Нобелевская премия-2022: геномика вымерших людей

В понедельник, 3 октября 2022 года секретарь Нобелевского комитета Томас Перлман назвал имя лауреата премии по физиологии и медицине. Это Сванте Паабо (Пэабо) из Института эволюционной антропологии Макса Планка в Лейпциге, исследователь геномов древних гоминин и один из создателей палеогеномики. Томас Перлман с удовольствием подчеркнул, что нобелиат родился в Стокгольме.

В 2010 году Сванте Паабо с коллегами опубликовали ошеломляющий результат: им удалось получить последовательность ядерного генома неандертальца (использовались образцы трех индивидов). С тех пор геномы древних людей постоянно присутствуют в лентах научных новостей.

Анатомически современный человек, Homo sapiens, впервые появился в Африке примерно 300 000 лет назад; неандертальцы мигрировали в Европе и Западной Азии примерно 400 000–30 000 лет назад. Около 70 000 лет назад группы Homo sapiens переселились из Африки на Ближний Восток, а оттуда распространились по всему миру. Как протекало сосуществование разных видов гоминин за пределами Африки? Ответы на этот вопрос дают исследования геномов.

К концу 1990-х геном современного человека был секвенирован почти полностью (хотя отдельные сложные участки «дочитывают» до сих пор). Но возможно ли секвенировать древнюю ДНК, которая подвергается химическим модификациям, распадается на короткие фрагменты, загрязняется ДНК микноорганизмов и современного человека?

Сванте Паабо начал разрабатывать методы изучения ДНК неандертальцев, когда был постдоком у Аллана Уилсона, пионера в области эволюционной биологии. В 1990 году Паабо продолжил исследования древней ДНК в Мюнхенском университете. Более простым объектом по сравнению с ядерной ДНК была ДНК митохондрий — эти органеллы эукариотических клеток имеют собственные геномы, в клетках их тысячи, при этом длина митохондриального генома около 16,5 тысяч пар нуклеотидов, тогда как ядерный геном человека или неандертальца имеет размер около 3 млрд нуклеотидов.

С помощью собственных методов Паабо секвенировал участок митохондриальной ДНК (мтДНК) из неандертальского образца возрастом 40 000 лет — это была первая из многих последовательностей геномов вымерших гоминин.

Затем Паабо поставил амбициозную задачу секвенирования полного ядерного генома неандертальца. Он получил предложение создать новый институт общества Макса Планка в Лейпциге — Институт эволюционной антропологии. В этом институте стали совершенствоваться концепции и методы исследования древней ДНК, повышалась эффективность секвенирования и биоинформатических инструментов. Первая последовательность генома неандертальца была получена к 2010 году. Сравнительный анализ геномов двух видов гоминин, вымершего и современного, показал, что самый недавний общий предок неандертальцев и Homo sapiens жил около 800 000 лет назад.

С этого момента начались исследования филогенетических связей между неандертальцами и современными людьми из разных частей мира. Геномы неандертальцев оказались более сходными с геномами современных людей из Европы или Азии, чем с геномами африканцев, так как неандертальцы и люди современного типа скрещивались во время совместного обитания за пределами Африки. У современных людей европейского или азиатского происхождения примерно 1–4% генома имеет неандертальское происхождение.

Другое сенсационное открытие было сделано, когда команда Паабо секвенировала мтДНК из костного фрагмента возрастом 40 000 лет, найденного в Денисовой пещере на Алтае в 2008 году. Геном не принадлежал ни неандертальцу, ни человеку современного типа — это был ранее неизвестный представитель гоминин, которых называли «денисовскими людьми» или денисовцами; первое крупное палеоантропологическое открытие, совершенное по геномным данным. Конечно, затем были получены и ядерные геномы денисовцев.

Сравнение с последовательностями современных людей из разных частей мира показало, что поток генов также имел место между денисовцами и современными людьми. Геномы жителей Меланезии и других частей Юго-Восточной Азии содержат до 6% ДНК денисовцев.

В 2018 году палеогенетики из команды Сванте Паабо и их коллеги секвенировали геном из еще одного фрагмента кости, найденного в Денисовой пещере на Алтае. Анализ генома показал, что косточка принадлежала девочке или девушке, отцом который был денисовец, а матерью — неандертальская женщина.

Эти результаты дали новое измерение нашей эволюционной истории. Выяснилось, что у наших предков за пределами Африки был не один «сосед», а как минимум два — неандертальцы на западе и денисовцы на востоке, и те и другие внесли свои вклады в наши геномы, а также скрещивались между собой.

Более того, современные методы анализа геномных последовательностей указывают на то, что древние гоминины могли скрещиваться с Homo sapiens еще в Африке. Геномы этих вымерших гоминин пока не секвенированы из-за ускоренной деградации архаичной ДНК в жарком климате. Не так давно исследователи из США нашли и неандертальскую примесь в африканских геномах — возможно, из-за обратной миграции людей современного типа в Африку.

Вот еще несколько примеров результатов, полученных в Институте эволюционной антропологии, о которых писал портал PCR.NEWS. Неандертальцы в какой-то момент потеряли свою Y-хромосому, ее заменила Y-хромосома людей современного типа. Денисовские люди жили не только в Денисовой пещере, а широко расселялись по Евразии.

Некоторые участки генома, полученные от наших вымерших родственников, влияют на нашу физиологию. Так, денисовская версия гена EPAS1, которая дает преимущество в высокогорных условиях, распространена среди современных тибетцев. Некоторые неандертальские варианты генов влияют на иммунный ответ при инфекциях. В 2020 году Сванте Паабо предположил, что варианты на 3-й хромосоме, связанные с более тяжелым протеканием COVID-19, мы получили от неандертальцев. С другой стороны, один из этих вариантов, возможно, защищает от ВИЧ-инфекции. Был найден и неандертальский вариант, ассоциированный с меньшей тяжестью коронавирусной инфекции.

Сравнение геномов современных и вымерших людей дает ответ на очень важный вопрос: почему они вымерли, а мы нет? Неандертальцы, как и мы, жили группами, имели большой мозг, но их культура развивалась намного медленнее, чем у людей современного типа. В последнее время предпринимается все больше попыток найти функциональные различия между нашими и неандертальскими геномами, которые могли дать человеку адаптивные преимущества, в том числе способствовать когнитивному развитию. Современные технологии позволяют вводить неандертальские варианты генов в органоиды, выращенные из человеческих клеток, или создавать трансгенных животных и наблюдать, как подобная замена повлияет, например, на развитие нервной системы. Об одной из таких работ мы недавно писали. Различие между человеком современного типа и неандертальцем невозможно свести к мутации в единственном гене, хотя результаты замены одной-единственной аминокислоты могут быть драматическими (кстати, в этой работе 2021 года участвовали российские ученые из Сколтеха и ИППИ). Чтобы понять всё о преимуществе быть человеком современного типа, необходимо сравнивать геномы в целом, говорить о геномике Homo sapiens и других гоминин. Такая возможность у нас есть благодаря Сванте Паабо и его коллегам.