Сегодня, 3 октября 2022 года, Нобелевский комитет Королевского Каролинского института (Швеция) присудил Нобелевскую премию по физиологии и медицине Сванте Паабо за его открытия в области генетики вымерших гоминин и эволюции человека.

Людей всегда волновало собственное происхождение. Откуда мы произошли, и как мы связаны с теми, кто жил до нас? Чем мы, Homo sapiens, отличаемся от других гоминин?

Благодаря новаторским исследованиям Сванте Паабо, удалось совершить, казалось бы, невозможное: секвенировать геном неандертальца, вымершего родственника современного человека. Также Паабо сенсационно открыл неизвестный ранее вид человека — денисовца и обнаружил, что передача генов от этих ныне вымерших гоминин к Homo sapiens произошла уже после миграции нашего вида из Африки около 70 000 лет назад. Этот перенос древних генов к современным людям влияет на нашу физиологию и сегодня, например, на то, как наша иммунная система реагирует на инфекции.

▶ Читайте также: Нобелевская премия по физиологии и медицине 2021

Фундаментальные исследования Паабо дали толчок к развитию новой научной дисциплины — палеогеномики. Показывая генетические различия между ныне живущими людьми и вымершими гомининами, открытия Паабо формируют основу для того, чтобы исследовать, что делает нас уникальными среди других, уже исчезнувших видов людей.

Вопросы нашего происхождения

Происхождение человека и то, в чем заключается наша уникальность, интересует человечество с древних времен. Палеонтология и археология — краеугольные камни изучения эволюции человека. Благодаря исследованиям получены доказательства того, что анатомически современный человек, Homo sapiens, впервые появился в Африке около 300 000 лет назад, в то время как наши ближайшие известные родственники, неандертальцы, развивались за пределами Африки и заселили Европу и Западную Азию около 400 000–30 000 лет назад, после чего вымерли. Около 70 000 лет назад группы Homo sapiens мигрировали из Африки на Ближний Восток, а оттуда распространились по всему миру. Таким образом Homo sapiens и неандертальцы сосуществовали на больших территориях Евразии в течение десятков тысяч лет. Но что известно ученым о взаимоотношениях людей современного типа с ныне вымершими неандертальцами? Подсказки следует искать в геномной информации. К концу 1990-х гг. был секвенирован почти весь геном человека. Это был прорыв, который позволил исследовать генетические связи между различными популяциями человека. Однако для изучения взаимоотношений между современными людьми и вымершими неандертальцами необходимо секвенировать древнюю геномную ДНК, полученную из ископаемых образцов.

Невыполнимая задача? Или…

На заре своей карьеры Сванте Паабо захвачен возможностями современных генетических методов для изучения ДНК неандертальцев. Однако вскоре он столкнулся с серьезными техническими сложностями. Например, с течением времени молекулы ДНК претерпевают химические модификации и распадаются на множество коротких фрагментов. По прошествии тысяч лет сохраняются лишь следовые количества ДНК, и эти фрагменты в значительной степени контаминированы, то есть загрязнены ДНК бактерий и современных людей (рис. 1). Будучи постдоком у Аллана Уилсона, одного из пионеров эволюционной биологии, Паабо начал разрабатывать методы изучения ДНК неандертальцев, и эта работа заняла несколько десятилетий.

Рисунок 1 | ДНК внутри клетки расположена в ядре и митохондриях

Ядерная ДНК содержит основную часть генетической информации, в то время как митохондриальный геном гораздо меньшего размера и присутствует в клетке в тысячах копий (в каждой митохондрии). Со временем, после смерти организма, ДНК распадается, и, в конечном итоге, остается лишь небольшое количество нативной молекулы. Происходит и контаминация (загрязнение) ДНК, например, нуклеотидными последовательностями бактерий и современных людей (исследователей, работающих с ископаемыми).

В 1990 году Паабо начал работать в качестве профессора в Мюнхенском университете, где продолжил свою работу над древней ДНК. Ученый решил изучить ДНК в митохондриях неандертальцев — эти органеллы содержат собственную ДНК. По сравнению с ядерной ДНК, митохондриальный геном невелик и содержит лишь часть генетической информации клетки, но так как митохондрий в клетке содержится множество, копий его — тысячи, что увеличивает шансы на успех. Применив самостоятельно усовершенствованные методы, Паабо секвенировал участок митохондриальной ДНК из образца кости, возраст которой оценивался в 40 000 лет. Таким образом, впервые был получен доступ к генетической последовательности ныне вымершего родственника современного человека. Путем сравнения с современными людьми и шимпанзе, удалось выявить, насколько неандертальцы отличаются в генетическом плане от нас и человекообразных обезьян.

Секвенирование генома неандертальца

Поскольку анализ небольшого митохондриального генома предоставляет лишь ограниченную информацию, Паабо задался амбициозной целью: секвенировать ядерный геном неандертальца. Тогда ему выпал шанс основать Институт Макса Планка в Лейпциге, Германия. В новом институте Паабо и его команда постоянно совершенствовали методы выделения и анализа ДНК из костных останков древних людей. Группа ученых применяла новые технологии, которые позволили сделать секвенирование ДНК высокоэффективным. Паабо также нанял нескольких крайне важных сотрудников, обладающих опытом в области популяционной генетики и углубленного анализа последовательностей. Усилия команды увенчались успехом. Исследователям во главе с Паабо удалось совершить, казалось бы, невероятное. А в 2010 году была опубликована первая последовательность генома неандертальца. Путем сравнительного анализа удалось выяснить, что последний общий предок неандертальцев и нас, Homo sapiens, жил около 800 000 лет назад.

Теперь, команда Паабо могла исследовать взаимоотношения между неандертальцами и современными людьми, живущими в разных регионах мира. Путем сравнения удалось выяснить, что последовательности ДНК неандертальцев в большей степени схожи с последовательностями современных европеоидов и азиатов, чем с последовательностями тех современных людей, чьи корни — из Африки. Это означает, что скрещивание неандертальцев и Homo sapiens происходило в течение тысячелетий их сосуществования. У современных людей европейского или азиатского происхождения порядка 1–4 % генома получены от неандертальцев (рис. 2).

Рисунок 2

А. Паабо извлек ДНК из образцов костей вымерших гоминин. Сначала в качестве исследуемого материала ученый использовал фрагмент кости неандертальца, обнаруженного в долине Неандерталь в Германии — от данного географического названия и происходит наименование этого вида человека. Позже Паабо экстрагировал ДНК из кости пальца, найденной в Денисовой пещере в Алтайском крае на юго-востоке Западной Сибири, по названию которой и дали имя еще одному виду — денисовскому человеку.
B. Филогенетическое древо демонстрирует эволюцию и взаимоотношения между Homo sapiens и ископаемыми гомининами. Это филогенетическое дерево также показывает потоки генов, которые открыл Паабо.

Сенсационное открытие: денисовский человек

В 2008 году в Денисовой пещере на юге Сибири был обнаружен фрагмент кости пальца, чей возраст оценивался в 40 000 лет. Сохранность ДНК из этой кости, которую секвенировала команда Паабо, была удивительной. Результаты оказались сенсационными: последовательность ДНК была уникальной, по сравнению со всеми известными последовательностями неандертальцев и современных людей. Паабо обнаружил ранее неизвестного представителя рода Homo, которого назвали денисовский человек. Сравнение с последовательностями современных людей из разных частей мира показало, что между денисовцами и Homo sapiens существовал поток генов. Такая связь впервые была обнаружена на примере популяций жителей Меланезии и других регионов Юго-Восточной Азии, чья ДНК содержит в себе до 6 % ДНК денисовцев.

Открытия Паабо дали толчок развитию нового понимания нашей эволюционной истории. В период исхода Homo sapiens из Африки и расселения нашего вида, Евразию населяли популяции, по меньшей мере, двух видов гоминин. Неандертальцы жили в западной части Евразии, тогда как денисовцы населяли восточные области континента. В ходе экспансии Homo sapiens за пределы Африки и миграции на восток, наши предки встречались и скрещивались не только с неандертальцами, но и с денисовцами (рис. 3).

Рисунок 3

Благодаря открытиям Паабо ученым стало больше известно о том, когда и как наш вид, Homo sapiens, мигрировал из Африки и распространился по всему миру. Неандертальцы обитали на западе, а денисовцы — на востоке Евразийского континента. Скрещивания происходили в ходе миграций Homo sapiens по континенту, о чем свидетельствуют генетические следы в нашей ДНК.

Палеогеномика и ее актуальность

Благодаря своим новаторским исследованиям Сванте Паабо стал основателем новой научной дисциплины — палеогеномики. После своих первых открытий, команда Паабо произвела анализ еще нескольких последовательностей геномов вымерших гоминин. Открытия Паабо создали уникальный ресурс, который широко используется научным сообществом для лучшего понимания эволюции и миграций человеческих популяций. Благодаря результатам, полученным с помощью прогрессивных методик анализа генетических последовательностей, удалось выяснить, что архаичные гоминины могли также скрещиваться с Homo sapiens и в Африке. Однако геномы вымерших гоминин из Африки еще не секвенированы по причине быстрого распада древней ДНК в условиях тропического климата.

Теперь, благодаря открытиям Сванте Паабо мы понимаем, что последовательности генов наших вымерших родственников влияют на нашу собственную физиологию. Примером служит версия гена EPAS1 денисовцев, благодаря которой современный человек получает преимущество для выживания на больших высотах (этот вариант гена распространен среди современных тибетцев). Гены неандертальцев, влияющие на иммунный ответ, развивающийся при различных типах инфекций, у современных людей - еще один пример влияния генома наших древних родственников.

Что делает нас, Homo sapiens, уникальными?

Характерной чертой нашего вида, Homo sapiens, является уникальная способность к созданию сложных культур, передовых технологий, изобразительного искусства, что позволило пересекать открытые воды и распространиться по всем регионам нашей планеты (рис. 4). У неандертальцев также был крупный мозг, и они жили группами (рис. 4). Они также использовали орудия труда, однако за пару сотен тысяч лет существования неандертальцев, их «каменные индустрии» претерпели крайне слабую эволюцию. Генетические различия между Homo sapiens и нашими ближайшими вымершими родственниками были неизвестны до тех пор, пока фундаментальная работа Паабо не обнаружила их. Целью исследований, проводимых в настоящее время, является анализ функциональных следствий этих различий для того, чтобы объяснить, что выделяет нас в ряду наших древних родственников.

Рисунок 4

Фундаментальная работа Паабо объясняет, что делает нас уникальными среди других, уже исчезнувших видов людей.

Ключевые публикации

Krings M, Stone A, Schmitz RW, Krainitzki H, Stoneking M, Pääbo S. Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans. Cell. 1997:90:19-30.
Green RE, Krause J, Briggs AW, Maricic T, Stenzel U, Kircher M, Patterson N, Li H, Zhai W, Fritz MH, Hansen NF, Durand EY, Malaspinas AS, Jensen JD, MarquesBonet T, Alkan C, Prüfer K, Meyer M, Burbano HA, Good JM, Schultz R, AximuPetri A, Butthof A, Höber B, Höffner B, Siegemund M, Weihmann A, Nusbaum C, Lander ES, Russ C, Novod N, Affourtit J, Egholm M, Verna C, Rudan P, Brajkovic D, Kucan Ž, Gušic I, Doronichev VB, Golovanova LV, Lalueza-Fox C, de la Rasilla M, Fortea J, Rosas A, Schmitz RW, Johnson PLF, Eichler EE, Falush D, Birney E, Mullikin JC, Slatkin M, Nielsen R, Kelso J, Lachmann M, Reich D, Pääbo S. A draft sequence of the Neandertal genome. Science. 2010:328:710-722
Krause J, Fu Q, Good JM, Viola B, Shunkov MV, Derevianko AP, Pääbo S. The complete mitochondrial DNA genome of an unknown hominin from southern Siberia. Nature. 2010:464:894-897.
Reich D, Green RE, Kircher M, Krause J, Patterson N, Durand EY, Viola B, Briggs AW, Stenzel U, Johnson PL, Maricic T, Good JM, Marques-Bonet T, Alkan C, Fu Q, Mallick S, Li H, Meyer M, Eichler EE, Stoneking M, Richards M, Talamo S, Shunkov MV, Derevianko AP, Hublin JJ, Kelso J, Slatkin M, Pääbo S. Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia. Nature. 2010:468:1053-1060.
Meyer M, Kircher M, Gansauge MT, Li H, Racimo F, Mallick S, Schraiber JG, Jay F, Prüfer K, de Filippo C, Sudmant PH, Alkan C, Fu Q, Do R, Rohland N, Tandon A, Siebauer M, Green RE, Bryc K, Briggs AW, Stenzel U, Dabney J, Shendure J, Kitzman J, Hammer MF, Shunkov MV, Derevianko AP, Patterson N, Andrés AM, Eichler EE, Slatkin M, Reich D, Kelso J, Pääbo S. A high-coverage genome sequence from an archaic Denisovan individual. Science. 2012:338:222-226
Prüfer K, Racimo F, Patterson N, Jay F, Sankararaman S, Sawyer S, Heinze A, Renaud G, Sudmant PH, de Filippo C, Li H, Mallick S, Dannemann M, Fu Q, Kircher M, Kuhlwilm M, Lachmann M, Meyer M, Ongyerth M, Siebauer M, Theunert C, Tandon A, Moorjani P, Pickrell J, Mullikin JC, Vohr SH, Green RE, Hellmann I, Johnson PL, Blanche H, Cann H, Kitzman JO, Shendure J, Eichler EE, Lein ES, Bakken TE, Golovanova LV, Doronichev VB, Shunkov MV, Derevianko AP, Viola B, Slatkin M, Reich D, Kelso J, Pääbo S. The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains. Nature. 2014:505: 43-49.