Крестный отец палеогеномики — лауреат Нобелевской премии по физиологии/медицине (2022)
Сванте Паабо — шведский ученый и "крестный отец" палеогеномики — направления молекулярной антропологии, связанного с исследованием древней ДНК. Команда исследователей под его руководством расшифровала геном неандертальца и открыла новую группу гоминид — денисовцев, — а в октябре 2022 года Паабо получил Нобелевскую премию по физиологии или медицине "за открытия, касающиеся геномов вымерших гоминид и эволюции человека".
Сванте Паабо — сын биохимика Суне Бергстрёма, лауреата Нобелевской премии по физиологии или медицине (1982), и химика Карин Паабо. Он поступил на отделение египтологии в Уппсальском университете (Швеция), однако вскоре понял, что его представления об изучении Египта были более романтичными, чем оказалось на самом деле. Желая все-таки получить профессию, Паабо обратил свое внимание на медицину и начал изучать взаимодействие аденовирусов с иммунной системой, в итоге защитив диссертацию по молекулярной иммунологии. Однако на самом деле его интересовали совсем другие вопросы, связанные с возможностью секвенирования и анализа ДНК древних людей.
Свои самые первые исследования Сванте Паабо проводил тайно, чтобы не рассердить профессора рабочей группы "несерьезными" увлечениями. На тот момент времени он даже не имел возможности работать с древними останками, но интерес к теме от этого не убавлялся. Первый опыт по выделению ДНК из мертвых и поврежденных тканей он провел на образце печени, который выдерживал при температуре 50 градусов в течение нескольких дней в лабораторной печи. Несмотря на то, что ДНК была сильно повреждена, генетическую информацию из нее получить все-таки удалось.
Позже, когда появился доступ к настоящим древним образцам, по вечерам и выходным, в качестве хобби, Сванте Паабо начал работать над выделением ДНК из мумий. В этой работе было показано, что фрагменты ДНК возрастом почти 2500 лет могут быть клонированы, что ДНК находится в хорошем состоянии и практически не несет следов деградации. Однако позже он признал, что результаты, описанные в этой публикации, все же пострадали от загрязнения ДНК современных людей.
С ДНК в древних образцах могут приключиться различные "неприятности": она может остаться только в следовых количествах, которые неизбежно будут повреждены из-за окислительных процессов и гидролиза; ДНК может разрушиться под воздействием температуры и с течением времени; "загрязниться" генетическим материалом бактерий и ДНК современных людей. Осознавая технологические сложности, сопряженные с выделением древней ДНК, Паабо начал разрабатывать и улучшать методы ее выделения и секвенирования. Несколько десятилетий он трудился над разработкой таких протоколов, чтобы в конечном итоге выделить ДНК из костей неандертальцев.
В 1987–1990 годах, будучи в постдокторантуре в Университете Калифорнии в Беркли, Сванте Паабо экстрагировал ДНК ископаемых животных, взяв в качестве образца вымершую травоядную птицу моа. В 1988 году он первым применил полимеразную цепную реакцию (за которую Кэри Муллис и Майкл Смит получили Нобелевскую премию по химии) для амплификации древних фрагментов ДНК.
Группа Паабо разработала методы очистки ДНК на основе диоксида кремния, а также метод, с помощью которого можно определить, присутствует ли в образце эндогенная ДНК (принадлежащая исследуемому образцу).
Но вернемся к той теме, за которую Сванте Паабо получил Нобелевскую премию — к изучению геномов вымерших гоминид и эволюции человека. Непосредственно исследования древней ДНК неандертальцев начались с митохондриальной ДНК (мтДНК). У нее больше шансов сохраниться в древних останках (по сравнению с ядерным геномом), поскольку каждая клетка многоклеточного организма содержит тысячи копий мтДНК, тогда как ядерная ДНК присутствует только в двух (от отца и матери). Стоит сразу оговориться, что чаще всего, когда пишут о передаче генов от предков к современным людям, имеют в виду передачу однонуклеотидных замен, а не последовательности генов целиком. В работе, где последний автор как раз Паабо, исследовали кортикальный слой кости неандертальца, найденного в 1856 году в Западной Германии. Большинство полученных клонов содержали последовательности, не присутствующие в современном геноме, что означало: неандертальцы вымерли, не передав мтДНК современным людям. Но мтДНК передается только по материнской линии, поэтому оставалась вероятность того, что кусочки неандертальского генома могут быть обнаружены в ядерной ДНК. Это была следующая цель Паабо, c 1997 года возглавляющего отделение эволюционной генетики в Институте эволюционной антропологии общества Макса Планка.
Первоначально заявив в 2006 году о своем намерении опубликовать черновой вариант генома неандертальца за два года, Паабо с соавторами опубликовал его в 2010 году. Усовершенствование протокола подготовки ДНК-библиотек (набор ДНК-фрагментов всего генома организма) привело к увеличению выхода секвенируемой ДНК в несколько сотен раз, а соотношение неандертальской и микробной ДНК было увеличено за счет использования рестрикционных ферментов, преимущественно расщепляющих бактериальные последовательности.
Опубликованная черновая последовательность генома неандертальцев состояла из более чем 4 миллиардов нуклеотидов. Результаты показали, что эта последовательность имела больше общего с современными людьми, жителями Евразии и Нового Света, чем с современными африканцами, предполагая гибридизацию неандертальцев с первыми.
Дальнейшие исследования позволили лучше понять структуру популяции неандертальцев: они жили небольшими (менее 60 человек) изолированными друг от друга группами.
В 2008 году в Денисовой пещере на Алтае при раскопках удалось найти дистальную фалангу пятого пальца руки молодого гоминида. Из этой кости группа Сванте Паабо извлекла сохранившуюся мтДНК. Ее сравнительный анализ с митогеномами человека и неандертальца показал, что ученые обнаружили совершенно новый вид гоминид, который впоследствии назвали в честь места находки — денисовцами. Стратиграфия Денисовой пещеры, где была найдена кость, предполагает, что ее обитатели жили в одно и то же время как с неандертальцами, так и с современными людьми. Дальнейшие исследования показали, что денисовцы не участвовали в предполагаемом потоке генов от неандертальцев к евразийцам. Тем не менее, путем сравнения генома денисовцев с многочисленными современными людьми из разных народов, удалось выяснить, что 4–6% генетического материала денисовцев все же перешли в геномы современных жителей островов Меланезии. Таким образом, у современных меланезийцев присутствуют генетический материал и денисовцев, и неандертальцев.
Палеогенетика теперь позволяет взглянуть и на возникновение адаптаций. Например, вариант последовательности гена EPAS 1, полученной путем секвенирования ДНК денисовцев, совпадает с таковым в геноме современных тибетцев и не обнаруживается у других групп людей. Этот ген связывают с адаптацией к жизни на высокогорье . Присутствие такого варианта гена в геноме тибетцев может быть обусловлено интрогрессивной гибридизацией, произошедшей в период сосуществования денисовцев и Homo sapiens.
Помимо множества других вопросов, которые появляются при анализе древней ДНК (и вообще возможности ее анализировать), Сванте Паабо давно интересует вопрос о том, что отличает Homo sapiens от других гоминид. В одном из интервью почти пятнадцатилетней давности он говорит о том, что хотел бы определить генетические изменения, которые позволили человеческому виду продвинуться вперед по сравнению с предками.
Примером такого исследования является недавняя работа, где авторы рассматривали ген TKTL1, связанный с ростом нейронов. Единичная аминокислотная замена в кодируемом этим геном белке обнаружена у людей, но отсутствует у неандертальцев и денисовцев. Исследователи предположили, что TKTL1 может ускорить пролиферацию нейронных клеток-предшественников, особенно в неокортексе — возможно, с этим связаны развитые когнитивные способности Homo sapiens.
В своем недавнем интервью, взятом уже после присуждения премии, Паабо рассказал, что он как раз допивал чай и собирался забрать дочку у няни, где она ночевала, в то время как ему позвонили из Швеции. Он подумал, что это, наверное, связано с его летним домиком в этой стране: "Ну, наверное, газонокосилка сломалась или что-то подобное". В этом же интервью он признается — никогда не думал, что его квалификации будет достаточно, чтобы получить Нобелевскую премию. Тем не менее, в этом году Нобелевский комитет оценил его вклад в науку на высочайшем из возможных уровней.
На основе пресс-релиза Нобелевского комитета.