ДНК. История генетической революции - Джеймс Д. Уотсон

«Не могу описать, насколько это было захватывающе, – рассказывает Крингс о том, как впервые взглянул на результат секвенирования ДНК, – у меня мурашки по спине побежали». Хотя, как и опасались ученые, некоторые последовательности действительно оказались контаминированы, в остальном они были поистине удивительны: там обнаружилась удивительная совокупность сходств и различий с генетической последовательностью современного человека. Собирая мелкие фрагменты, ученые сумели реконструировать участок митохондриальной неандертальской ДНК длиной 379 пар оснований. «Тогда мы и откупорили шампанское», – вспоминал Крингс.

Неандертальская последовательность мтДНК оказалась ближе к человеческим последовательностям, чем к аналогичным последовательностям шимпанзе, и это означало, что неандерталец, бесспорно, представитель человеческой эволюционной линии. В то же время обнаружились принципиальные различия между неандертальскими последовательностями и теми 986 образцами мтДНК современного человека, с которыми Крингс сравнивал свой образец. Причем даже те 986 образцов, что наиболее походили на неандертальский, отличались от него не менее чем на 20 пар оснований (то есть на 5 %). Впоследствии была секвенирована митохондриальная ДНК еще двух неандертальцев, одного из которых нашли на юго-западе России, другого в Хорватии. Как и ожидалось, эти последовательности не совпали с исходной. Это было логично, поскольку совершенно очевидно, что особи-неандертальцы обладали изменчивостью, как и современные люди, при этом они были похожи.

Обобщив все эти факты, Паабо и другие эксперты заключили, что, хотя место неандертальцев на одном эволюционном древе с человеком и его родичами, неандертальская ветвь довольно далека от ветви современного человека. Такие результаты анализа митохондриальной ДНК позволяли предположить, что, хотя два вида и вступили в контакт в Европе около 40 тысяч лет тому назад, современные люди, скорее, истребили неандертальцев, чем гибридизировались с ними. Это был смелый вывод, особенно с учетом того, на каком мизерном объеме драгоценной ДНК его пришлось сделать. Но Паабо был полон решимости продолжить свою работу и полностью отсеквенировать геном наших родичей-неандертальцев.

В течение следующего десятилетия Паабо, теперь трудившийся в Институте эволюционной антропологии в Лейпциге, разработал новые методы анализа неандертальской ДНК. Он оборудовал чистые лабораторные залы, каким позавидовали бы изготовители микропроцессоров, взял на вооружение новейшие технологии секвенирования. После длительных поисков Паабо выбрал фрагмент неандертальской кости, найденной в хорватской пещере Виндия в 1980 году; методом радиоуглеродной датировки возрасткости оценивался примерно в 40 тысяч лет. («Волшебная косточка», как назвал ее Паабо, длиной около пяти сантиметров сохранилась исключительно хорошо, но, совершенно заброшенная, пылилась в хорватском музее.) Опубликовав в 2006 году предварительный анализ скрупулезно изученной последовательности ДНК длиной около миллиона оснований, Паабо продолжил работу. В 2010 году его группа опубликовала в журнале Science анализ двух миллионов оснований – примерно 55 % неандертальского генома.

Хотя картина неандертальского генома по нынешним меркам получалась очень приблизительной, результаты исследования уже тянули на шокирующие заголовки: «Паабо сравнил первые черновики неандертальских последовательностей с только что отсеквенированными геномами пяти людей, обитавших в разных регионах мира. Рассмотрев геномы троих живших в Европе и Азии, он обнаружил характерные участки неандертальской ДНК, полностью отсутствовавшие в геномах двух других людей родом из Западной Африки (йоруба) и Южной Африки (сан)». Действительно, неандертальцы никогда не жили в Черной Африке. Такие результаты убедительно свидетельствуют о том, что современные люди и неандертальцы действительно гибридизировались в период, когда их пути пересеклись; предположительно это произошло на Ближнем Востоке в период между 40 и 75 тысячами лет тому назад.

И вот уже мы имели два результата, анализ которых привел к очень разным выводам: один по итогам секвенирования митохондриальной ДНК, другой ДНК из молекул ДНК, содержащихся во всех хромосомах клетки. По анализу митохондриальной ДНК скрещивания между неандертальцем и современным человеком не наблюдалось, а по основной геномной ДНК скрещивание было, причем весьма значительное. Лишь один из этих результатов верен, не так ли? Правда, этот явный конфликт результатов объясним с учетом нюансов наследования митохондриальной ДНК. Существует ряд возможных сценариев этого события, но, вероятно, простейший из них связан с половой асимметрией при наследовании митохондриальной ДНК. Тогда как ДНК из моего генома получена мною от обоих родителей – я получился из отцовского и материнского генома, – мтДНК полностью получена мною от матери. После оплодотворения яйцеклетки сперматозоиды передают плоду лишь геномную ДНК. Митохондрии (и митохондриальная ДНК, что в них находится) присутствуют в цитоплазме яйцеклетки – то есть мтДНК наследуется по материнской линии. Что, если в гибридизации между нашими видами участвовали лишь неандертальцы-мужчины? В таком случае наши предки получили бы из спермы неандертальцев геномную ДНК, а неандертальскую митохондриальную ДНК не получили бы. Поэтому геномная ДНК у нас от обоих видов, а митохондриальная только от одного, H. sapiens.

С Ближнего Востока генетический след неандертальцев распространился по миру, поскольку люди современного типа расселились на восток – в Азию, на север и запад – в Европу. Геном современных европеоидов и монголоидов, как правило, примерно на 2,5 % состоит из неандертальской ДНК (этот факт гордо красуется на фирменных футболках от компании 23andMe). Разумеется, Паабо потратил два десятилетия жизни не просто на то, чтобы у перспективного коммерческого стартапа появился прикольный слоган. На то, чтобы оценить истинную важность проекта по расшифровке неандертальского генома, уйдут десятки лет. Паабо мечтал прояснить конкретные генетические изменения, благодаря которым современный человек оказался таким особенным и которые позволили нам расселиться и «освоить всю сушу до последнего пятнышка» – это как раз то, чего наши древние человекоподобные предки даже не пытались делать. Паабо говорит: «Они просуществовали два миллиона лет, но так и не обрели решимости переправляться через водную преграду, если не видели противоположного берега». Люди современного типа существуют всего около ста тысяч лет – но мы уже слетали на Луну, плюс нам хватило изобретательности, чтобы по кусочкам собрать мозаику, из которой выстроилось древо жизни. Чтобы понять функциональные последствия тех мутаций, благодаря которым современный человек отличается от неандертальца, нам потребуется вся наша изобретательность. Однако для начала нужно идентифицировать эти ключевые отличия. «С высоты птичьего полета» геномы неандертальца и современного человека удивительно схожи: при секвенировании они совпадают на 99,5 %. Некоторые различия локализованы на участках, кодирующих белки, и именно эти участки могли давать важный физиологический и функциональный эффект. Среди них есть подмножество, которое, возможно, даже позволило бы объяснить фундаментальные поведенческие, морфологические или когнитивные различия между двумя видами. Например, Паабо и стэнфордский иммунолог Питер Пархэм предположили, что от неандертальцев к людям современного типа перешла ключевая мутация, повлиявшая на иммунную систему и, возможно, обеспечившая нам устойчивость к некоторым инфекционным болезням. Две новые мутации в гене рецептора меланокортина-1 позволяют предположить, что неандертальцы вполне могли быть светлокожими и рыжеволосыми.