Палеогеномика как отрасль биологической науки сформировалась почти сорок лет назад, и роль Сванте Паабо в ее появлении и дальнейшем развитии сложно переоценить. Он один из ее пионеров, его победа — кропотливый труд, любовь к своей работе, коллеги по всему миру и капелька везения. Его карьера — пример для многих, он „венец эволюции“ в эволюционной геномике и просто большой молодец.

Сванте Паабо (рис. 1) — 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 [1] 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.

Подробнее про секвенирование нуклеиновых кислот можете прочитать в статье на «Биомолекуле»: «12 методов в картинках: секвенирование нуклеиновых кислот» [2].

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 [3]. 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 [4]; 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 [1]. 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 [5].

Подробнее про ПЦР можно прочитать в статьях «Биомолекулы»: «12 методов в картинках: полимеразная цепная реакция» [6] и «Цифровая ПЦР: измеряя истину» [7].

Группа Паабо разработала методы очистки ДНК на основе диоксида кремния [8], а также метод, с помощью которого можно определить, присутствует ли в образце эндогенная ДНК (принадлежащая исследуемому образцу) [9].

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 [10], 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 [11], 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 [12]. 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 [12].

Дальнейшие исследования позволили лучше понять структуру популяции неандертальцев: они жили небольшими (менее 60 человек) изолированными друг от друга группами [13], [14].

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 [16]. 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 [17]. 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 [18].

На «Биомолекуле» есть рецензия на научно-популярную книгу Сванте Паабо «Неандерталец» [19], которую мы рекомендуем прочитать всем, кому интересно узнать о его работе и жизни. Также можно ознакомиться со статьей, посвященной палеогенетике «Древняя ДНК: привет из прошлого» [20] и комиксом «Кто все эти люди?!» [15].

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 [1] он говорит о том, что хотел бы определить генетические изменения, которые позволили человеческому виду продвинуться вперед по сравнению с предками.

Они [предки] провели на Земли почти 2 миллиона лет, но никогда не перебирались через воду, если не видели сушу по другую сторону от берега. Современные люди существует почти 100 тысяч лет и они уже покорили остров Пасхи

Примером такого исследования является недавняя работа, где авторы рассматривали ген TKTL1, связанный с ростом нейронов [21]. 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 [22].

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.

Литература

1. Jane Gitschier. (2008). Imagine: An Interview with Svante Pääbo. PLoS Genet. 4, e1000035;
2. 12 методов в картинках: секвенирование нуклеиновых кислот;
3. Svante Pääbo. (1985). Molecular cloning of Ancient Egyptian mummy DNA. Nature. 314, 644-645;
4. Tomas Lindahl. (1993). Instability and decay of the primary structure of DNA. Nature. 362, 709-715;
5. SVANTE PÄÄBO, ALLAN C. WILSON. (1988). Polymerase chain reaction reveals cloning artefacts. Nature. 334, 387-388;
6. 12 методов в картинках: полимеразная цепная реакция;
7. Цифровая ПЦР: измеряя истину;
8. Matthias Höss, Svante Pääbo. (1993). DNA extraction from Pleistocene bones by a silica-based purification method. Nucl Acids Res. 21, 3913-3914;
9. Hendrik N. Poinar, Matthias Höss, Jeffrey L. Bada, Svante Pääbo. (1996). Amino Acid Racemization and the Preservation of Ancient DNA. Science. 272, 864-866;
10. Matthias Krings, Anne Stone, Ralf W Schmitz, Heike Krainitzki, Mark Stoneking, Svante Pääbo. (1997). Neandertal DNA Sequences and the Origin of Modern Humans. Cell. 90, 19-30;
11. Tomislav Maricic, Svante Pääbo. (2009). Optimization of 454 sequencing library preparation from small amounts of DNA permits sequence determination of both DNA strands. BioTechniques. 46, 51-57;
12. R. E. Green, J. Krause, A. W. Briggs, T. Maricic, U. Stenzel, et. al.. (2010). A Draft Sequence of the Neandertal Genome. Science. 328, 710-722;
13. Sergi Castellano, Genís Parra, Federico A. Sánchez-Quinto, Fernando Racimo, Martin Kuhlwilm, et. al.. (2014). Patterns of coding variation in the complete exomes of three Neandertals. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 111, 6666-6671;
14. Mateja Hajdinjak, Qiaomei Fu, Alexander Hübner, Martin Petr, Fabrizio Mafessoni, et. al.. (2018). Reconstructing the genetic history of late Neanderthals. Nature. 555, 652-656;
15. Кто все эти люди?!;
16. Johannes Krause, Qiaomei Fu, Jeffrey M. Good, Bence Viola, Michael V. Shunkov, et. al.. (2010). The complete mitochondrial DNA genome of an unknown hominin from southern Siberia. Nature. 464, 894-897;
17. David Reich, Richard E. Green, Martin Kircher, Johannes Krause, Nick Patterson, et. al.. (2010). Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia. Nature. 468, 1053-1060;
18. Emilia Huerta-Sánchez, Xin Jin, Asan, Zhuoma Bianba, Benjamin M. Peter, et. al.. (2014). Altitude adaptation in Tibetans caused by introgression of Denisovan-like DNA. Nature. 512, 194-197;
19. Сванте Пэабо: «Неандерталец». Рецензия;
20. Древняя ДНК: привет из прошлого;
21. Anneline Pinson, Lei Xing, Takashi Namba, Nereo Kalebic, Jula Peters, et. al.. (2022). Human TKTL1 implies greater neurogenesis in frontal neocortex of modern humans than Neanderthals. Science. 377;
22. Sara Reardon. (2022). Did this gene give modern human brains their edge?. Nature. 609, 665-666.