Путешествие наших генов

Краузе Йоханнес

Миллиард в день

Концепция ДНК как строительного чертежа жизни известна уже более сотни лет. В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, благодаря проведенной ранее Розалиндой Франклин работе, узнали структуру ДНК. Через 9 лет Уотсон и Крик получили за это Нобелевскую премию по медицине. Франклин к тому моменту уже скончалась — она прожила всего 37 лет. Именно медицина с тех пор стимулировала исследования ДНК, и в конце концов объявила о проекте по расшифровке генома человека. Важнейшей вехой на пути к расшифровке и прочтению ДНК в 1980-е годы стало развитие полимеразной цепной реакции ^[1] .

1

При полимеразной цепной реакции моделируется процесс, который происходит в нашем теле миллионы раз в день: дупликация генома при строительстве новых клеток тела. В пробирке при этом вводятся в строй такие же энзимы, что и в теле. За несколько часов благодаря постоянному удваиванию из одной молекулы ДНК могут выйти миллиарды молекул. — Здесь и далее примеч. автора, если не указано иное.

Этот процесс лег в основу работы сегодняшних секвенаторов, которые прочитывают последовательности оснований молекулы

ДНК. С 2000-х годов эти устройства существенно развились. Каждый, кто помнит свой старый кнопочный телефон, а сегодня имеет смартфон, может представить, насколько быстро развивалась техника, в том числе та, что используется в области генетики. Несколько чисел помогут понять, в каком направлении мы движемся, когда речь идет о расшифровке ДНК. Геном человека состоит из 3,3 миллиарда пар оснований ^[2] . Чтобы расшифровать информацию о наследственности человека, потребовалось 2003 года (полный геном человека был расшифрован в 2003 году под руководством Джеймса Уотсона), однако даже после окончания проекта «Геном человека» потребовалось еще больше 10 лет, чтобы дополнительно проанализировать некоторые участки ^[3] . Сегодня в нашей лаборатории мы исследуем по миллиарду пар оснований в день. Пропускная способность приборов за последние 12 лет увеличилась в сотни миллионов раз, и сегодня на одной такой машине мы способны декодировать 300 человеческих геномов в день. За 10 лет по всему миру совершенно точно будут расшифрованы геномы миллионов человек. При этом будущее развитие технологий до сих пор почти повсеместно недооценивается. Секвенировать ДНК будет еще быстрее и дешевле, эта возможность станет общедоступной. В среднем исследование генома стоит дешевле, чем большая гемограмма. Легко представить, что для молодых родителей расшифровка генома новорожденного скоро станет рутиной.

2

Этот наследственный материал человек наследует вместе с 23 хромосомами матери и отца. Хромосома, которую дополнительно передает по наследству отец — Y или X, определяет, будет ребенок мальчиком или девочкой.

3

Расшифровку человеческого генома, как огромный пирог, разделили между тысячами лабораторий. Они были настоящими фабриками с дорогостоящими машинами для секвенирования ценой в десятки миллионов долларов. Каждая лаборатория в формате непрерывного вычислительного марафона годами секвенировала миллионы пар оснований (Basenpaare). В конечном итоге результаты работы отдельных лабораторий были сведены воедино, и получилось огромное общее целое.

Секвенирование ДНК предлагает невероятные возможности, по крайней мере в области раннего распознавания генетической предрасположенности к определенным болезням. И потенциал этого метода будет расти ^[4] . Пока медицина расшифровывает геномы ныне живущих людей для лучшего понимания болезней и развития новых методов лечения и лекарственных препаратов, археогенетики используют технологии, развившиеся в сфере генетики человека, чтобы анализировать археологические находки — древние кости, зубы или даже образцы почвы. Это позволяет делать выводы о происхождении давно умерших людей. Для археологии при этом открываются совершенно новые пути. По-новому обстоят дела не только с теориями и интерпретациями. Даже миграционное движение людей на основе генетического анализа можно установить с доселе невиданной точностью. Расшифровка старых ДНК для археологии примерно так же важна, как другая техническая революция, свершившаяся в 50-е годы прошлого века. Тогда метод радиоуглеродного анализа перевел датировку археологических находок на совершенно новые рельсы. С ним впервые стала возможной надежная датировка человеческих останков с точностью чуть ли не до года ^[5] . Археогенетика теперь также позволяет читать прошлое по фрагментам скелетов, устанавливая взаимосвязи, о которых не знали даже сами обладатели костей. Таким образом человеческие останки (а некоторые из них пролежали в земле десятки тысяч лет!) становятся ценными посланиями из прошлого. В них записаны истории наших предков, которые мы рассказываем в этой книге. Причем некоторые истории публикуются впервые.

4

Как бы это ни было парадоксально, новое знание может усугубить старые сомнения. Допустим, родителям вскоре после рождения ребенка станут письменно сообщать, какие риски будут сопровождать его по жизни. Для некоторых эти знания обернутся слишком большим напряжением уже потому, что данные из секвенатора должны быть сопоставимы со статистической вероятностью.

5

С XIX века археологи исследуют кости и артефакты — посуду, оружие, украшения — и пытаются вычислить, как жили и когда расселились по миру их предки. Очень долго археология работала как судоку: общая картинка складывалась медленно, из комбинации многочисленных находок в сочетании с другими источниками. Например, если керамическая миска определенного вида была найдена рядом с одним скелетом, а другая подобная миска рядом с другим, считалось, что эти люди принадлежат к одной культуре и одной эпохе. По другим находкам, сделанным вблизи, например по надписям или инструментам, пытались расположить эпохи по порядку. Еще в XX веке временные классификации почти всегда основывались на грубых оценках, а для скелетов, найденных без каких-либо атрибутов, оценки были и вовсе невозможны. Ситуацию изменил радиоуглеродный метод, без которого была бы немыслима современная археология. Разработанный в 1946 году «метод С¹⁴» использует в качестве измеряемой величины физическую константу: распад радиоактивного углерода — вещества, которое содержится в археологических артефактах из органических материалов и работает как встроенные часы. Метод измерения основан на процессах распада углерода, строительного материала жизни. Через фотосинтез он находит свой путь в растения, через пищевую цепочку попадает в человека и животное, а затем снова частично попадает в атмосферу. Там с помощью солнечного излучения он принимает форму нестабильных радиоактивных изотопов, так называемых С¹³ и С¹⁴. Наряду с этими нестабильными изотопами растения при росте выстраивают С¹² — исходный стабильный вариант углерода, который не меняется под воздействием солнечного излучения. Но за тысячелетия с нестабильными изотопами С¹³ и С¹⁴ кое-что происходит — они снова стремятся к стабильной форме С¹². Это физическая константа, этот процесс происходит с одной и той же скоростью во все времена, независимо от внешнего влияния. Такая устойчивость делает радиоуглеродный метод выигрышным.

На очень многих местах археологических раскопок находятся объекты, содержащие углерод, и очень часто это кости или сгоревшее дерево. Соотношение стабильных и нестабильных углеродных изотопов позволяет вычислить, до каких пор в дерево или костный материал встраивались нестабильные изотопы, то есть когда эти организмы были живыми. С 1960-х годов метод С¹⁴ считается стандартным археологическим методом, миллионы археологических объектов были датированы таким образом. И для археогенетики эти данные тоже незаменимы. ДНК костей открывает окно в их прошлое, но без знания о том, когда это окно было открыто, все остальные познания далеко не так ценны.

Прогресс через мутации

Молодая наука археогенетика может помочь с ответами на некоторые старейшие и важнейшие вопросы человеческой истории: что делает нас людьми? Откуда мы ведем свое происхождение? Как мы стали теми, кем являемся сегодня? Один из выдающихся пионеров в этой области — Сванте Паабо. В 1999 году он стал директором Института эволюционной антропологии в Лейпциге. Будучи ученым по натуре, в 1984 году, во время учебы в Уппсальском университете, он практически тайком, ночами в лаборатории экстрагировал ДНК египетской мумии. Это стало началом большой карьеры. В 2003 году Паабо взял меня к себе дипломником в Лейпциг. Когда два года спустя я должен был выбрать тему докторской, он предложил мне присоединиться к его команде, которая расшифровывала геном неандертальца. Это было настоящее безумие: при тогдашнем состоянии техники для такого предприятия требовались десятилетия. К тому же мы должны были бы перемолоть дюжины килограммов настоящих неандертальских костей. Но я доверился Паабо и его способности реалистично оценить проект. Я принял вызов, и мое решение оказалось верным. Техника секвенирования развивалась так быстро, что просто захватывает дух. Благодаря этому мы завершили свою работу три года спустя, и костей нам понадобилось гораздо меньше, чем планировалось.

Вот тогда и попал ко мне кусочек пальца с Алтая. Такие кости — носители данных в археогенетике. Благодаря им мы можем получить ключи ко многим разгадкам. Относится ли первобытный человек, которому принадлежала кость, к нашим прямым предкам или его ветвь вымерла? Чем его наследственный материал отличается от нашего? Геном первобытного человека становится шаблоном, с которым мы сравниваем наши сегодняшние ДНК. Как исследователей, нас интересуют места, которые не совпадают с шаблоном. Это позиции, по которым наша ДНК изменилась, мутировала. Возможно, звучит не слишком приятно, но мутация — не только двигатель эволюции, но и причина, по которой человек и шимпанзе сегодня смотрят друг на друга по разные стороны решетки в зоопарке. Для археогенетики мутации — это вехи истории человечества.

За то время, что вы читаете эту главу, ДНК в миллионах клеток вашего тела химически меняется: она должна постоянно ломаться и обновляться в коже, кишечнике — повсюду. Если при этом что-то идет не так, мы говорим о мутациях. Они случаются очень часто, что, учитывая высокую частоту обновления клеток, совсем неудивительно. Как правило, тело тут же чинит мутации, но починка срабатывает не всегда. Если мутации встречаются в половых клетках, то есть в сперматозоидах и яйцеклетках, эти мутации могут передаться по наследству следующему поколению. При этом включается собственная защитная функция организма: зародышевые клетки с мутациями, несущими в себе тяжелые заболевания, чаще всего умирают. Если мутации маленькие, этого произойти не должно. Тогда генетические изменения наследуются ^[6] .

6

Каждый человек наследует от своих родителей от 30 до 60 таких мутаций, большинство из них — от отца: в сперме, благодаря ее постоянному воспроизводству, мутаций встречается больше, чем в яйцеклетках, с которыми девочки уже рождаются и которые не обновляются.

Генетические изменения, которые ведут к большему числу последствий, распространяются в популяции быстрее всего — они чаще передаются дальше. Например, то, что у человека меньше волос, чем у его дальнего родственника, человекообразной обезьяны, — следствие многочисленных мутаций: вместо волос у человека развивались потовые железы. Благодаря этой новой охлаждающей системе умеренно волосатый первобытный человек мог дольше бежать и убегать, соответственно, дольше жил и имел больше шансов оставить потомство. Первобытные люди с наследственностью, которая обеспечивала больше волос, напротив, вымерли. Большинство мутаций не целенаправленны и ни к чему не ведут. Они либо не оказывают никакого воздействия на организм, либо вредят ему и подвергаются негативной селекции — отсортировываются. Редкие исключения, изменения, необходимые для выживания и размножения, ждет положительная селекция. Такие мутации распространяются и постоянно развиваются. Следовательно, эволюция — это вечная игра случая.

Вас приветствует первобытный человек

Взгляд на наследственный материал старых костей для археогенетика сравним с путешествием на машине времени. Основываясь на ДНК наших предков, которые жили десятки тысяч лет тому назад, мы можем узнать, какие мутации закрепились у ныне живущих людей, а какие исчезли. На такие знания рассчитывали и мы, анализируя палец из России.

Анатолий Деревянко, один из самых прославленных российских археологов, нашел кость возрастом 70 тысяч лет в Денисовой пещере, на Алтае, на высоте примерно 700 метров. Этот горный массив находится посреди Азии, более чем в 3500 километрах восточнее Москвы, на русской границе с Китаем, Казахстаном и Монголией.

Денисова пещера — это не только любимое многими место паломничества, но и настоящий клад для ученых, которые уже многие годы регулярно находят здесь кости и обработанные человеком предметы из каменного века. То, что Алтай расположен так глубоко в Сибири, как только можно себе представить, — большое преимущество: холод консервирует находки особенно хорошо. Когда Сванте Паабо, несколько его коллег и я прибыли в этот регион в начале 2010 года для встречи с Деревянко, я узнал, что при температуре –42 °C на коже могут вырастать ледяные кристаллы.

В лейпцигской лаборатории алтайский палец пережил многочисленные манипуляции. В кости пробуравили дырочку, заветную костяную пыль поместили в специальную жидкость и в ней из останков наконец-то выделили ДНК. У нас было ограниченное количество попыток: мы могли экстрагировать всего 10 миллиграммов костяного порошка — это как хлебная крошка. Мы предполагали, что имеем дело с обычной костью современного человека, ну или, возможно, с костью неандертальца. Но внезапно секвенатор выдал результаты, к которым я сперва даже не знал как подступиться. ДНК не принадлежала ни современному человеку, ни неандертальцу. Я спешно собрал нашу команду, чтобы представить загадочные данные. Спросил коллег: «В чем я ошибся?» Мы вместе снова и снова изучали полученную информацию. Но в конце концов стало ясно: моей ошибки тут нет. Когда я чуть позже позвонил своему шефу, то попросил его присесть, а потом сказал: «Сванте, думаю, мы нашли Homo erectus». Homo erectus — это общий предок современного человека и неандертальца, у нас до сих пор нет его расшифрованного ДНК. Я думал, мы первые, кому удалось его получить.