Сванте Пэабо - Неандерталец. В поисках исчезнувших геномов

• Название: Неандерталец. В поисках исчезнувших геномов
• Автор: Сванте Пэабо
• Жанр: Образовательная литература
• Год: 2018
• ISBN: 978-5-17-091066-3

Шведский генетик Сванте Пэабо давно лелеял мечту, казавшуюся несбыточной: выделить ДНК из египетских мумий и, таким образом, “поближе познакомиться” с людьми, жившими тысячи лет назад. Юношеская одержимость повела его тернистым путем – через мучительный научный поиск, борьбу за чистоту экспериментов и интеллектуальную честность, дипломатические маневры и бюрократические войны… И завела намного дальше в глубину веков, к прочтению неандертальского генома, радикально меняющему все представления и о самих неандертальцах, и об их взаимодействии с предками современного человечества.

“Неандерталец” – это не только увлекательный рассказ о сенсационном прорыве, но и документ, фиксирующий важную веху в истории науки: становление палеогеномики, новой дисциплины, позволяющей методом исследования древних ДНК восстанавливать картину эволюции нашего вида в таких подробностях, о каких мы раньше не смели и мечтать.

---

Рис. 1.1. Реконструкция скелета неандертальца (слева) и современного человека (справа). С разрешения К. Моубрей, Б. Моли, Я. Татерсол, Г. Соер. Американский музей естественной истории

На следующий день и я, и Матиас опоздали в лабораторию. Мы, естественно, перепроверили вчерашнюю последовательность. Нужно было убедиться, что тут нет ошибок. А потом мы сели и стали думать, как нам дальше поступить. Ведь одно дело – выделить из неандертальских останков один небольшой интересный кусочек мтДНК, но совершенно другое – убедить себя (хотя бы себя, об остальном человечестве речь пока не шла), что эта ДНК принадлежит индивидууму, жившему 40 тысяч лет назад. Предыдущие двенадцать лет работы довольно точно определяли наши дальнейшие действия. Сначала нужно повторить эксперимент. И не просто самый последний его этап, но все с самого начала, с высверливания кусочка кости. Ведь есть вероятность, что мы обманулись случайно попорченной и видоизмененной человеческой мтДНК из этой кости. Затем нужно удлинить этот фрагмент последовательности мтДНК с помощью других фрагментов, которые с ним перекрываются. За счет этого у нас появится возможность реконструировать относительно длинные участки последовательности. И уже с них начнется выяснение, насколько неандертальская мтДНК отличается от сегодняшней человеческой. И только потом приступить к третьему, важнейшему этапу. Я сам часто говорил, что результаты, из ряда вон выходящие, требуют столь же тщательных, из ряда вон выходящих проверок – а именно повторения их в других независимых лабораториях. Что совершенно нетипично для нашего насквозь конкурентного научного мира. А заявление насчет прочтения неандертальской ДНК будет, безусловно, сочтено как раз таким, из ряда вон выходящим. Так что если мы хотим исключить возможные лабораторные ошибки, то придется отдать кусочек драгоценной неандертальской кости в какую-то независимую лабораторию и молиться, чтобы там получили те же результаты. Мы сидели и говорили обо всем этом с Матиасом и Ральфом. Прикинув план работ, мы поклялись держать все в строжайшей тайне. Не стоит привлекать к себе внимание, пока не уверимся, что все в точности так, как мы думаем.

Матиас сразу же ударился в работу. Промаявшись почти три года в тщетных попытках извлечь ДНК из египетских мумий, он воодушевился перспективой успеха. Ральф должен был вернуться в Бонн и ужасно из-за этого переживал; там он ничего не мог делать, только сидеть сложа руки и с горячим нетерпением ждать от нас весточки. Я пытался сосредоточиться на своих собственных проектах, но мне с огромным трудом удавалось отвлечься от Матиасовых занятий.

А Матиасу приходилось нелегко. Ведь мы работали не с теми чистенькими образцовыми препаратами, какие получаются из образцов крови или тканей живых индивидов. Из учебников мы привыкли к виду аккуратной двойной спирали ДНК, в которой чередой идут друг за дружкой нуклеотиды АТГЦ, соединенные попарно – аденин с тимином и гуанин с цитозином – и пристегнутые к остову из сахара и фосфата. Но на самом деле в клеточном ядре или в митохондриях ДНК все время в движении, ее химическая структура не статична. Напротив, ее упорядоченная организация то и дело нарушается, повреждения хитрыми способами отслеживаются и исправляются. Вдобавок молекула ДНК ужасно длинная. Каждая хромосома представляет собой одну громадную молекулу. В комплекте из 23 хромосом человека собраны в сумме около 3,2 миллиарда нуклеотидов. Так как в ядре у нас два таких комплекта – один от отца, другой от матери, и в каждом по 23 хромосомы, – то всего получается 6,4 миллиарда нуклеотидов (или лучше пар нуклеотидов, так как спираль двойная). По сравнению с ядерной митохондриальная ДНК ничтожна, всего 16 500 пар нуклеотидов. Но и это число велико. Кроме того, не будем забывать, что ДНК нам попалась древняя, а не современная, и как с ней работать, неизвестно.

Самый распространенный тип повреждений ДНК как ядерной, так и митохондриальной – это потеря одной из химических составляющих у цитозина. Цитозин, избавившись от аминогруппы, превращается в урацил (У), другой нуклеотид, который никогда не встречается в природных ДНК. В клетках имеются особые ферментные системы, убирающие урацил и возвращающие цитозин на место. Вырезанные урацилы отправляются на клеточную свалку. Между прочим, по числу дефектных нуклеотидов в анализах мочи подсчитано, что в каждой клетке ежедневно примерно 10 тысяч цитозинов превращаются в урацилы и затем возвращаются в исходную форму. И это лишь одна из десятка обычных химических опасностей, которые подстерегают наш геном. Например, нуклеотид может выпасть, получается пустое место, по которому происходит разрыв нитей двойной молекулы ДНК. С этой напастью сражаются специальные ферменты, которые вставляют нуклеотиды на место; им нужно успеть до того, как нити разойдутся. А если все же это произошло, то в бой вступают другие ферменты – их задача вновь соединить разошедшиеся нити. В действительности хватит и часа, чтобы клеточный геном изменился, не будь эти ремонтные бригады постоянно на страже.

Для бесперебойной работы ремонтных (или репарационных) систем, понятное дело, необходима энергия. Но после смерти, когда останавливается дыхание, в клетках быстро заканчивается кислород и, соответственно, энергетическая подпитка. В результате система репарации прекращает работу, и начинают накапливаться всевозможные повреждения. К повреждениям, происходящим в живой клетке, добавляются еще и спонтанные посмертные изменения молекул, связанные с процессами разложения. В живой клетке все ферменты и другие вещества содержатся отдельно друг от друга, каждое в предназначенном ему клеточном участке, компартменте. Поддержание компартментов в порядке – это одна из ключевых функций клетки. В одних отделах сконцентрированы ферменты, способные разрезать нить ДНК, они вступают в действие на некоторых этапах репарации. Другие отделы содержат ферменты, которые измельчают ДНК микроорганизмов, так или иначе попадающих в клетку. А когда организм умирает и перестает вырабатывать энергию, эти клеточные компартменты смешиваются, мембраны растворяются, ферменты вытекают наружу и разлагают ДНК каждый своим порядком. За какие-нибудь часы или дни нити ДНК разрезаются, дробятся на кусочки, все более и более мелкие по мере течения времени. Тут же начинают безудержно расти бактерии – обитатели наших кишок и легких, ведь тело потеряло способность контролировать их размножение. И в конце концов хранившаяся в молекулах ДНК генетическая информация растворяется, та информация, которая некогда сформировала наше тело, поддерживала его, заставляла действовать. И когда этот процесс завершается, уходят последние следы нашей биологической индивидуальности. В некотором смысле так заканчивается процесс физической смерти.

Но вспомним: практически каждая из триллионов клеток тела содержит полный комплект индивидуальной ДНК. Поэтому даже если в одних клетках ДНК полностью исчезнет, то в других, запрятанных в укромных тайниках тела, могут и сохраниться кое-какие генетические следы. К примеру, любые процессы разложения идут в присутствии воды. А если какой-то участок тела высохнет, не дожидаясь полного разложения ДНК? Тогда разрушение ДНК остановится, и отдельные фрагменты могут законсервироваться. Так происходит, если тело оказывается в сухом месте и мумифицируется. Тело может высохнуть случайно – мало ли, где настигает смерть, – или же труп подвергается намеренному обезвоживанию. Более всего этим знаменит Древний Египет, где примерно от 5000 до 1500 лет назад тела сотен тысяч умерших подвергались ритуальной мумификации, чтобы их души и после смерти имели пристанище.

Пусть даже никакой мумификации не происходит, но некоторые части тела, такие как зубы и кости, продолжают существовать еще долго после захоронения. Живые клетки в этих твердых тканях устроены в крошечных полостях минеральной матрицы; без живых клеток не было бы никакой возможности наращивать новую костную ткань, например при переломах. Когда костная клетка умирает и ее содержимое растекается, то ДНК может связаться с минеральной основой. Минеральные комплексы обеспечивают химическую защиту молекулам ДНК. И за счет этого некоторой части ДНК может посчастливиться избежать немедленного разрушения.

Предположим, что часть ДНК пережила посмертный телесный хаос. Но есть и другие процессы, которые набрасываются на генетическую молекулу, действуя, правда, гораздо медленнее. Отнесем к ним фоновую космическую радиацию, постоянно создающую активные радикалы, трансформирующие и разрушающие ДНК. И другие химические процессы, идущие в присутствии воды – такие как превращение Ц в У, – как мы уже знаем, не останавливаются при высушивании. В огромной ДНК всегда присутствуют молекулы воды, пристроенные между двумя нитями, потому что составляющие нитей имеют сильное сродство, афинность, с водой. Эти молекулы воды вступают в самопроизвольные водозависимые реакции. Самая быстрая из таких реакций – деаминация, потеря аминогруппы цитозином. В результате этой реакции – и не только этой, но и многих других, пока еще не расшифрованных, – молекула ДНК дестабилизируется, и нити рвутся. Так что мало опустошения, какое производит смерть в генетическом хозяйстве, ДНК продолжает убывать и дробиться, даже если удалось пережить клеточную смерть. Понятно, что темпы утраты генетической информации зависят от многих факторов: от температуры, кислотности и прочего. Но даже при самом благоприятном стечении обстоятельств генетическая программа, которая строила шаг за шагом свой персонаж, в конце концов разрушается и исчезает. Получается, что нам с коллегами удалось захватить еще не завершенный процесс деградации неандертальской ДНК: за 40 тысяч лет природные силы еще не до конца справились со своей разрушительной задачей.