Человек, который собрал древних

Нобелевская премия по физиологии или медицине в 2022 году уходит ученому, всемирная известность которого не связана ни с медициной, ни с физиологией. Всю свою карьеру Сванте Паабо посвятил палеонтологическим находкам. Но комитет из Каролинского университета не особенно и пытался привязывать его успехи к медицине. Премию Паабо получает за то, что научился извлекать и читать ДНК из тканей и костей тех, кто жил на Земле тысячи и десятки тысяч лет назад: от мамонтов и медведей до египетских фараонов, неандертальцев и денисовцев. А заодно рассказал нам о том, кто мы на самом деле такие.

В начале лета 2020 года врачи сбивались с ног в реанимациях, пытаясь спасти хоть кого-то из жертв новой вирусной пневмонии. Не было ни вакцин, ни отработанных протоколов лечения, а главным лекарством то считали, то переставали считать антималярийный гидроксихлорохин. Ученые, которым в реанимациях делать было нечего, пытались помочь врачам советом: например выяснить, какие гены делают человека более уязвимым к тяжелым формам ковида, — а значит кому из пациентов в первую очередь может потребоваться помощь.

Собрав по базам данных информацию о трех с лишним тысячах пациентов из Бразилии и десятка европейских стран, Хуго Cеберг и Сванте Паабо взялись искать в их геномах предрасположенность к дыхательной недостаточности. Особенно пристально они смотрели на третью хромосому: аналитики до них уже заметили, что именно на ней находятся участки ДНК, которые коррелируют с тяжестью болезни. Cеберг и Паабо выделили короткий кусочек в 49 тысяч нуклеотидов, на котором уместились эти участки ДНК, и заметили, что вариации в этих участках встречаются у людей вместе — как будто все последовательности одновременно попали в человеческий геном.

Подозрения антропологов пали на древних — неандертальцев и денисовцев, которые скрещивались с предками современного человека. Ученые сопоставили их геномы, и оказалось, что из 13 точечных замен, характерных для пациентов с тяжелым ковидом, 11 встречаются у 50-тысячелетнего неандертальца, некогда найденного в Хорватии.

Позже они нашли в геноме человека еще один кусочек неандертальского наследия — уже на хромосоме 12. Но он оказался, наоборот, защитным. Отличия затронули ген OAS1, который участвует в противовирусном ответе, а его носители реже страдали тяжелой формой ковида.

Кроме того, заметили ученые, сейчас этот вариант носит в своей ДНК каждый третий европеец. А еще выяснили, что так было не всегда: десятки тысяч лет назад этот неандертальский кусочек встречался меньше, чем у 10 процентов популяции, — и значит он мог действительно в какой-то момент оказаться полезным для выживания.

Пятнадцать лет назад получить все эти результаты было бы невозможно. На тот момент Сванте Паабо еще не доделал ту работу, которая лежит в основе его ковидных статей, — и которая сегодня принесла ему Нобелевскую премию.

Лауреат, сын лауреата

Паабо всегда везло на полезные знакомства и коллаборации. Первым таким знакомым стал его отец, шведский биохимик Суне Бергстрём — хотя в телефонном интервью пресс-службе Нобелевского комитета Паабо заявил, что «никогда не ставил его на пьедестал». А еще он никогда не носил отцовскую фамилию: мать Паабо работала с ученым в одной лаборатории, и Сванте родился в один год с сыном Бергстрёма от официального брака.

Тем не менее каждую субботу биохимик брал внебрачного сына на прогулки где-нибудь подальше от работы. И на одной из прогулок убедил сына заняться медициной — тот как раз разочаровался в своем первом выборе.

Молодой Паабо хотел быть египтологом и «искать мумий, как Индиана Джонс». Но на историческом факультете университета Упсалы, куда он поступил, окончив школу, его заставляли в основном разбирать иероглифы и изучать черепки. Решив, что египтология для него слишком неповоротлива, заскучавший швед переключился на клеточную биологию.

Закончив медицинский, Паабо между врачеванием и наукой выбрал науку — и продолжил заниматься фундаментальными исследованиями. Свою первую работу он делал на аденовирусах, в этом тоже наследуя отцу, который чуть позже, в 1982-м, получил Нобелевскую премию за изучение механизмов иммунного ответа. Но, как ученый вспоминал много лет спустя в книге «Неандерталец», он «не мог до конца изгнать из головы романтическую привязанность к Древнему Египту». Читая статьи о том, как ученые выделяют и секвенируют ДНК, Паабо подумал: может быть, немного ДНК осталось и внутри мумий?

Теоретически, в мумифицированных телах молекулы могли бы сохраниться неплохо — поскольку в процессе бальзамирования ткани высыхали, а ферменты, которые могли бы разрезать ДНК, работают только в воде. Паабо проверил это на телячьей печени, подсушивая ее в лабораторной духовке. Если не считать ужасного запаха и недоуменных вопросов от коллег, опыт прошел успешно: печень высохла, сравнялась по цвету с мумиями, а из ее тканей удалось выделить фрагментированную ДНК.

Дальше нужно было подобраться к настоящей мумии — и здесь Паабо помогла дружба с египтологом Ростиславом Гольтгоером. Он имел связи в ГДР, и договорился, чтобы Паабо пустили в коллекцию музейного фонда Берлина. Выделить ДНК получилось не с первого раза: в мышцах, которые занимают существенную часть тела мумии, ядра были полностью разрушены. Но вот в хряще из уха ученому попались на глаза остатки клеток. Он выделил из них ДНК, клонировал ее (то есть свернул ее в кольцо, как бывает в бактериальных клетках, и заставил бактерий ее скопировать множество раз), а также подтвердил, что она принадлежит человеку, — с помощью коротких ДНК, которые прилипают к Alu-повторам, бессмысленным последовательностям в человеческом геноме.

В 1985 году Паабо опубликовал статью о мумиях в журнале Nature, а его результаты издатель даже вынес на обложку. После этого, правда, он все еще сомневался: пойти дальше в эволюционную биологию или вернуться к аденовирусам? Но прежде чем принять решение, он отправился выступить с докладом о мумиях на симпозиум в Колд-Спринг-Харбор. И там услышал доклад биолога по имени Кэри Муллис, тот описывал новый молекулярный метод — который сейчас всем нам уже знаком — это полимеразная цепная реакция, или ПЦР.

Размножим все

Метод ПЦР быстро принес Муллису заслуженную Нобелевскую премию. Он оказался крайне удобен, сейчас без него не обходится ни одна, даже студенческая, молекулярная работа. ПЦР позволяет быстро, дешево, а главное избирательно копировать кусочки ДНК любого размера. Не нужно сворачивать ДНК в кольцо, скармливать бактериям и выделять потом из них обратно — размножение выбранного генетического фрагмента происходит в пробирке само собой. Нужны только стройматериалы для синтеза ДНК, ферменты и температурный режим.

Поэтому когда Паабо переехал в Беркли, чтобы дальше заниматься древней ДНК, он оказался в нужном месте и в нужное время. Как раз по соседству с его лабораторией Муллис со своими подчиненными дорабатывали ПЦР и учились ее автоматизировать. А поскольку они были выпускниками Беркли, то в лаборатории Алана Уилсона, куда приехал Паабо, эти аппараты появлялись еще чуть ли не до запуска их в производство. «Помню, — вспоминает Паабо, — с каким благоговейным трепетом мы смотрели, как вкатили термоамплификатор (прибор для ПЦР — N + 1) в лабораторию. Я прямо накинулся на него, зарезервировал столько циклов амплификации, сколько позволяли приличия».

С термоамплификатором в руках работать с ДНК стало сильно проще — даже небольшие ее количества удавалось быстро размножить и прочитать. Вскоре у Паабо вышла работа по кваггам (вымершим родственникам зебр) и начались проекты по другим животным, как живым, так и оставшимся в виде музейных образцов.

Где-то в это же время у Паабо наметилась еще одна долгая коллаборация. Правда, начиналась она как конфронтация: в той же группе работала девушка, Линда Виджилант, которая занималась сравнением митохондриальной ДНК разных человеческих рас. Этим она изрядно раздражала Паабо, который «видел в ней соперницу, претендентку на драгоценное машинное время». Сегодня утром, получив внезапное известие от секретаря Нобелевского комитета, Паабо первым делом подумал именно о ней и спросил: можно я прямо сейчас расскажу новости жене?

Это было время, когда секвенирование только набирало обороты, а буквально за стенкой раскручивался «Геном человека». Паабо быстро стал участником множества проектов: ученые из разных стран приезжали в Беркли, чтобы научиться работать с ПЦР или просили прислать к ним в лабораторию кого-нибудь для того, чтобы он помог им с этим, — и нередко этим «тьютором» оказывался Паабо, который предлагал вместе заняться какой-нибудь древней ДНК. Накопив за несколько лет достаточно опыта, молодой швед начал понимать, что, несмотря на успехи и результаты, его технология работы с ДНК имеет свои пределы. Например, она хорошо справляется только с митохондриальной ДНК — но не с ядерной. Кроме того, никто толком не проверяет образцы на наличие грязи.

Поэтому, когда в 1990-м году Паабо получил в свое распоряжение лабораторию в Мюнхене, он сделал ставку на чистоту.

Блюститель чистоты

«Если, к примеру, музейный экспонат растерял все свои собственные древние ДНК, — писал Паабо в своей книге, — зато приобрел за время хранения несколько фрагментов ДНК музейного куратора, то мы в результате вместо древнеегипетского жреца изучали бы музейного куратора». Чтобы с этим справиться, он предложил добавить в эксперименты с древней ДНК серию контролей: то есть выделять и секвенировать ДНК из самих реагентов, без добавления собственно образца.

При этом довольно часто он обнаруживал в своих пробах человеческую ДНК вместо ожидаемой звериной — занесенную экспериментаторами. К тому же он убедился в том, что древние фрагменты ДНК редко бывают большими. Поэтому, заключил он, если в образце вдруг появляется ниточка длиннее 150 пар оснований — скорее всего, это занос извне. Судя по всему, именно их он и получил в эксперименте с мумиями, который обеспечил ему приглашение в Беркли: впоследствии другие ученые подтвердили, что «египетские» находки Паабо были кусочками современных иммунных белков.

В мюнхенской лаборатории Паабо воздвиг стерильную зону с жесткими правилами. Это была комната без окон, промытая хлоркой и увешанная УФ-лампами, которые включали на ночь. Но и в чистую комнату регулярно заносили грязь — тогда из нее безжалостно выкидывались все реактивы и закупались новые. «Если кто должен был здесь работать, то здесь же и должен был начаться его день, — вспоминает Паабо. — Раз выйдя (за какой угодно надобностью), вернуться уже было нельзя, ведь мы в лаборатории анализировали огромное количество разнообразных ДНК, и их можно ненароком занести в „чистую комнату“. Мягко выражаясь, у меня развилась паранойя на почве загрязнений, и тому, честно, были причины».

Но в такой параноидальной атмосфере команда Паабо начала получать стабильные результаты. Они научились выделять ДНК из костей древних животных, используя метод, придуманный оксфордскими учеными для бактериального генома: нужно было сорбировать ДНК на стеклянную пыль, отмывать от раствора, а затем снимать частички ДНК с пылинок. Так удалось получить фрагменты ДНК плейстоценовой лошади, а затем и сибирского мамонта.

И хотя с остатками животных аспирантам Паабо приходилось непросто, с людьми должно было стать еще сложнее. Даже если в образец животного попадает грязь, результаты секвенирования можно потом сравнить с геномом человека и ее вовремя заметить. Но как быть с ДНК, которая намного сильнее похожа на ДНК экспериментатора?

В 1994 году в руки Паабо попал образец своеобразной, «ледяной» мумии. Ученого позвали взять пробу из пятитысячелетнего тела знаменитого Этци, найденного в альпийских льдах (мы рассказывали о нем в тексте «Из пропасти во льду»). Чтобы отделить его ДНК от ДНК экспериментаторов, аспирантке Паабо пришлось отбросить все длинные последовательности, которые получались при ПЦР, и сосредоточиться только на кусочках меньше 150 нуклеотидов, а потом искать среди них перекрывающиеся участки. А потом сложить паззл из 300 с лишним пар оснований — получив фрагмент мтДНК, который достоверно принадлежал Этци.

Работа с Этци вышла успешной, но уж очень непростой. И это при том, что мумия на удивление хорошо сохранилась, и ученым дали возможность взять образец, к которому точно никто не прикасался. А как быть с другими останками, от которых остались только фрагменты, и те наверняка заражены генетическим материалом археологов? Паабо решил больше не связываться с древними находками. Чтобы не сомневаясь отличать ДНК останков от человеческой, он переключился на супердревних людей — на неандертальцев.

Непохожие на нас

В костях неандертальцев Паабо принялся снова искать митохондриальную ДНК: в конце концов, в каждой клетке ее тысячи копий, а ядерной — всего одна, значит и шансов найти сохранившуюся за десятки тысяч лет нуклеиновую кислоту гораздо меньше. И первые же кусочки, которые группе Паабо удалось клонировать, оказались непохожими на человеческие: у них отличий от современной митохондриальной ДНК было в четыре раза больше, чем если сравнивать двух современных людей между собой. А значит, можно было с уверенностью говорить о том, что это не заражение, а настоящий древний геном.

Дальше нужно было как-то дотянуться до ядерной ДНК. Но проблемы оставались прежними: в ископаемых костях ее очень мало, а методы секвенирования тогда работали только с большим количеством копий (подробнее об этом — в нашем тексте «Путешествие к центру генома»). Здесь пришло на помощь еще одно знакомство Паабо: шведский биохимик Маттиас Улен, которого генетик то и дело расспрашивал о том, не появилось ли у молекулярщиков новых технологий, как раз придумал новый метод — пиросеквенирование. Он работал так: полимераза копирует изучаемую нить ДНК, и каждый раз, когда ей удается достроить еще один нуклеотид в цепочку, он испускает свечение. Если добавлять четыре нуклеотида (А, Т, Г, Ц) по очереди, то можно записать, в какой момент появилось свечение, — и таким образом узнать порядок букв в сиквенсе.

Этот метод позволял секвенировать ДНК в маленьких количествах и сразу, без предварительной подготовки и ПЦР — в ходе которых отдельные маленькие кусочки последовательности неизбежно терялись. Взявшись за дело, Паабо с коллегами в 2006 году собрал участок теперь уже ядерной ДНК неандертальцев — длиной в миллион нуклеотидов. И сразу бросился сравнивать ее с человеческой, благо проект «Геном человека» как раз недавно выложил свой черновик. Общего оказалось довольно много: по меньшей мере 99,5 процента. При этом в геноме неандертальца обнаружились последовательности кроманьонцев (предков современного человека), зато в геноме современных людей следов неандертальского ДНК Паабо не нашел.

Довольно быстро, правда, выяснилось, что и те и другие результаты — ложные. Неандертальскую ДНК с тех пор неоднократно находили у людей — возможно, в тот раз ученые просто ее не разглядели. А кроманьонские последовательности оказались обычной грязью, пробившейся даже сквозь маниакальную чистоту в лаборатории Паабо.

Поэтому когда швед честолюбиво пообещал на конференции в Колд-Спрингс собрать и расшифровать неандертальский геном полностью, ему предстояло еще сильнее позаботиться о чистоте своих данных. Их пришлось проверить трижды: по митохондриальной ДНК (нет ли в образцах последовательностей с современными вариантами), по Y-хромосоме (нет ли в сиквенсах из бедра неандерталки мужских последовательностей) и, наконец, по уже известным отличиям неандертальцев от людей. Полный черновик генома опубликовали в 2010 году — спустя 25 лет после первых опытов Паабо с мумией и телячьей печенью.

За эти годы группа Паабо успела отработать метод во всех деталях: выделение ДНК, очистка проб, секвенирование, очистка данных, сборка генома, снова очистка. И начала применять его ко всем неандертальским костям, до которых могла дотянуться, — чтобы набрать как можно больше материала. Так незадолго до публикации первого черновика неандертальского генома в Лейпциг прибыла фаланга пальца, найденная российскими археологами в Денисовой пещере на Алтае. По внешнему виду кости сложно было судить о принадлежности ее хозяина — а на сиквенсах подчиненные Паабо увидели совсем не то, чего ожидали. Последовательность митохондриальной ДНК отличалась и от обезьян, и от современных людей, и от неандертальцев. Так Паабо стал еще и первооткрывателем денисовских людей — а собрать их полный геном стало для поднаторевшей к этому времени лаборатории делом пары лет.

Полезные связи

Теперь, когда секвенировать стало еще проще и дешевле, у нас накопилось гораздо больше данных о неандертальцах, денисовцах и их генетическом обмене.

Мы знаем, что неандертальцы жили маленькими группами и часто заключали близкородственные браки — что, возможно, ускорило их вымирание. Но при этом они точно скрещивались с денисовцами — известен минимум один их общий потомок, от которого, правда осталась лишь маленькая косточка. И активно скрещивались с кроманьонцами: сегодня следы неандертальской ДНК находят у всех современных людей. А некоторым в Юго-Восточной Азии достались и последовательности от денисовцев.

Мы, правда, еще не понимаем до конца, какое именно влияние это наследие оказывает на современного человека. Следы приходится собирать по крупицам. Вот от неандертальцев достался вариант, усиливающий течение ковида. А вот еще один — наоборот, помогающий выжить. Вот еще одна антивирусная молекула — осталась меланезийцам от денисовцев. А вот целых три рецептора для распознавания микробов — их варианты тоже, вероятно усиливают иммунный ответ на инфекции. В этой коллекции есть даже денисовский вариант, позволяющий современным тибетцам выживать в горах при кислородном голодании.

Ценность этого наследства от древних братьев еще предстоит оценить. Возможно, однажды оно принесет кому-нибудь еще одну премию по физиологии или медицине. А сегодня Комитет оценил сам метод, посредством которого Сванте Паабо позволил нам это наследство увидеть. Этот метод — педантичность и коллаборация, умение оказаться в правильное время в правильном месте и рядом с правильными людьми. Паабо не придумал революционных технологий, но моментально брал на вооружение те, что возникли у него на глазах, и добился благодаря ним внушительных результатов, заложив заодно основы новой дисциплины — палеогенетики. Он соединил в своей работе успехи множества ученых и соавторов, в этом смысле повторив путь Homo sapiens, который собрал отдельные кусочки генома от других человеческих популяций, и возможно, именно благодаря этому дожил до наших дней.

Полина Лосева при участии Михаила Подрезова