Путешествие наших генов
Шрифт:
Что мы увидели в ДНК этого пальца? Оказалось, что она в два раза сильнее отличается от ДНК человека XXI века, чем ДНК неандертальца. Это должно было означать, что человек из Денисовой пещеры и неандерталец уже давно пошли каждый по своему пути, как неандерталец и современный человек. Наши тогдашние расчеты подводили к тому, что примерно миллион лет назад Homo erectus из Африки основал две отдельные ветви. От одной произошли неандертальцы и современный человек, а от другой, развивавшейся в Азии, — денисовцы. Это опровергало многие знания, полученные в процессе изучения эволюции, которые мы считали точными. Прежде всего знание о том, что 70 тысяч лет назад кроме первых современных людей и неандертальцев на планете не существовало других форм первобытного человека.
Полученные данные ввели нас в заблуждение, но ясно это стало не сразу. И вот в своей первой «денисовской» публикации в марте 2010 года в журнале Nature, святом Граале научных СМИ, мы рассказали эту историю. Весь мир заинтересовался мной, помню, как в нашей лаборатории одновременно оказалось множество камер. Целую неделю я без остановки давал телеинтервью об открытии денисовцев — так мы окрестили наших первобытных людей. Но уже через несколько недель в нас зародились первые сомнения — всё ли верно с данными, которые мы уже опубликовали? Лучше сказать даже так: правильно ли мы эти данные интерпретировали?
Когда мы говорим о генах человека и при этом имеем в виду геном, с научной точки зрения это на самом деле некорректно. Лишь небольшая часть из 3,3 миллиарда пар оснований нашего генома — это гены. Эти два процента ответственны за кодировку белков. Кроме того, они представляют собой чертежи примерно 30 миллиардов клеток, строительных материалов нашего тела [7] .
У человека в общей сложности 19 тысяч генов, и это на удивление мало. У амебы, крошечного одноклеточного, 30 тысяч генов, у обычной сосны — 50 тысяч. Но само по себе число генов не определяет то, насколько сложен живой организм. У организмов с клеточным ядром информация из одного гена может комбинироваться в различных «строительных материалах»; ген не несет постоянную ответственность только за одну функцию тела. У примитивных форм жизни, например у бактерий, как правило, из одного гена получается один строительный материал, который обычно выполняет только одну задачу. Можно сказать, что гены людей и большинства животных — это очень маленькая команда, зато невероятно сплоченная.
Пятьдесят процентов человеческого генома, как слишком большие жесткие диски, забиты мусором — последовательностями ДНК, которые не имеют для нас никакого очевидного значения. Помимо генов, важную роль играют молекулярные переключатели — они составляют примерно 10 % весьма сложной структуры генома. Эти переключатели активируются и деактивируются транскрипционными факторами и отвечают за то, чтобы каждая часть тела производила правильный белок — чтобы клетки в кончике пальца не воспринимались как клетки желудка и там не производилась кислота. В основном все клетки человека содержат одинаковую информацию, из которой нужно отобрать нужную.
Для археогенетики бесполезные составные части генома — на вес золота, ведь только благодаря им могут работать так называемые генетические часы. Ученые измеряют мутации в целом геноме и вычисляют момент, когда две популяции разошлись. Чем раньше по времени, тем больше различий в ДНК. Если бы весь геном состоял из генов, число различий, то есть мутаций, зависело бы не от того, как давно произошло разделение, а от того, насколько различается среда, в которой живут популяции. У африканцев в некоторых генах меньше изменений, чем у потомков людей, которые вышли из Африки. Дело в том, что гены эмигрантов должны были приспособиться к новым внешним условиям, а гены африканцев — нет, или по крайней мере не в такой степени. Тем не менее в геномах сегодняшних африканцев, за исключением 2 % генов, почти столько же мутаций, сколько у всех остальных людей на земле. Причина в том, что в большой «мусорной» части генома, как и в генах, есть мутации, но нет положительной или отрицательной селекции. Со времен нашего последнего общего предка в каждом из нас накопился примерно одинаковый объем мутаций. Генетические часы работают всегда, и неважно, как сильно развивались порознь собственные гены каждой из двух популяций, которые мы хотим сравнить.
7
ДНК как строительный чертеж жизни основана на принципе трансляции и транскрипции. ДНК как носитель информации считывается в клеточном ядре и транскрибируется в так называемую РНК. Эта РНК транспортирует информацию ДНК из клеточного ядра. Рибосомы, маленькие белковые фабрики внутри клеток, считывают эту информацию и на основании полученных сведений производят белок. Решающий фактор для производства белков — последовательность пар оснований, которые считываются с ДНК в клеточном ядре.
Как мы теперь понимаем, наши сомнения в интерпретации денисовской ДНК были оправданны. Путь, который позднее привел нас к истинной, не менее поразительной истории, объяснявшей эту ДНК, примечателен тем, насколько мощно развилась генетика за последние годы и как при этом обесценились знания, что на протяжении десятилетий считались в археологии верными. Стало ясно: именно потому, что мы придали данным об алтайской находке ложное значение, мы смогли обнаружить еще большую ошибку в изучении первобытных людей. ДНК денисовца из Азии дала нам — не напрямую, но вполне определенно — новый взгляд на заселение Европы современным человеком. Мы поняли, что он еще сотни тысяч лет назад встретился здесь с неандертальцем. И у них был секс.
Чтобы восстановить генеалогическое древо денисовской девочки, для первой публикации мы использовали ДНК митохондрий, которые также называют электростанциями клеток. Митохондриальная ДНК (мтДНК) — это лишь крошечная доля нашего генома. Сегодня стандартом является секвенирование гораздо более емкой и релевантной ядерной ДНК; до 2010 года за митохондриальную ДНК брались, чтобы существенно снизить временные и финансовые расходы [8] .
Митохондриальная ДНК не дает особенно детализированных результатов, но хорошо подходит для составления генетического древа. С одной стороны, все люди наследуют свою митохондриальную ДНК исключительно от матери. С другой стороны, можно уверенно говорить о том, что примерно раз в 3000 лет в митохондриальной ДНК происходит мутация, которая передается всем последующим поколениям, то есть на протяжении 3000 лет по женской линии наследуется идентичная митохондриальная ДНК. Если сравнить такую ДНК у двух человек, можно вычислить, когда жила их последняя общая прародительница. Речь при этом идет о тех самых генетических часах. Митохондриальная ДНК ныне живущих людей ведет к единой общей прародительнице — «прабабушке». Она жила приблизительно 160 тысяч лет назад. В генетике ее называют «митохондриальной Евой». Существует и ее противоположность — «Y-хромосомный Адам», к которому восходят Y-хромосомы, передающиеся от отца к сыну. Но Адам жил почти на 200 тысяч лет раньше, чем Ева, так что эти двое совершенно точно не были парой [9] .
8
У ядерной ДНК с ее 3,3 миллиарда пар оснований заметна более высокая информационная плотность, чем у митохондриальной ДНК, у которой всего 16 500 пар. Но ядерная ДНК в каждой клетке встречается лишь дважды, и в каждом случае она унаследована либо от матери, либо от отца. Митохондриальная ДНК же, напротив, встречается от 500 до 1000 раз, и всякий раз в идентичной
9
Женщина, родившая дочь и сына, передает свою митохондриальную ДНК обоим детям. Внукам же передается только митохондриальная ДНК, унаследованная от дочери, от которой ее передадут своим детям тоже только внучки. Если бы выстроилась очередь, уходящая на тысячу лет назад, и каждая дочь рожала бы по дочери и сыну, то, при поколении в 30 лет, за тысячу лет на свет появились бы 33 женщины с одинаковыми митохондриальными ДНК и еще 32 мужчины, которые, однако, не передают свою митохондриальную ДНК детям. Если же у каждой дочери родится две дочери, то в одном временном периоде будет больше восьми миллиардов женщин с этой митохондриальной ДНК плюс еще сыновья этих женщин. Если мы проследим все свои родословные по части митохондриальной ДНК, каждый из нас в какой-то момент обнаружит общую прародительницу с другим ныне живущим человеком. Но оригинальную митохондриальную ДНК митохондриальной Евы никто больше в себе не несет, хоть мы все и произошли от этой женщины. За последние 160 000 лет накопилось большое число мутаций, которые привели к бесчисленным разделениям на различные линии митохондриальных ДНК.
На то, чтобы при подготовке первой денисовской публикации не дожидаться секвенирования ядерной ДНК, у нас была простая причина: Анатолий Деревянко дал кусочек пальцевой кости еще одной лаборатории помимо нас, и мы боялись, что коллеги могут опередить нас с публикацией. И митохондриальная ДНК, и ядерная ДНК позволяют считывать генетические часы [10] , поэтому мы не видели проблемы в нашей поспешности.
Ядерная ДНК значительно углубляет знания, полученные из митохондриальной ДНК, но обычно ей не противоречит. Однако в случае с денисовской девочкой произошло именно это: ядерная ДНК показала совершенно другое генеалогическое древо. Оказалось, что денисовцы откололись не от общего предка современного человека и неандертальца, то есть от Homo erectus, а значительно позже, от линии неандертальцев. Новые данные показали, что сначала отделилась первая линия предков сегодняшних людей, чтобы позднее разделиться на неандертальцев и денисовцев. Предки современного человека перебрались в Европу, другая форма — в Азию. Это уже близко к тому, что мы сегодня знаем. Но не хватало еще одной поправки, и ждать ее нам пришлось еще 6 лет.
10
Чем больше различий в митохондриальных ДНК у двух современных людей, тем раньше произошло их разделение. Поскольку в митохондриальной ДНК примерно каждые 3000 лет гарантированно происходит мутация, человек, живущий в наши дни, мог бы иметь в своей митохондриальной ДНК 33 мутации, которых у его предков 100 000 лет назад еще не было. При разделении двух человеческих форм, неандертальца и современного человека, этот эффект удваивается: одна форма развивает за 100 000 лет примерно 33 мутации, другая столько же, что дает разницу в 66 мутаций. Если рассматривать, к примеру, митохондриальную ДНК трех человеческих форм — денисовца, неандертальца и современного человека, — то с помощью генетических часов можно определить, когда и кто от кого должен был отделиться. Точно так же работают и расчеты относительно отделения шимпанзе от человека: на основании различий в митохондриальной ДНК ныне живущих представителей приматов обоих видов можно вычислить, что они разделились примерно семь миллионов лет назад. (Генетические часы в эти временные промежутки несколько менее надежны, чем в отношении разделений, произошедших в не такое далекое время, между современными людьми). В ядерной ДНК заметно больше унаследованных мутаций — не как в митохондриальной, одна в 3000 лет, а три в год. Тут генетические часы работают так же, только для них есть гораздо больше измеримых мутаций.
Противоречие между митохондриальной ДНК и ядерной ДНК объяснилось, когда были найдены останки первобытного человека на севере Испании, в Сима де лос Уэсос, что переводится как «Костяная дыра». Генетические исследования провела в 2016 году рабочая группа Сванте Паабо. Оказалось, что костям 420 тысяч лет. Благодаря ядерной ДНК их можно было приписать неандертальцу. Загвоздка в том, что раньше считалось, будто тогда никаких неандертальцев в Европе еще не было. С помощью всех неандертальских костей, которые до тех пор были обследованы, на основании митохондриальной ДНК было установлено, что этот вид человека отщепился от наших предков в Африке максимум 400 тысяч лет тому назад. Испанская находка говорила о гораздо более ранней миграции [11] , а заодно о том, что со старыми расчетами что-то не так.
11
Разделение имело место в Африке, распространение вплоть до Иберийского полуострова потребовало некоторого времени.
Помимо прочего, в публикации говорилось, что митохондриальная ДНК испанского неандертальца не совпадает с другими, полученными от гораздо более поздних неандертальцев. Этим митохондриальная ДНК испанца походила на ДНК денисовской девочки. Что было решающим фактором. Всплыла ошибка первой денисовской публикации, она стала очевидной, поскольку мы взяли для сравнения митохондриальную ДНК более позднего неандертальца, а она явно не соответствовала какой-либо другой митохондриальной ДНК пренеандертальцев. Более молодые индивиды (по-видимому, в какой-то период уже после испанского неандертальца) унаследовали другую митохондриальную ДНК — ДНК архаического сапиенса, вернее, архаической современной женщины. Какой-то неандерталец в Европе или на граничащем с Европой Ближнем Востоке вступил с этой женщиной в сексуальный контакт. Поэтому митохондриальная ДНК и указывала на тесное родство поздних неандертальцев с современными людьми.
Денисовцы в Азии, напротив, остались неизменными: по крайней мере в годы жизни денисовской девочки у них не было следов генетических смешений. С помощью митохондриальной и ядерной ДНК они законсервировали относительно близкое родство с пренеандертальцем. С учетом новых знаний данные, полученные из митохондриальной и ядерной ДНК, идеально подходили друг другу. Только доселе принятую датировку разделения в генеалогическом древе человека оставалось немного отрегулировать. Получалось, что неандертальцы и денисовцы должны были разделиться полмиллиона лет тому назад, а не 300 тысяч лет назад, как считалось раньше. А отделение общей линии неандертальцев и денисовцев от современного человека должно было произойти 600 тысяч, а не 450 тысяч лет назад.
Открытие, согласно которому денисовец нес в себе митохондриальную ДНК пренеандертальца, а более поздние неандертальцы приблизились к современному человеку, затронуло меня не только в научном, но и в личном плане. Одна из причин, почему меня вообще заворожили древние люди, связана с историей моего родного города Лайнефельде, расположенного на плато Эйхсфельд. Там, всего в нескольких улицах от дома моих родителей, на свет появился Йоханн Карл Фульротт, открывший неандертальцев. Когда я был подростком, Фульротт был моим кумиром. Я даже не смел мечтать о том, что однажды смогу немного дополнить его труд.