Сванте Паабо

ДНК неандертальця. За що дали Нобеля-2022 з фізіології

3 жовтня 2022 року Нобелівський комітет присудив Нобелівську премію 2022 року в галузі фізіології або медицини шведськму вченому Сванте Паабо за відкриття в області геномів вимерлих гомініні та еволюції людини.

WAS переклав прес-реліз Нобелівського комітету, присвячений досягненням лауреата.

Людство завжди цікавилося власними витоками. Звідки ми походимо і як споріднені з нашими пращурами? Що відрізняє нас, Homo sapiens, від інших гомініні?

Своїми новаторськими дослідженнями Сванте Паабо здійснив, здавалося б, неможливе: секвенував геном неандертальця, вимерлого родича сучасної людини. Також йому належить сенсаційне відкриття раніше невідомого гомініні, Денисівської людини. Що важливо, Паабо також виявив передачу генів від цих нині вимерлих гомініні до Homo sapiens після міграції з Африки близько 70 тисяч років тому. Цей давній генетичний потік до сучасних людей на сьогодні має фізіологічне значення: наприклад, впливає на реакцію нашої імунної системи на інфекції.

Плідні дослідження Паабо породили цілковито нову наукову дисципліну — палеогеноміку. Виявляючи генетичні відмінності усіх сьогоднішніх людей від вимерлих гомініні, його відкриття служать основою дослідження нашої людської унікальності.

Звідки ми походимо?

Питання наших витоків та унікальності цікавило людство з давніх часів. Палеонтологія й археологія мають важливе значення для вивчення людської еволюції. Дослідження надали докази того, що анатомічно сучасна людина, Homo sapiens, вперше з’явилася в Африці приблизно 300 тисяч років тому, а наші найближчі відомі родичі, неандертальці, розвинулися за межами Африки й населяли Європу та Західну Азію приблизно від 400 до 30 тисяч років тому, коли вони й вимерли. Приблизно 70 тисяч років тому групи Homo sapiens мігрували з Африки на Близький Схід, звідки поширилися рештою світу. Таким чином, Homo sapiens та Неандертальці десятки тисяч років співіснували на великій частині території Євразії. Але що ми знаємо про свою спорідненість із вимерлими неандертальцями? Підказки потрібно було отримати з генетичної інформації. Наприкінці 1990-х людський геном було секвеновано майже повністю. Це суттєве досягнення уможливило подальше вивчення генетичної спорідненості різних людських популяцій. Однак вивчення спорідненості сучасних людей та вимерлих неандертальців потребувало секвенування ДНК, отриманого з давніх особин.

Здавалося б, неможливе завдання

Ще на початку своєї кар’єри Сванте Паабо захопився можливістю використання сучасних генетичних методів для вивчення ДНК неандертальців. Однак дуже скоро він зіткнувся з надзвичайними технічними труднощами, оскільки ДНК з часом змінює хімічний склад і деградує, розпадаючись на дрібні фрагменти. За тисячі років від ДНК зберігаються тільки рештки, та й ті суттєво забруднені ДНК бактерій та сучасних людей (іл.1). Працюючи як докторант із Алланом Вілсоном, провідним дослідником в області еволюційної біології, Паабо почав розробляти методи вивчення ДНК неандертальців і займався цим декілька десятиліть.

Іл 1. ДНК міститься у двох різних відділах клітини. Ядерна ДНК зберігає більшість генетичної інформації, проте значно менший мітохондріальний геном наявний у тисячах копій. Після смерті ДНК з часом деградує і зрештою лишається лише у невеликій кількості. Також вона забруднюється іншими ДНК, наприклад, бактерій та сучасних людей. Джерело: Nobel Prize Outreach AB 2022

У 1990 році Паабо запросили до Мюнхенського університету, де він, як новопризначений професор, продовжив свою роботу над давньою ДНК. Він вирішив аналізувати ДНК з неандертальських мітохондрій — клітинних органел, що містять власну ДНК. Мітохондріальний геном є дрібним та містить лише незначну частку генетичної інформації клітини, але наявний у тисячах копій, що збільшує шанси на успіх. Завдяки відпрацьованим методам Паабо зумів секвенувати ділянку мітохондріальної ДНК із фрагменту кістки віком у 40 тисяч років. Таким чином ми вперше отримали доступ до послідовності ДНК вимерлого родича. Порівняння з сучасними людьми та шимпанзе показали, що неандертальці були генетично відмінними.

Секвенування генома неандертальця

Оскільки аналіз невеликого мітохондріального генома надавав лише обмежену інформацію, Паабо взявся за надскладне завдання з секвенування ядерного генома неандертальця. На той момент йому запропонували заснувати Інститут імені Макса Планка у німецькому Ляйпцігу. У новому інституті Паабо та його команда поступово вдосконалювали методи виділення й аналізу ДНК з давніх решток кісток. Дослідницька команда використовувала нові технічні досягнення, що уможливили високу ефективність секвенування ДНК. Паабо також залучив кількох критично важливих співробітників, що спеціалізувались на популяційній генетиці та поглибленому аналізі послідовностей. Зусилля його виявилися успішними. Паабо досягнув, здавалося, неможливої мети й 2010 року зумів опублікувати першу генетичну послідовність неандертальця. Порівняльний аналіз показав, що найпізніший спільний пращур неандертальців і Homo sapiens жив приблизно 800 тисяч років тому.

Іл. 2. A. Паабо видобув ДНК зі зразків кістки вимерлих гомініні. Спершу він отримав фрагмент кістки з Неандерталя у Німеччині — місця, що дало назву неандертальцям. Пізніше він використовував кістку пальця з Денисової печери у південному Сибіру — місця, що дало назву Денисівській людині. Б. Філогенетичне дерево, що демонструє еволюцію та спорідненість Homo sapiens і вимерлих гомініні. Філогенетичне дерево також ілюструє відкритий Паабо генетичний потік. Джерело: Nobel Prize Outreach AB 2022

Тепер Паабо та його колеги могли дослідити спорідненість неандертальців та сучасних людей із різних частин світу. Порівняльний аналіз показав, що послідовності ДНК неандертальців були більше схожі на послідовності сучасних людей європейського чи азійського походження, ніж сучасних людей африканського походження. Це означає, що неандертальці та Homo sapiens схрещувалися впродовж тисячоліть співіснування. Від 1 до 4 відсотків генома сучасних людей європейського чи азійського походження походить від неандертальців (іл. 2).

Сенсаційне відкриття: Денисівська людина

У 2008 році у Денисовій печері в південній частині Сибіру було знайдено фрагмент кістки пальця віком у 40 тис. років. Кістка містила надзвичайно добре збережену ДНК, яку команда Паабо секвенувала. Результати стали сенсаційними: послідовність ДНК була унікальною порівняно з усіма відомими послідовностями неандертальців та сучасних людей. Паабо відкрив раніше невідомого гомініні, якого назвали Денисівською людиною. Порівняння з послідовностями сучасних людей із різних частин світу показали наявність генетичного потоку між Денисівською людиною та Homo sapiens. Цю спорідненість вперше виявили у населення Меланезії та інших регіонів Південно-Східної Азії, де жителі мають до 6% ДНК Денисівської людини.

Відкриття Паабо забезпечили нове розуміння нашої еволюційної історії. У часи, коли Homo sapiens мігрували з Африки, Євразію населяли щонайменше дві вимерлі популяції гомініні. Неандертальці жили у західній Євразії, а Денисівська людина населяла східні регіони континенту. Під час поширення Homo sapiens за межі Африки та їхньої міграції на схід вони зустрічалися та схрещувалися не лише з неандертальцями, але і з Денисівцями (іл. 3).

Палеогеноміка та її значення

Завдяки своїм революційним дослідженням Сванте Паабо поклав початок цілковито новій науковій дисципліні — палеогеноміці. Після початкових відкриттів його група завершила аналіз кількох додаткових послідовностей генома вимерлих гомініні. Відкриття Паабо забезпечили унікальний ресурс, широко використовуваний науковою спільнотою для кращого розуміння людської еволюції та міграції. Нові ефективні методи аналізу послідовностей вказують, що давні гомініні могли також змішуватися з Homo sapiens в Африці. Втім, жоден геном вимерлих гомініні з Африки секвенувати досі не вдалося через прискорену деградацію давньої ДНК у тропічному кліматі.

Завдяки відкриттям Сванте Паабо ми тепер розуміємо, що давні генетичні послідовності наших вимерлих родичів впливають на фізіологію сучасної людини. Одним із прикладів є версія гену EPAS1 Денисівської людини, що надає перевагу для виживання на висоті і властива сучасним тибетцям. Інші приклади — неандертальські гени, що впливають на реакцію імунної системи на різні види інфекцій.

Іл. 3. Відкриття Паабо надали важливу інформацію про заселення світу в часи, коли Homo sapiens мігрували з Африки та поширилися рештою світу. Неандертальці жили на заході, а денисівці — на сході Євразійського континенту. Схрещування відбувалося, коли Homo sapiens ширилися континентом, лишаючи сліди, що їх можна знайти у нашій ДНК. Джерело: Nobel Prize Outreach AB 2022

У чому полягає наша людська унікальність?

Homo sapiens властива унікальна здатність створювати складні культури, розвинені винаходи та фігуративне мистецтво, а також можливість перетинати відкриту воду та ширитися всіма регіонами нашої планети (іл. 4). Неандертальці теж жили групами і мали великий мозок (іл. 4). Вони також використовували інструменти, які, втім, дуже мало вдосконалювалися впродовж сотень тисяч років. Генетичні відмінності між Homo sapiens і нашими найближчими вимерлими родичами були невідомі до їхнього визначення завдяки плідній роботі Паабо. Сьогоднішні активні дослідження зосереджуються на аналізі функціональних наслідків цих відмінностей, кінцевою метою якого є пояснення того, в чому полягає наша людська унікальність.

Іл. 4. Плідна праця Паабо служить основою пояснення нашої людської унікальності. Іл. 4. Плідна праця Паабо служить основою пояснення нашої людської унікальності. Джерело: Nobel Prize Outreach AB 2022

Сванте Паабо народився 1955 року у Стокгольмі, Швеція. Захистив докторську дисерацію в Уппсальському університеті 1986 року і був постдокторантом Цюрихського університету в Швейцарії, а пізніше — Каліфорнійського університету в Берклі у США. 1990 року став професором Мюнхенського університету в Німеччині. У 1999 році заснував Інститут еволюційної антропології ім. Макса Планка у німецькому Ляйпцігу, де досі займається активною діяльністю. Також обіймає посаду ад’юнкт-професора в Окінавському інституті науки й технології в Японії.

Поділися історією

Facebook Telegram Twitter