За тех, кого с нами нет. Сванте Паабо и другие виды людей

Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2022 года получил Сванте Паабо — «за его открытия, касающиеся геномов вымерших гоминин и эволюции человека». Геномы неандертальцев, геномы денисовцев, геном «принцессы-полукровки» — Денни, дочери денисовца и неандерталки — практически о всех подвигах Сванте Паабо с коллегами мы писали. И сама наука палеогеномика возникла благодаря Сванте Паабо.

Представьте, что вы нашли в Ясной Поляне неизвестную рукопись «Войны и мира» — исчерканную, изорванную в мелкие клочки. Видимо, не понравилась она автору, увидел он в ней какую-то ложь и порвал, но кто-то сберег ветхие обрывки. Вы, как и все культурные люди, хотите узнать, чем отличался этот вариант от канонического, опубликованного миллионами экземпляров.

С одной стороны, у вас есть для сравнения текст романа, знакомый с детства, и это помогает сортировать кусочки. Тут речь идет про Анну Павловну Шерер — значит, это кладем в начало, здесь про Платона Каратаева — значит, это ближе к концу. Текст очень похож на опубликованный, целые абзацы совпадают слово в слово, но отличия могут поджидать вас в любом месте, поэтому хочется получить и прочитать этот вариант полностью. С другой стороны, мелкие кусочки бумаги хаотически перемешаны, их сортировка и состыковка — сама по себе грандиозная работа, да еще предстоит доказывать, что это действительно рукопись Толстого, что тут нет ошибки или, чего доброго, фальсификации.

Примерно такая задача стояла перед теми, кто планировал прочитать геном неандертальца. «Канонический» вариант, если считать таковым геном человека современного типа, у нас имелся. Еще в 2001 году были опубликованы две статьи о прочтении генома человека (хотя последние сложные участки дочитаны только в этом году). С тех пор число секвенированных человеческих геномов постоянно растет, так что нам есть с чем сравнить «альтернативные версии романа» — геномы других гоминин, то есть представителей рода Homo. Вопрос был в том, как раздобыть эти геномы.

Индиана Джонс и древняя ДНК

Объявляя имя лауреата, секретарь Нобелевского комитета Томан Перлман с удовольствием подчеркнул, что Сванте Паабо родился в Стокгольме. Но когда его называют «шведским ученым», тут есть доля неточности. Самые знаменитые свои работы он выполнил в Лейпциге, в Институте эволюционной антропологии Общества Макса Планка. Он и сейчас живет в Лейпциге  с женой Линдой Вигилант, американским приматологом, которая работает в том же институте, у них есть сын и дочь.

А необычную фамилию (которую в русской транскрипции записывают как Пэабо, Пээбо, Пеэбо…) ученый получил от матери-эстонки, которая попала в Швецию во время Второй мировой войны. Карин Паабо работала лаборанткой у его отца, биохимика Суне Бергстрёма. Поразительно, что ровно сорок лет назад, в 1982 году, Бергстрём получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытия, касающиеся простагландинов и близких к ним биологически активных веществ» вместе с Бенгтом Самуэльсоном и Джоном Вейном.

У Бергстрёма была другая семья, мать воспитывала сына одна. Ребенок с детства увлекался археологией, и когда Сванте было 13 лет, мама повезла его в Египет. Паабо рассказывал, что в детстве мечтал быть похожим на Индиану Джонса, исследовать мумии, разгадывать загадки и находить сокровища. Но когда он начал изучать археологию в Упсальском университете, она оказалась «не такой романтичной», и студент под влиянием отца переключился на медицину — сменил специализацию, оставшись в университете. В то время медицина в Швеции была самым коротким путем к фундаментальным проблемам биологии. Паабо увлекался клинической медициной, в начале 1980-х некоторое время в группе Пера Петерсена изучал аденовирусы (ту самую группу вирусов, которые прославились как основа для вакцин против коронавируса) и их взаимодействие с иммунной системой.

И все же он не забывал о мумиях. Тогда еще не было очевидно, что в археологических и палеонтологических находках может сохраниться ДНК, пригодная для секвенирования, то есть расшифровки нуклеотидной последовательности. В 1990-е годы, после изобретения полимеразной цепной реакции, поднялась волна публикаций, посвященных древней и супердревней ДНК из находок возрастом десятки и даже сотни миллионов лет. Сейчас к этим результатам относятся скептически, для большинства случаев выяснено, что исследователи «читали» загрязнения; например, «ДНК динозавра», о секвенировании которой было объявлено в 1995 году, оказалась человеческой.

Более скромные результаты лучше выдержали проверку временем. В 1984 году ученые из Калифорнийского университета в Беркли получили последовательности ДНК вымершей в XIX веке зебры квагги из музейного образца возрастом 150 лет. И примерно тогда же Сванте Паабо начал исследовать мумифицированные человеческие ткани, возраст которых исчислялся уже тысячами лет.

Втайне от научного руководителя, который мог не одобрить авантюру, Паабо с помощью одного из своих бывших профессоров египтологии получил образцы тканей из немецкого музея и сумел выделить из них ДНК. Его работа, подтверждающая, что в ядрах клеток некоторых египетских мумий сохранилась ДНК, была опубликована в 1984 году в небольшом восточногерманском журнале — а год спустя попала на обложку журнала «Nature». (Правда, впоследствии сам Паабо признавал, что эти данные, вероятно, пострадали от современных загрязнений.)

Это достижение впечатлило руководителя работы по зебре квагге — молекулярного биолога-эволюциониста Аллана Уилсона из Калифорнийского университета в Беркли. Уилсон написал Паабо, чтобы узнать, может ли он, Уилсон, провести творческий отпуск с обучением и работой в лаборатории Паабо. «Это было еще до Интернета, — со смехом рассказывал Паабо журналистам в 2013 году, когда получил престижную премию фонда Грубера в области генетики. — Он никак не мог знать, что у меня нет лаборатории, что я всего лишь аспирант». В 1987 году Паабо сам стал постдоком в лаборатории Уилсона. (Перед этим, в 1986–1987 годах, он также работал в Цюрихском университете.)

Сванте Паабо и Аллан Уилсон решили проанализировать ДНК из человеческого мозга возрастом 7000 лет. Но необходимо было решить проблему загрязнения — прежде всего избавиться от ДНК многих поколений людей, которые касались экспонатов во время хранения. Лучше дело пошло с образцами древних животных, таких как мамонты, гигантские ленивцы и сумчатый волк. Эти исследования помогли усовершенствовать методы анализа древней ДНК — а заодно установить, что гигантские нелетающие птицы моа, которые были уничтожены в Новой Зеландии около 500 лет назад, приходятся более близкими родственниками страусам эму, чем птицам киви.

Уже тогда Паабо сформулировал важные принципы работы с древней ДНК: чистые помещения, которые позволяют минимизировать загрязнения, необходимость воспроизведения результатов в других лабораториях. (Ошибки могут происходить, но в двух лабораториях в разных городах маловероятны одинаковые ошибки.) Совершенствовались методы выделения. Были детально изучены типичные повреждения древней ДНК, например характерные окислительные изменения нуклеотидов на концах фрагментов. Эти повреждения могут быть даже полезными: по их наличию можно отличить истинно древнюю ДНК от современных примесей.

Также были разработаны методы оценки наиболее перспективных древних образцов, в которых с максимальной вероятностью хорошо сохранилась ДНК. Один из простых признаков — содержание аминокислот в образце (чем больше, тем лучше) и их рацемизация, то есть переход из L-формы, свойственной нормальным белкам, в D-форму. Если уровень рацемизации превышает некоторый порог, надежды найти ДНК немного.По составу коллагена, основного белка костей, который хорошо сохраняется и в древних образцах, можно отличить кости животных от костей гоминин. Сохранности ДНК способствует холод: самая древняя известная на сегодня ДНК — из зубов мамонтов— имеет возраст около миллиона лет.

Неандертальцы и мы

Вернувшись в Европу в 1990 году, Паабо стал профессором общей биологии в Мюнхенском университете, где занялся неандертальцами.

Это был еще один шаг в прошлое. Неандертальцы появились в Европе и Азии примерно 400 000 лет назад, а вымерли 30 000 лет назад.Анатомически современные люди (Homo sapiens) впервые появились в Африке около 300 000 лет назад, а 60 000–70 000 лет назад начали мигрировать из Африки на Ближний Восток и заселять Евразию.Таким образом, Homo sapiens сосуществовали с Homo neanderthalensis в Евразии не менее 20 000 лет, и возникал вопрос о том, как далеко могли зайти контакты между ними. Могли наши виды (подвиды?) скрещиваться? Удастся ли найти следы подобных событий в геномах?

Паабо успешно секвенировал участок митохондриальной ДНК из кости неандертальца — Того Самого Неандертальца, типового образца, найденного в долине Неандерталь недалеко от Дюссельдорфа в 1856 году. Этот неандерталец жил примерно 40 000 лет назад. Но митохондриальная ДНК — гораздо более простой объект, чем ядерная (то есть основной геном организма).

Митохондрии — органеллы клеток, которые снабжают ее энергией и имеют собственные геномы. В клетках их тысячи, при этом длина митохондриального генома около 16,5 тысяч пар нуклеотидов, тогда как длина ядерного генома человека или неандертальца — около 3 млрд нуклеотидов.

Эту работу, результаты которой были опубликованы в 1997 году, можно считать началом палеогеномики.

Полученная последовательность существенно отличалась как от мтДНК современного человека, так и от мтДНК шимпанзе. Оценка этих различий показала, что с момента существования общего предка неандертальца и человека современного типа должно было пройти 550 000–690 000 лет — намного больше, чем считалось ранее. (Это оценка и сейчас не сильно скорректирована.)

Современных людей с «неандертальской» мтДНК не было обнаружено. «Не мать он нам! Отец ли — пока не знаем», — прокомментировал этот результат в одной из своих лекций Николай Казимирович Янковский. (Напомним, что митохондрии каждый человек получает только от матери, в яйцеклетке.) Выражаясь более строго, среди современных людей не найдены прямые потомки неандертальцев по материнской линии, дети дочерей дочерей дочерей… Но чтобы детальнее исследовать отношения между нашими видами, нужна была ядерная ДНК неандертальцев, полный геном. Если у праматери нашей неандерталки были только сыновья, то ее мтДНК могла исчезнуть, но участки «большого» генома — сохраниться.

В 1997 году Паабо пригласили стать директором отделения генетики в новом Институте эволюционной антропологии Макса Планка в Лейпциге. (Каждый из директоров отделений по очереди выполняет обязанности исполнительного директора института в течение пяти лет.) Именно там был секвенирован ядерный геном неандертальцев.

Параллельно продолжались (и продолжаются по сей день) исследования неандертальской мтДНК. В 2000 году британская группа опубликовала вторую последовательность мтДНК неандертальца из Мезмайской пещеры на Северном Кавказе, группа Паабо получила образцы неандертальцев из пещеры Виндия в Хорватии и секвенировала их мтДНК. Эти и другие исследования позволяли строить родословные деревья самих неандертальцев, узнавать новые подробности о том, как они заселяли Европу. Но конечно, все ждали ядерного генома.

Чтобы покорить эту новую высоту, Паабо с коллегами использовали одну из ранних технологий высокопроизводительного секвенирования от компании 454 Life Sciences, которую впоследствии купила Roche (см. «Химию и жизнь», 2006, 1). Технология позволяла эффективно прочитать множество мелких обрывков неандертальской ДНК. (Другое знаменитое достижение 454 Life Sciences — проект «Джим», получение персонального генома Джеймса Уотсона.) Сотрудники компании стали соавторами статьи Паабо и его коллег, которая вышла в 2006 году и сообщила о прочтении первого миллиона нуклеотидов неандертальского генома (см. «Химию и жизнь», 2007, 1).

Нужно было больше костей и зубов. Команда Паабо проверила более 70 образцов неандертальцев из разных местонахождений в Европе и Западной Азии, чтобы оценить биомолекулярную сохранность и уровень загрязнения современной ДНК. Одна кость из пещеры Виндия была замечательна тем, что более 90% сегментов ее мтДНК оказались неандертальскими. Ее и другие образцы из Виндии и выбрали для секвенирования полного генома. Секвенированы были также образцы из долины Неандерталь, Мезмайской пещеры на Кавказе и пещеры Эль-Сидрон в Испании. Полученные последовательности сравнивали с геномами человека, шимпанзе или мыши (помните, что мы говорили в начале об изданной «Войне и мире», с которой можно сверяться?) и выбирали наиболее сходные с человеческим геномом.

Исследователи еще усовершенствовали технологии выделения ДНК, нашли новые способы избавления от микробной ДНК (обидно тратить средства на то, чтобы секвенировать геномы почвенных бактерий вместо неандертальского) и новые подходы для поиска современных загрязнений. Начали использовать более совершенную технологию секвенирования от компании Illumina, поэтому для обработки данных потребовался новый биоинформационный инструментарий.

Публикация полного генома неандертальца состоялась в 2010 году (см. «Химию и жизнь», 2010, 6). Наиболее полную последовательность удалось получить для неандертальца из Виндии, для «испанского», «германского» и «кавказского» — меньшие, но достаточные, чтобы их было интересно сравнивать.

Тогда же оказалось, что неандертальцы более сходны с современными европейскими или азиатскими популяциями, чем с африканскими. Простейшее объяснение — скрещивание неандертальцев и людей современного типа, которое происходило в Европе и Азии, но не в Африке. Получалось, что неандертальцы и современные люди имеют 1–4% общих генных последовательностей (сегодня называют уточненные цифры: 1,5–2,1%). В геномах африканцев, не ходивших в Европу, неандертальская примесь обычно отсутствует, за исключением случаев, которые могут быть вызваны обратной волной миграции из Европы в Африку.

В Институте эволюционной антропологии есть традиция: сотрудников, добившихся успеха в науке, бросают в пруд. До директоров отделения включительно

Третий человек

В том же 2010 году был опубликован еще более яркий результат: открытие нового вида гоминин по результатам ДНК-анализа (см. «Химию и жизнь, 2010, 5).

Большинство костей древних гоминин найдено в экваториальных и тропических регионах, где слишком жарко для сохранения ДНК. Однако в северных регионах Евразии, как мы теперь знаем, тоже обитали наши родственники. В 2008 году в Денисовой пещере на Алтае (Россия) нашли конечную фалангу мизинца руки молодого представителя рода Homo. Возраст слоя, где была сделана находка, составлял 30 000–48 000 лет назад.

Из этой кости группа Паабо получила удивительно хорошо сохранившуюся ДНК и секвенировала полную последовательность мтДНК. Оказалось, что эта последовательность принадлежит не человеку современного типа и не неандертальцу, а новому представителю рода, которого назвали денисовским человеком, или денисовцем.

Сейчас мы знаем, что географический ареал денисовцев был обширен и охватывал Восточную и Южную Евразию. По оценкам группы Паабо, неандертальцы и денисовцы разошлись 380 000–470 000 лет назад, а предки человека современного типа отделились от общих предков неандертальцев и денисовцев 550 000–760 000 лет назад.

Следов денисовцев в геномах современных европейцев (пока?) не нашли. Однако они внесли значительный вклад — до 4–6% — в ДНК людей, живущих сегодня в Меланезии и некоторых других близких регионах. Интересно, что «денисовская» версия гена EPAS1, которая дает преимущество в высокогорных условиях, обеспечивая адаптацию к гипоксии, распространена среди современных тибетцев.

На Алтае неандертальцы скрещивались с денисовцами. Самое бесспорное тому доказательство — образец Денисова 11, фрагмент кости возрастом около 90 000 лет, который принадлежал девочке — дочери денисовца и неандерталки (см. «Химию и жизнь», 2018, 9). «Неандертальцы и денисовцы, вероятно, имели не так много шансов встретиться. Но раз уж это произошло, они должны были скрещиваться часто — намного чаще, чем мы думали», — сказал Сванте Паабо.

Открытия продолжаются, публикации идут одна за другой. Среди результатов много поражающих воображение и просто забавных. Но важно то, что пока накапливаются знания о древних геномах, наше понимание эволюции человека приобретает новое изменение. Оказывается, еще не так давно на Земле жили как минимум три более-менее разумных вида. Оказывается, они обменивались генами. Один из видов вытеснил два других — потому ли, что он был умнее? Некоторые геномные данные вроде бы подтверждают этот лестный для нас ответ, но до полной разгадки все еще далеко.

Блестящий результат, о котором мы писали совсем недавно, — группа Сванте Паабо разработала методы обогащения и анализа митохондриальной и даже ядерной ДНК человека из почвы на «полу» пещеры (см. «Химию и жизнь», 2022, 5). Буквально только что опубликованы результаты исследования геномов 13 неандертальцев из пещер Чагырская и Окладникова на Алтае; это исследование выявило тесные родственные связи между индивидами и дало намек на то, что у неандертальцев женщины переходили в группу брачного партнера из родительской, причем, вероятно, чаще, чем это делали мужчины.

Не могу промолчать об исследовании 2020 года, в котором не участвовал сам Сванте Паабо, но участвовали сотрудники его института: похоже, что неандертальцы на позднейших этапах своей эволюции потеряли свою Y-хромосому (которую мужчины получают от отца) из-за скрещиваний с людьми современного типа. У всех мужчин-неандертальцев, у которых удалось секвенировать Y-хромосому, она оказалась более похожей на нашу, чем, например, на Y-хромосому денисовцев. Он нам не мать, а вот мы ему — отец…

Так или иначе,«неандертальские» сегменты можно найти в большинстве областей генома человека.Во время пандемии был опубликован ряд интересных работ, в которых рассматривалось, как влияют эти следы дружбы между народами на тяжесть протекания COVID-19 и других инфекционных заболеваний. Были найдены «неандертальские» варианты, увеличивающие риск дыхательной недостаточности при COVID-19, и вариант, связанный с меньшей тяжестью протекания коронавирусной инфекции.

Все эти и многие другие результаты было бы невозможно получить без упорной работы Сванте Паабо и его коллег. Тот случай, когда спорить о правомерности присуждения Нобелевской премии не хочется.