Як люди стали такими унікальними: за що дали Нобелівську премію з медицини 2022

У Швеції стартував Нобелівський тиждень і першим за традицією прозвучало ім’я володаря нагороди в галузі фізіології та медицини. Ним одноосібно став 67-річний шведський біолог Сванте Паабо, який настільки заглибився у тонкощі еволюційної генетики, що заклав основи абсолютно нової наукової дисципліни – палеогеноміки. Ця наука займається вивченням первісних людей та інших видів гомінід за допомогою генетичних методів. І з’ясовує, як ми пов’язані з нашими генетичними кузенами, які фізично уже не існують, але продовжують жити в нас.

Нобелівський комітет опублікував пояснення того, у чому полягає суть роботи Паабо і чому вона виявилась достойною найвищої наукової нагороди. OBOZREVATEL публікує його переклад.

Людство завжди цікавилося своїм походженням. Звідки ми прийшли та як пов'язані з тими, хто був до нас? Чим ми, Homo sapiens, відрізняємося від інших гомінідів?

Завдяки своєму новаторському дослідженню Сванте Паабо зробив дещо, здавалося б, неможливе: секвенував геном неандертальця, вимерлого родича сучасної людини. Він зробив сенсаційне відкриття раніше невідомого гомініда – денисівця. Паабо також виявив, що передача генів відбулася від цих нині вимерлих гомінідів до Homo sapiens після міграції з Африки близько 70 000 років тому. Цей древній потік генів до сучасних людей має сьогодні фізіологічне значення, наприклад, впливаючи на те, як наша імунна система реагує на інфекції.

Основні дослідження Паабо породили нову наукову дисципліну – палеогеноміку. Виявляючи генетичні відмінності, які відрізняють всіх живих людей від вимерлих гомінідів, його відкриття забезпечують основу вивчення того, що робить нас унікальними людьми.

Звідки ми прийшли?

Палеонтологія та археологія важливі для вивчення еволюції людини. Дослідження надали докази того, що анатомічно сучасна людина, Homo sapiens, вперше з'явилася в Африці приблизно 300 000 років тому. Тоді як наші найближчі відомі родичі, неандертальці, розвивалися за межами Африки та населяли Європу та Західну Азію у період приблизно від 400 000 до 30 000 років тому. А потім вони вимерли.

Близько 70 000 років тому групи Homo sapiens мігрували з Африки на Близький Схід, а звідти поширилися по всьому світу. Таким чином, Homo sapiens та неандертальці співіснували на великих територіях Євразії протягом десятків тисяч років. Але що ми знаємо про наші стосунки з вимерлими неандертальцями? Підказки можна знайти у геномі.

До кінця 1990-х було секвеновано (розшифровано) майже весь геном людини. Це було значним досягненням, яке дозволило провести подальші дослідження генетичного зв'язку між різними популяціями людини. Однак для вивчення взаємовідносин між сучасними людьми і давно вимерлими неандертальцями потрібно було секвенування геномної ДНК, отриманої з древніх зразків.

Завдання, яке здавалось нездійсненним

На початку своєї кар'єри Сванте Паабо був зачарований можливістю використання сучасних генетичних методів для вивчення ДНК неандертальців. Однак невдовзі він усвідомив, що з плином часу ДНК хімічно модифікується і розпадається на короткі фрагменти, що створює неймовірні технічні складнощі. Так через тисячі років збереглися лише слідові кількості старовинної ДНК, причому значною мірою забруднені генами бактерій та сучасних людей. Будучи студентом докторантури у Аллана Вілсона, піонера в галузі еволюційної біології, Паабо почав розробляти методи вивчення ДНК неандертальців, на що витратив кілька десятиліть.

У 1990 році Паабо був прийнятий на роботу в Мюнхенський університет, де як новопризначений професор продовжив свою роботу над древньою ДНК. Об’єктом його дослідження стала ДНК з мітохондрій неандертальців – клітинних органел, які містять власну "подвійну спіраль". Мітохондріальний геном маленький і містить лише частину генетичної інформації клітини, але він присутній у тисячах копій, що збільшує шанси на успіх. За допомогою розроблених Паабо удосконалених методів ученому вдалося секвенувати ділянку мітохондріальної ДНК зі шматка кістки віком 40 000 років. Таким чином, ми вперше отримали доступ до генетичного коду вимерлого родича. Порівняння з сучасними людьми та шимпанзе показало, що неандертальці були генетично відмінними.

Секвенування геному неандертальця

Проаналізувавши маленьку мтДНК, яка містила лише обмежену інформацію, Паабо поставив собі амбітну ціль секвенувати ядерний геном неандертальця. У цей же час вченого запросили на роботу до Інституту Макса Планка у німецькому Лейпцигу. Разом з новою командою він узявся вдосконалювали методи виділення та аналізу ДНК із древніх кісткових останків. Дослідницька група використала нові технічні розробки, які зробили секвенування ДНК високоефективним. Паабо також посилив свою дослідницьку групу співробітникам, які мали досвід у галузі популяційної генетики та розширеного аналізу послідовностей у геномі. І це привело до успіху. Паабо зробив, здавалося б, неможливе і зміг опублікувати першу послідовність геному неандертальця у 2010 році. Порівняльний аналіз показав, що останній спільний предок неандертальців і Homo sapiens жив близько 800 000 років тому, а далі їхні шляхи розійшлись.

Паабо та його колеги тепер могли досліджувати відносини між неандертальцями та сучасними людьми з різних частин світу. Порівняльний аналіз показав, що послідовності ДНК неандертальців були більше схожі на послідовності сучасних людей, що походять із Європи або Азії, ніж на послідовності сучасних африканців. Це означає, що неандертальці та Homo sapiens схрещувалися і мали спільне потомство протягом тисячоліть свого співіснування. У сучасних людей європейського чи азіатського походження приблизно 1–4% геному походить від неандертальців.

Сенсаційне відкриття: денисівці

У 2008 році в Денисовій печері на півдні Сибіру було виявлено фрагмент кістки пальця віком 40 000 років. Кістка містила надзвичайно добре збережену ДНК, і команда Паабо негайно взялась її секвенувати. Результати виявились сенсаційними: послідовність ДНК була унікальною порівняно з усіма відомими послідовностями неандертальців та сучасних людей. Паабо виявив раніше невідомих гомінідів, яких назвали денисівцями. Порівняння з послідовностями сучасних людей з різних частин світу показало, що обмін генами також мав місце між денисовцями та Homo sapiens. Цей зв'язок був вперше виявлений у популяціях Меланезії та інших частин Південно-Східної Азії, де люди несуть до 6% "денисівської" ДНК.

Відкриття Паабо породили нове розуміння нашої еволюційної історії. У той час, коли Homo sapiens мігрували з Африки, принаймні дві популяції нині вимерлих гомінідів населяли Євразію. Неандертальці жили у західній частині Євразії, тоді як денисівці населяли східні частини континенту. У ході експансії Homo sapiens за межі Африки та міграції на схід вони зустрічалися та схрещувалися не лише з неандертальцями, а й із денисівцями.

Палеогеноміка та її актуальність

Завдяки своїм новаторським дослідженням Сванте Паабо створив нову наукову дисципліну — палеогеноміку. Після початкових відкриттів група завершила аналіз кількох додаткових послідовностей геному вимерлих гомінідів. Відкриття Паабо створили унікальний ресурс, який широко використовується науковою спільнотою для кращого розуміння еволюції та міграції людини. Нові потужні методи аналізу послідовності вказують, що древні гомініди могли також змішатися з Homo sapiens в Африці. Однак геноми вимерлих африканських гомінідів ще не секвеновані – заважає тропічний клімат, який справляє руйнівний вплив на викопну ДНК.

Завдяки відкриттям Сванте Паабо ми тепер розуміємо, що древні послідовності генів наших вимерлих родичів впливають на фізіологію сучасних людей. Одним із таких прикладів є денисівська версія гена EPAS1, яка дає перевагу у виживанні на великій висоті та поширена серед сучасних тибетців. Іншими прикладами є гени неандертальців, які впливають на імунну відповідь на різні типи інфекцій.

Що робить нас унікальними людьми?

Homo sapiens характеризується своєю унікальною здатністю створювати складні культури, передові інновації та образотворче мистецтво, а також здатністю перетинати відкриті води та поширюватись по всіх частинах нашої планети. Неандертальці також жили групами та мали великий мозок. Вони так само використовували інструменти, але дуже мало розвинулися протягом сотень тисяч років. Генетичні відмінності між Homo sapiens і нашими найближчими вимерлими родичами були невідомі до тих пір, поки вони не були виявлені в основній роботі Паабо. Інтенсивні поточні дослідження зосереджені на аналізі функціональних наслідків цих відмінностей з метою пояснити, що робить нас унікальними людьми.

Як писав OBOZREVATEL, раніше вчені встановили, що неандертальці, ймовірно, могли розуміти людську мову.