Генетическая одиссея человека

Уэллс Спенсер

Под давлением

Питер Андерхилл начал свою научную карьеру с изучения морской биологии в Калифорнии в конце 1960-х, получив в итоге докторскую степень в 1981 году в Делавэрском университете. Затем он вернулся в Калифорнию и окунулся с головой в только что возникшую область биотехнологии, занимавшуюся такими вещами, как проектирование новых ферментов для молекулярно-биологических исследований. Но самое главное, он увлекся новыми технологиями, которые тогда разрабатывались генетиками в ошеломляющем количестве. Это было бурное время для молодой биотехнологической отрасли, и эпицентр революции, которую предвещала технология получения рекомбинантной ДНК, находился неподалеку от Сан-Франциско. Вырезание и сшивание генов стало биологическим аналогом развивающейся в Кремниевой долине и окрестных городках компьютерной индустрии.

В 1991 году, устав от мира коммерции, Питер Андерхилл подал заявление на

должность научного сотрудника лаборатории Луки Кавалли-Сфорцы в Стэнфордском университете. После того как он убедил Луку в том, что сможет вписаться в его сплоченный и дружный коллектив, он был принят. Свою деятельность в лаборатории Питер начал с секвенирования мтДНК, но вскоре его заинтересовала Y-хромосома. О работе в лаборатории Кавалли-Сфорцы в то время можно было только мечтать, это был поистине передовой край науки. Я считаю себя счастливчиком, что работал там после защиты докторской диссертации. Новые методы статистического и генетического анализа разрабатывались почти каждую неделю, и интеллектуальный климат был безупречен. Почти все крупные фигуры популяционной генетики человека в 1990-х годах работали какое-то время в Стэнфорде — среди них были и студенты, и доктора наук, такие как Дэвид Гольдштейн, Марк Сейелстад и Ли Цзинь, которых мы еще встретим в этой книге. Но на нашу историю повлиял, как ни странно, один химик-аналитик. И чтобы объяснить, почему, мы должны узнать немного больше о молекуле, которая образует наш геном.

Один из основных методов исследования в техническом арсенале генетиков — разделение фрагментов ДНК по размеру. Подобно белкам, молекула ДНК является линейной цепочкой, состоящей из блоков, называемых нуклеотидными основаниями. Генетическая информация кодируется в последовательности оснований, составляющих ДНК подобно тому, как аминокислоты образуют белки. Однако в отличие от белков ДНК имеет только четыре строительных блока, которые называются нуклеотидными основаниями: аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г) и тимин (Т). Информация, которую они кодируют — инструкция по созданию вас — содержится в определенной последовательности этих четырех видов нуклеотидов. Подобно тому, как азбукой Морзе можно передать огромный объем информации с помощью точек и тире, так и ДНК кодирует биологические характеристики организма с помощью этих четырех нуклеотидов. А если работать с последовательностью из 3 млрд нуклеотидов, получается огромное количество информации.

Методы разделения смеси молекул на основе их размерамогут быть использованы для установления последовательностинуклеотидов в молекуле ДНК. Это возможно благодаря биохимическим технологиям, с помощью которых можно получать фрагменты ДНК определенной длины. После того как эти фрагменты получены, они могут быть разделены при их прохождении через желеобразное вещество (гель) под действием электрического поля. Так как ДНК заряжена отрицательно, фрагменты мигрируют к положительно заряженному концу геля — на молекулярном уровне противоположности действительно притягиваются. Интересно, что, проходя через гель, фрагменты замедляют свое движение, потому что они должны пройти через лабиринт крошечных каналов, находящихся в геле. То, насколько замедляется их движение, зависит от их длины — длинные молекулы отстают в большей степени, чем короткие, так как им необходимо протиснуть через эти каналы в геле большее количество вещества. Все это кажется очень сложным в теории, но прекрасно работает на практике. Этот метод, известный как секвенирование, лежит в основе почти всех важных генетических открытий, сделанных за последние тридцать лет. Секвенирование генома человека, например, включало в себя применение этого метода десятки миллионов раз — не слишком-то увлекательное, но зато эффективное занятие.

Одна из проблем секвенирования состоит в том, что это довольно медленный процесс, и биохимические реакции, которые позволяют определить последовательность нуклеотидов изучаемой вами ДНК, могут быть очень дорогими. По этой причине генетики пытаются использовать более быстрые и дешевые методы для изучения последовательностей ДНК, часто путем поиска различий между ДНК изучаемого индивидуума и той ДНК, последовательность которой уже была определена трудоемкими биохимическими и электрофоретическими методами. Различия между последовательностями ДНК — это наши полиморфизмы, и они предопределяют индивидуальную восприимчивость к болезням, цвет волос (если вы не меняли его) и все другие наследственные различия между людьми. Но большинство из них не оказывают никакого влияния на их носителя — это переданный по наследству багаж, маркер вашей родословной. Эти маркеры представляют наибольший интерес для антропологов и историков.

Питер Эфнер, химик-аналитик, австриец по происхождению, в 1990-х годах проводил в Стэнфордском университете исследования по разделению молекул ДНК с помощью метода, называемого

высокоэффективной жидкостной хроматографией (сокращенно — ВЭЖХ). В частности, он пытался разработать метод определения последовательности ДНК с использованием ВЭЖХ, что позволило бы разделять молекулы намного быстрее, чем в геле. Презентацию его метода на семинаре в отделе генетики увидел Питер Андерхилл. Андерхилл сразу же понял применимость этого метода к задаче нахождения полиморфизмов Y-хромосомы и подошел к Эфнеру с предложением о сотрудничестве. Вскоре они уже исступленно работали вместе, на полтора года забыв о выходных.

Партнерство двух Питеров привело в конечном итоге к созданию метода, известного как денатурирующая ВЭЖХ, или сокращенно дВЭЖХ. Он основан на замечательном свойстве молекул ДНК: они являются двухцепочечными, их парные цепи удерживаются вместе силой взаимного притяжения между составляющими их нуклеотидными основаниями. В мире ДНК аденин всегда образует пару с тимином, цитозин с гуанином благодаря природе их молекулярной структуры. Это означает, что если вы знаете последовательность нуклеотидов в одной из цепей, то автоматически знаете ее и в другой. Такая структура молекулы ДНК имеет два преимущества. Во-первых, она стабилизирует молекулу ДНК, делая ее менее восприимчивой к разрушению под действием ферментов и факторов окружающей среды. ДНК была выделена из костей возрастом 50 000 лет, тогда как ее одноцепочечный эквивалент, также содержащийся в наших клетках и известный как РНК, слишком неустойчив, чтобы сохраняться так долго. А во-вторых, такая структура предоставляет возможность восстановить информацию, содержащуюся в нуклеотидной последовательности ДНК. Если изменение (то есть мутация) произойдет в одной цепи молекулы ДНК, то соответствующий нуклеотид во второй цепи больше не будет образовывать с ним идеальную пару. В этой точке образуется небольшая петля из-за несоответствующих друг другу пар оснований. Эти петли легко обнаруживаются корректирующим аппаратом клетки, и поломка устраняется.

Метод дВЭЖХ использует невероятно чувствительную технологию разделения ВЭЖХ как заменитель корректирующего аппарата клетки. При этом несоответствующие друг другу цепи ДНК перемещаются через специальную матрицу, что замедляет их движение, но не из-за различий в их длине, а вследствие особенностей их структуры. Если в цепочке ДНК есть петля, то ее движение меняется, и несовпадающие фрагменты могут быть обнаружены по различной картине миграции. Это позволяет быстро и дешево сканировать весь фрагмент ДНК длиной в сотни нуклеотидов для поиска различий между ним и фрагментом ДНК с известной последовательностью. Это — фантастическая экономия времени и существенный скачок вперед в нашей способности секвенировать гены.

Применение этого метода в медицинских целях представляется очевидным, и он был использован для установления генетических мутаций, лежащих в основе некоторых заболеваний человека. Но чем он может помочь в изучении древних миграций? А тем, что, применяя эту технику к одному и тому же участку ДНК у многих людей, мы можем обнаружить генетические различия между ними. Это позволяет нам быстро и эффективно исследовать уровень генетического разнообразия нашего вида, предоставляя для изучения множество полиморфизмов. До разработки этого метода в Y-хромосоме было обнаружено не более дюжины полиморфизмов. По последним подсчетам их уже около 400, и это число продолжает расти еженедельно. Если бы Роб Дорит и его коллеги имели возможность проводить свои исследования разнообразия Y-хромосомы с помощью дВЭЖХ, они могли бы обнаружить ее вариабельность. Как это часто происходит в науке, технология открывает новые способы разгадки старых загадок, давая зачастую поразительные ответы.

Адам запаздывает

Очевидно, что сразу же возникает вопрос: «Действительно ли большое количество полиморфизмов Y-хромосомы указывает на африканское происхождение современного человека?» Ответ на него — «Да, несомненно», и результаты научного исследования, опубликованные Питерами и еще девятнадцатью соавторами (включая и меня) в научном журнале Nature Geneticsв ноябре 2000 года, свидетельствует об этом коротко и ясно. Выборка мужчин из множества популяций с каждого континента изучалась с помощью недавно найденного клада из полиморфизмов Y-хромосомы. На основе изменчивости последовательностей ДНК с помощью методов, использованных ранее при исследовании мтДНК, было построено дерево. Оно показало, что самое древнее расщепление в родословной Y-хромосомы произошло в Африке. Иными словами, корень мужского родового дерева находится в Африке. И это точно такой же ответ, какой дала нам мтДНК для женщин. Но настоящим потрясением был возраст нашего древнейшего общего предка по мужской линии. Этот человек, от которого в конечном итоге получили Y-хромосому все живущие сегодня мужчины, жил 59 000 лет назад. Более чем на 80 000 лет позже, чем, по подобным оценкам, жила Ева! Получается, Адам и Ева так и не встретились?