Неандерталец. В поисках исчезнувших геномов

Пэабо Сванте

Лаборатория Колд-Спринг на Лонг-Айленде в Нью-Йорке – это мекка для молекулярных биологов. Там организуются многочисленные встречи и конференции, и не последним среди них является ежегодный симпозиум по численным методам в биологии. После публикации моей статьи в Nature [6] меня пригласили на этот симпозиум, там я впервые сделал доклад по своей работе о ДНК мумий. Одно это было бы для меня из ряда вон выходящим событием, но нет, мало того, на симпозиуме присутствовали люди, которых я знал только по их публикациям, и сам Алан Уилсон, и Кэри Муллис, который на той же сессии, что и я, представил и описал полимеразную цепную реакцию. ПЦР оказалась настоящим методологическим прорывом, сразу отправившим на склад истории громоздкую методику клонирования ДНК в бактериях. Мне сразу стало совершенно очевидно, что для изучения древних ДНК я прекрасно смогу воспользоваться новыми методами. По сути, ПЦР позволяла выделять и размножать необходимые сегменты ДНК, даже если их сохранилось совсем немного. Сам Кэри в конце своего доклада, отсылая слушателей к моей работе, отметил, что ПЦР – идеальный инструмент для изучения мумий. Я дождаться не мог, когда же можно будет это попробовать!

6

S. P"a"abo. Molecular cloning of ancient Egyptian mummy DNA. Nature 314, 644–645 (1985).

На

том симпозиуме произошло еще одно волнующее событие: впервые на повестке дня стоял вопрос об общем финансировании и скоординированной работе по прочтению полного человеческого генома. И хотя я чувствовал себя совершеннейшим новичком, каким, по сути, и являлся, все равно было удивительно присутствовать при “взрослых” разговорах, где большие дяди и тети обсуждали миллионы долларов, тысячи машин, новейшие технологии, которые могут понадобиться для решения столь грандиозной задачи. В оживленных спорах какой-нибудь маститый ученый объявлял проект технически невыполнимым, потенциально бесполезным, пустой тратой денег, так нужных небольшим группам с одним устоявшимся лидером. Все это будоражило мое воображение; я хотел быть частью приключения под названием “геном”.

Алан Уилсон являл собой воплощение декана из Беркли, каким я его себе и представлял: скромный, с тихой и неспешной речью, совсем не как верховодившие на симпозиуме ученые мужи, подогреваемые тестостероновыми эмоциями. Длинноволосый новозеландец, он с теплой доброжелательностью помог мне освоиться, посоветовал следовать велению души и заниматься тем, что мне самому кажется наиболее перспективным. Встреча с ним расставила все по местам, и я принял решение: сказал, что еду в Беркли.

Тут возникла некоторая загвоздка. Так как приехать в “мою” лабораторию Алан по понятным причинам не мог, то он распланировал для себя следующий год в двух лабораториях Англии и Шотландии. Для меня это означало, что и я должен где-то переждать, пока Алан вернется. Пока я писал диссертацию, некоторое время провел в Цюрихе, в лаборатории Вальтера Шаффнера. Это признанный молекулярный биолог, открывший “энхансеры”, ключевые элементы ДНК, участвующие в регуляции экспрессии генов. Вальтер всегда с энтузиазмом кидался на всякие неортодоксальные идеи и проекты и теперь пригласил меня на год к себе в лабораторию со всеми моими древностями. Особенно его интересовал вымерший сумчатый волк из Австралии, тилацин. А ну-ка, попробуй клонировать его ДНК из музейного экспоната! Я согласился и переехал в Цюрих, как только разделался с защитой диссертации.

А в это время в Берлине происходили события другого рода. Я надеялся, что после публикации статьи в Nature раздобыть дополнительные образцы из Восточной Германии станет проще и я смогу выделить больше клонов и исследовать гены позанимательнее скучных Alu повторов. Так что, отправив Ростислава в Берлин через несколько месяцев после публикации, чтобы он выправил мне документы на тестирование, затруднений я не ждал. Однако вернулся он с тревожными вестями. Ни один из его музейных друзей не нашел минутки с ним повидаться, напротив, все они, казалось, избегали его. В конце концов ему удалось отловить одного из них на выходе из музея. Оказалось, что после публикации в музей явилась Штази, внушающая ужас секретная полиция Восточной Германии. Каждого работника музея по очереди вызывали в отдельную комнату и допрашивали о связях со мной и Ростиславом. Штази совершенно не интересовало, что еще до публикации в Nature первые результаты работы вышли непосредственно в Восточной Германии и что я неоднократно ссылаюсь на них в статье из Nature. Они внушали музейным работникам, что Университет Упсалы широко известен как центр антисоциалистической пропаганды. И как бы абсурдно ни звучала подобная характеристика старейшего университета Швеции, ни один здравомыслящий немец из Восточной Германии не согласился бы иметь с нами дело, получив предупреждение от Штази.

Бесплодная борьба с тоталитарной системой приводила меня в уныние. В моих фантазиях две враждующие политические системы уже начинали договариваться, вести диалог – могут же работать вместе ученые из разных систем, – и я даже надеялся поспособствовать хоть немного этому процессу. Я еще не знал, какую роль будет играть Восточная Германия в моей жизни, но в тот момент ни о каких образцах, ни о каком сотрудничестве даже речи не могло быть.

В Цюрихе я принялся за работу. Мне предстояло выделить ДНК из немногих оставшихся образцов мумий и из музейных экземпляров сумчатого волка. При всем моем энтузиазме проводить ПЦР по методикам Кэри было отнюдь не развлечением. Сначала требовалось нагреть ДНК до 98 ^оС на водяной бане, чтобы разделить цепочки спирали, потом охладить до 55 ^оС, чтобы присоединились праймеры, потом добавить термочувствительные ферменты и всё вместе выдерживать при 37 ^оС, тоже на водяной бане, тогда образовывались новые цепочки. Каждый эксперимент, и так-то трудоемкий, требовал тридцати повторений. Я проводил час за часом, сидя перед водяными банями, растрачивая понапрасну дорогостоящие ферменты, пытаясь размножить фрагменты ДНК. Иногда мне удавалось извлечь невнятный продукт современной ДНК, но с древними ДНК из мумий и тилацина ничего не получалось. Мне удалось добиться некоторого успеха, работая на электронном микроскопе: я показал, что сохранившиеся молекулы ДНК тилацина и мумии представляют собой сравнительно короткие отрезки. Некоторые молекулы ДНК даже соединились друг с другом вследствие химических реакций, а это, понятно, создало бы трудности, начни я проводить с ними ПЦР или размножать их в бактериях. На самом деле этот последний факт меня не удивил: я уже встречался с чем-то подобным в 1985 году, когда работал в Хартфордшире, в лаборатории Томаса Линдаля [7] . Томас родом из Швеции, он мировой эксперт по химическим повреждениям ДНК и репарационным системам, призванным эти повреждения ремонтировать. Работая под его руководством, мне удалось установить, каким формам повреждений подверглась древняя ДНК. И те мои исследования, и новые, цюрихские, вместе представляли добротную описательную науку, но ни на йоту не приближали меня к вожделенной цели: получить цепочку ДНК из давно исчезнувших организмов. Месяцы были потрачены на пробирки – ну и на альпийские горные склоны, – но результат так и не появился. Поэтому весной 1987 года я с превеликим облегчением переехал в Беркли, в лабораторию биохимии, куда к тому времени вернулся Алан Уилсон.

7

Томас Линдаль, род. 1938, – шведско-британский биохимик, в 2015 году получил Нобелевскую премии по биологии и медицине за исследование механизмов репарации ДНК. (Прим. перев.)

В Беркли я очень скоро осознал, что оказался в нужном месте в нужное время. Кэри Муллис именно здесь оканчивал университет, а после поступил на работу к югу по побережью, в корпорацию “Цетус” (Cetus Corporation),

где и изобрел ПЦР. Там же работали еще несколько выпускников Алана. Получалось, что, пока я в одиночку сражался с методиками ПЦР в Цюрихе, здесь на результат работала целая армия и сильно эти методики улучшила. В “Цетусе” клонировали и выделили вариант ДНК-полимеразы (фермента для размножения нуклеотидных цепочек ДНК при ПЦР) из термофильных бактерий. Так как этот бактериальный фермент выдерживал высокие температуры, отпадала надобность открывать пробирки и добавлять фермент при каждом следующем цикле ПЦР. Это означало, что весь процесс можно автоматизировать. Один аспирант даже придумал устройство, в котором три большие водяные бани с помощью компьютера поочередно подавали воду в другую, небольшую водяную баню. Это позволило проводить ПЦР в автоматическом режиме. Теперь я мог запустить реакцию и отправиться вечером домой. Правда, рано мы обрадовались послаблению: в какой-то момент устройство не сработало, и нужный клапан не закрылся, в лаборатории случилось великое наводнение, и нам пришлось возобновить вечерние бдения. Наше ненадежное нововведение вскорости заменила первая ПЦР-машина, или термоамплификатор, изобретенный в стенах “Цетуса”. Состоял термоамплификатор из металлического ящика с отверстиями для трубок; он нагревал и охлаждал наши образцы до любой требуемой температуры столько раз, сколько было нужно, и все это контролировалось компьютером. Помню, с каким благоговейным трепетом мы смотрели, как вкатили термоамплификатор в лабораторию. Я прямо накинулся на него, зарезервировал столько циклов амплификации, сколько позволяли приличия.

Вымершая зебра квагга, два отрезка мтДНК которой клонировал Рассел Хигучи, стала, так сказать, первым подопытным кроликом. Сам Рассел из лаборатории Алана ушел работать в “Цетус”, но его квагга осталась. Я выделил ДНК из частичек кожи квагги и, благо праймеры от клонирования еще остались, запустил ПЦР в новой машине. И сработало! Я получил отличные фрагменты ДНК и выстроил их в последовательность, которая оказалась чрезвычайно похожей на ту, что получил Рассел, работая с клонами в бактериях. С новой машиной я мог повторять процесс и проверять результат снова и снова. Клонирование в бактериях в этом смысле было малоэффективным и почти не давало возможности проверки, так как не удавалось предсказать, какой отрезок ДНК окажется воспроизведен. Полученная из квагги последовательность, хотя и очень похожая на Расселову, все же по двум позициям отличалась. Это, скорее всего, произошло из-за молекулярных повреждений, которые, в свою очередь, умножились в ходе бактериальной репликации. В новых условиях я мог проверить конкретную последовательность много раз, чтобы получить единообразный, предсказуемый результат. Вот она, суть научного эксперимента: предсказуемость и воспроизводимость результата.

В соавторстве с Аланом я опубликовал данные по работе с кваггой в журнале Nature [8] . Было ясно, что эра массовых исследований древних ДНК не за горами. Вымершие животные, викинги, римляне, фараоны и неандертальцы – все они скоро станут предметом приложения мощных методов молекулярной биологии. Правда, произойдет это не быстро. (В конце концов, нужно же уступать кое-какое время на ПЦР-оборудовании товарищам по лаборатории.) Алана в числе прочего интересовала эволюция человека. Незадолго до того он в соавторстве с Марком Стоункингом и Ребеккой Канн опубликовал одну спорную статью в Nature [9] . В ней сравнивалась мтДНК представителей всех рас. Алан применил трудоемкий анализ с использованием ферментов, разрезающих молекулу ДНК в определенных местах известного участка последовательности. В результате ему удалось проследить маршрут мтДНК до общего предка человечества, жившего в Африке 100–200 тысяч лет назад. Теперь мы могли расширить это исследование на гораздо большем количестве материала. Этим у нас в лаборатории занималась молодая студентка Линда Виджилант, которая каждое утро прикатывала к институту на своем мотоцикле. Ее озорное обаяние я тогда краем глаза замечал, но прежде всего видел в ней соперницу, претендентку на драгоценное “машинное время”. Знать бы тогда, что спустя годы в другой стране мы поженимся и вырастим детей.

8

S. P"a"abo and A.C. Wilson. Polymerase chain reaction reveals cloning artefacts. Nature 334, 387–388 (1988).

9

R.L. Cann, Mark Stoneking, and A.C. Wilson. Mitochondrial DNA and human evolution. Nature 325, 31–36 (1987).

На тот момент реконструкция эволюции человека с помощью генетической информации ограничивалась выявлением разницы в нуклеотидных последовательностях ныне живущих людей; ориентируясь на эту разницу, ученые отслеживали миграционные пути народов. Заключения делались с помощью моделирования. В основе моделей лежали гипотезы о процессе накопления изменений в генетических последовательностях и о том, как они передаются из поколения в поколение, но в силу технических ограничений эти модели были сверхупрощенным отражением событий прошлого. Согласно, например, одному из допущений, каждый индивид имел возможность произвести потомство с любым индивидом противоположного пола. Также допускалось, что каждая когорта оставляла потомство независимо от других когорт и они не смешивались друг с другом, а уровень выживаемости полагался одинаковым для всех. Иногда мне казалось, что рассуждения слишком уж поверхностные и это не наука, а какие-то выдумки. Если бы удалось подсмотреть генетическую вариабельность давнишних поколений, то можно было бы, как я любил повторять, “поймать эволюцию за хвост”; я представлял себе, что для этого придется исследовать последовательности ДНК древних индивидуумов, а потом наложить полученные последовательности из древних ДНК на данные по современным людям, которые получила Линда.

Идея, конечно, дерзкая, и я решил, что надо быть поскромнее и выбрать образцы, отстоящие друг от друга не на тысячи лет. В Музее зоологии позвоночных в Беркли как раз размещалась гигантская коллекция мелких млекопитающих, которую насобирали биологи-натуралисты за последнюю сотню лет. Туда я и отправился изучать популяцию кенгуровых крыс, названных так за способность прыгать на необычайно длинных задних ногах. Мне помогали Фрэнсис Вильябланка, аспирант из музея, и молодой специалист Келли Томас из нашей лаборатории (см. рис. 3.1). Кенгуровые крысы во множестве водятся в пустыне Мохаве на границе между Невадой, Ютой, Калифорнией и Аризоной. На них с превеликим удовольствием охотятся гремучие змеи. Я выделил и секвенировал мтДНК из кусочков кожи нескольких крыс, помещенных в музей в 1911 году, в 1917- м и в 1937- м. Мы с Фрэнсисом и Келли раздобыли старые полевые дневники и карты натуралистов и по их следам предприняли несколько путешествий в Мохаве, расставляя ловушки точно в отмеченных местах. Мы ехали по пустыне, открыв старинные карты, читая и узнавая в дневниках описания мест, по которым ходили наши предшественники семьдесят и сорок лет назад. Садилось солнце, мы искали места для ловушек среди метелок шалфея и зарослей юкки. Мы спали прямо под огромным звездным куполом неба, тишину нарушал только редкий стук захлопывающейся ловушки – так я вдруг получил чудесный перерыв в нескончаемой гонке городской жизни.