получил широкую известность благодаря пандемии ковида; и дальше мы расскажем, как древние люди помогли сегодняшним исследователям понять новый вирус. 

«Ледяная мумия» и древние животные

Метод ПЦР действительно упрощал и ускорял работу с ДНК, и перед исследователями всего мира открылись огромные перспективы. Паабо переехал в знаменитый Калифорнийский университет в Беркли, где соседствовал с лабораторией Муллиса, поэтому обмен опытом и информацией у них был отлично налажен. 

Мамонты, зебры и лошади

Вскоре у группы шведского учёного вышла работа по кваггам – вымершим родственникам сегодняшних зебр. Потом исследователи переключились на других животных, как ныне существующих, так и вымерших. Со временем они получили ДНК и плейстоценовой лошади, и сибирского мамонта. Однако метод выделения генетического материала пришлось изрядно усовершенствовать. 

«Если, к примеру, музейный экспонат растерял все свои собственные древние ДНК, зато приобрёл за время хранения несколько фрагментов ДНК музейного куратора, то мы в результате вместо древнеегипетского жреца изучали бы музейного куратора», — рассказывал Паабо в одной из своих книг. Зачастую, изучая древних животных, он получал образцы человеческой ДНК вместо звериной, и было очевидно, что это материал, занесённый извне. Поэтому в лаборатории Паабо соорудил стерильную зону с очень твёрдыми и неукоснительно исполнявшимися правилами. В ней не было окон, её регулярно промывали хлоркой, на ночь включали ультрафиолетовые лампы. Раз выйдя из этой зоны, вернуться в неё в тот же день уже было нельзя: мало ли какие ДНК принесёт с собой исследователь. Однако этот подход сработал. 

О популяционной генетике читайте в нашей статье “Популяционная генетика, или Дети Адама и Евы“

Пазл из 600 деталей

С животными дело обстояло довольно просто, хоть и грозило разочарованиями: после множества манипуляций можно было абсолютно внезапно получить человеческий геном вместо звериного. Как же быть с ДНК древних людей, которые гораздо меньше отличаются от ДНК сегодняшних археологов, музейных работников и учёных? Последней каплей для Паабо стала ледяная мумия Этци из альпийских льдов. Несмотря на то, что мумия отлично сохранилась, и на то, что учёные смогли взять образец, к которому точно никто не прикасался, группе пришлось проделать воистину титаническую работу. Финальным её этапом было буквально «собирание пазла» из более трёхсот пар полученных до этого оснований. 

После этого Сванте Паабо решил не связываться с такой нервной работой и переключился на неандертальцев, потому что их ДНК очевидно и разительно отличалась бы от ДНК современного человека. 

Неандертальцы и прочие денисовцы

От неандертальцев сохранились отдельные кости и скелеты. Из них Паабо выделил митохондриальную ДНК: её в любой клетке существует множество копий, тогда как в ядре клетки она всего лишь одна. Материал оказался благодатным: сразу же стало ясно, что отличий митохондриальных ДНК неандертальцев от митохондриальных ДНК современных людей было в четыре раза больше, чем у любых двух наших современников между собой. Значит, перед исследователями возник самый настоящий древний геном. 

Разработка метода

За десятилетия работы учёные смогли отработать свои методы во всех мелочах: выделение ДНК, очистка проб, секвенирование, очистка данных, сборка генома и снова очистка данных. Эту последовательность действий они стали применять ко всем костям неандертальцев, к которым они могли получить доступ. Полный черновик генома неандертальцев исследователи представили в 2010 году. 

Денисовская фаланга

Однажды к Сванте Паабо в лабораторию для анализа прибыл артефакт — фаланга пальца, найденная российскими археологами на Алтае в Денисовой пещере. Проведя исследование, шведский учёный и его коллеги удостоверились, что ДНК находки не относится ни к обезьянам, ни к современным людям, ни к неандертальцам. Шведский учёный стал первооткрывателем так называемых денисовских людей — ещё одного вида древних людей. Используя предыдущие наработки, группа расшифровала ДНК денисовцев за пару лет. 

Неандертальский ковид

Результаты расшифровки генома неандертальцев и денисовцев заставили пересмотреть предыдущие представления о расселении древних людей. Согласно первоначальной теории, неандертальцы появились около полумиллиона лет назад и расселились по всей Европе и Азии, а Хомо сапиенс, то есть мы, отправился из Африки в Евразию сильно позже — 50–60 тысяч лет назад – и ни с какими неандертальцами и не встречался. А если и встречался, то уж точно не смешивался. 

Плавильный котёл человечества

Однако палеогенетические исследования показали иную картину. Сапиенсы и неандертальцы спокойно скрещивались около пятидесяти тысяч лет назад на южных подступах к Европе. Человечество смогло взглянуть на себя иначе: мы оказались сочетанием самых разных групп людей, и современных, и древних; это составляет наше богатство. 

Тяжёлое наследие прошлого

Но результаты палеогенетики не ограничиваются историей и философией. Сличая те или иные гены и их последовательности, учёные узнают многое о развитии организма и заболеваниях. Так, некоторые доставшиеся от неандертальцев гены дали людям повышенный иммунитет. Однако не каждый такой ген является подарком. Во время пандемии Сванте Паабо исследовал геномы более трёх тысяч пациентов со всего света в поисках предрасположенности к дыхательной недостаточности. Предрасположенность эту он выявил: на третьей хромосоме тяжёлые пациенты имеют шесть специфических генов, плотно упакованных в один «генетический текст». И этот текст полностью соответствует аналогичным участкам, выявленным у неандертальцев. 

Палеогенетика как таковая, особенно в применении к исследованиям современных и древних людей, не является чистой игрой ума увлечённых учёных. Она даёт ответы на многие вопросы. Откуда пошли люди? Как древнейшие люди соотносятся с нами? Что таят в себе наши гены? Это один из инструментов, который помогает в исследовании физиологии и психологии современных людей. Помогите своим потомкам продолжать этот поиск, сохранив свои данные в Цифровой капсуле времени