Как люди стали такими уникальными: за что дали Нобелевскую премию по медицине 2022

В Швеции стартовала Нобелевская неделя и первым по традиции прозвучало имя обладателя награды в области физиологии и медицины. Им единолично стал 67-летний шведский биолог Сванте Паабо, который настолько углубился в тонкости эволюционной генетики, что заложил основы совершенно новой научной дисциплины – палеогеномики. Эта наука занимается изучением первобытных людей и других видов гоминид с помощью генетических методов. И выясняет, как мы связаны с нашими генетическими кузенами, физически уже не существующими, но продолжающими жить в нас.

Нобелевский комитет опубликовал объяснение того, в чем состоит суть работы Паабо и почему она оказалась достойной высшей научной награды. OBOZREVATEL публикует его перевод.

Человечество всегда интересовалось своим происхождением. Откуда мы пришли и как связаны с теми, кто был до нас? Чем мы, Homo sapiens, отличаемся от других гоминид?

Благодаря своему новаторскому исследованию Сванте Паабо сделал кое-что, казалось бы, невозможное: секвенировал геном неандертальца, вымершего родственника современного человека. Он совершил сенсационное открытие ранее неизвестного гоминида – денисовца. Паабо также обнаружил, что передача генов произошла от этих ныне вымерших гоминид к Homo sapiens после миграции из Африки около 70 000 лет назад. Этот древний поток генов к современным людям сегодня имеет физиологическое значение, например, влияя на то, как наша иммунная система реагирует на инфекции.

Основные исследования Паабо породили новую научную дисциплину – палеогеномику. Выявляя генетические различия, которые отличают всех живых людей от вымерших гоминид, его открытия обеспечивают основу изучения того, что делает нас уникальными людьми.

Откуда мы пришли?

Палеонтология и археология важны для изучения эволюции человека. Исследования предоставили доказательства того, что анатомически современный человек, Homo sapiens, впервые появился в Африке примерно 300 000 лет назад. В то время как наши ближайшие известные родственники, неандертальцы, развивались за пределами Африки и населяли Европу и Западную Азию в период от примерно 400 000 до 30 000 лет назад. А потом они вымерли.

Около 70 тысяч лет назад группы Homo sapiens мигрировали из Африки на Ближний Восток, а оттуда распространились по всему миру. Таким образом, Homo sapiens и неандертальцы сосуществовали на обширных территориях Евразии в течение десятков тысяч лет. Но что мы знаем о наших отношениях с вымершими неандертальцами? Подсказки можно найти в геноме.

К концу 1990-х был секвенирован (расшифрован) почти весь геном человека. Это было значительным достижением, которое позволило провести дальнейшие исследования генетической связи между разными популяциями человека. Однако для изучения взаимоотношений между современными людьми и давно вымершими неандертальцами требовалось секвенирование геномной ДНК, полученной из древних образцов.

Задача, которая казалась невыполнимой

В начале своей карьеры Сванте Паабо был очарован возможностью использования современных генетических методов для изучения ДНК неандертальцев. Однако вскоре он осознал, что с течением времени ДНК химически модифицируется и распадается на короткие фрагменты, что создает невероятные технические сложности. Так спустя тысячи лет сохранились только следовые количества древней ДНК, причем в значительной степени загрязненные генами бактерий и современных людей. Будучи студентом докторантуры у Аллана Уилсона, пионера в области эволюционной биологии, Паабо начал разрабатывать методы изучения ДНК неандертальцев, на что потратил несколько десятилетий.

В 1990 году Паабо был принят на работу в Мюнхенский университет, где как назначенный профессор продолжил свою работу над древней ДНК. Объектом его исследования стала ДНК из митохондрий неандертальцев – клеточных органелл, содержащих собственную "двойную спираль". Митохондриальный геном мал и содержит лишь часть генетической информации клетки, но он присутствует в тысячах копий, что увеличивает шансы на успех. С помощью разработанных Паабо усовершенствованных методов ученому удалось секвенировать участок митохондриальной ДНК из куска кости возрастом 40 000 лет. Таким образом, мы впервые получили доступ к генетическому коду вымершего родственника. Сравнение с современными людьми и шимпанзе показало, что неандертальцы были генетически отличны.

Секвенирование генома неандертальца

Проанализировав маленькую мтДНК, содержавшую лишь ограниченную информацию, Паабо поставил себе амбициозную цель секвенировать ядерный геном неандертальца. В то же время ученого пригласили на работу в Институт Макса Планка в немецком Лейпциге. Вместе с новой командой он принялся совершенствовать методы выделения и анализа ДНК из древних костных останков. Исследовательская группа использовала новые технические разработки, сделавшие секвенирование ДНК высокоэффективным. Паабо также усилил свою исследовательскую группу сотрудниками, имеющими опыт в области популяционной генетики и расширенном анализе последовательностей в геноме. И это привело к успеху. Паабо сделал, казалось бы, невозможное и смог опубликовать первую последовательность генома неандертальца в 2010 году. Сравнительный анализ показал, что последний общий предок неандертальцев и Homo sapiens жил около 800 000 лет назад, а дальше их пути разошлись.

Паабо и его коллеги теперь могли исследовать отношения между неандертальцами и современными людьми из разных частей света. Сравнительный анализ показал, что последовательности ДНК неандертальцев были больше похожи на последовательности современных людей, происходящих из Европы или Азии, чем на последовательности современных африканцев. Это означает, что неандертальцы и Homo sapiens скрещивались и имели совместное потомство на протяжении тысячелетий своего сосуществования. У современных людей европейского или азиатского происхождения примерно 1–4% генома происходит от неандертальцев.

Сенсационное открытие: денисовцы

В 2008 году в Денисовой пещере на юге Сибири был обнаружен фрагмент кости пальца возрастом 40 000 лет. Кость содержала чрезвычайно хорошо сохранившуюся ДНК, и команда Паабо немедленно взялась ее секвенировать. Результаты были сенсационными: последовательность ДНК была уникальной по сравнению со всеми известными последовательностями неандертальцев и современных людей. Паабо обнаружил ранее неизвестных гоминид, которых назвали денисовцами. Сравнение с последовательностями современных людей из разных частей света показало, что обмен генами также имел место между денисовцами и Homo sapiens. Эта связь была впервые обнаружена в популяциях Меланезии и других частей Юго-Восточной Азии, где люди несут до 6% денисовской ДНК.

Открытие Паабо породило новое понимание нашей эволюционной истории. В то время, когда Homo sapiens мигрировали из Африки, по крайней мере, две популяции ныне вымерших гоминид населяли Евразию. Неандертальцы жили в западной части Евразии, в то время как денисовцы населяли восточные части континента. В ходе экспансии Homo sapiens за пределы Африки и миграции к востоку они встречались и скрещивались не только с неандертальцами, но и с денисовцами.

Палеогеномика и ее актуальность

Благодаря своим новаторским исследованиям, Сванте Паабо создал новую научную дисциплину — палеогеномику. После начальных открытий группа завершила анализ нескольких дополнительных последовательностей генома вымерших гоминид. Открытие Паабо создало уникальный ресурс, широко используемый научным сообществом для лучшего понимания эволюции и миграции человека. Новые мощные методы анализа последовательности указывают, что древние гоминиды могли также смешаться с Homo sapiens в Африке. Однако геномы вымерших африканских гоминид еще не секвенированы – мешает тропический климат, оказывающий разрушительное влияние на ископаемую ДНК.

Благодаря открытиям Сванте Паабо, мы теперь понимаем, что древние последовательности генов наших вымерших родственников влияют на физиологию современных людей. Одним из таких примеров является денисовская версия гена EPAS1, которая дает преимущество в выживании на большой высоте и распространена среди современных тибетцев. Другими примерами являются гены неандертальцев, которые влияют на иммунный ответ на разные типы инфекций.

Что делает нас уникальными людьми?

Homo sapiens характеризуется своей уникальной способностью создавать сложные культуры, передовые инновации и изобразительное искусство, а также пересекать открытые воды и распространяться по всем частям нашей планеты. Неандертальцы также жили группами и имели большой мозг. Они так же использовали инструменты, но очень мало развились в течение сотен тысяч лет. Генетические отличия между Homo sapiens и нашими ближайшими вымершими родственниками были неизвестны до тех пор, пока они не были обнаружены в основной работе Паабо. Интенсивные текущие исследования сосредоточены на анализе функциональных последствий этих отличий с целью объяснить, что делает нас уникальными людьми.

Как писал OBOZREVATEL, ранее ученые установили, что неандертальцы, вероятно, могли понимать человеческий язык.