Сванте Пэабо.

Неандерталец. В поисках исчезнувших геномов



скачать книгу бесплатно

К тому времени я был отлично знаком с загрязнениями. В течение двенадцати лет я анализировал древнюю ДНК из вымерших млекопитающих – пещерных медведей, мамонтов, гигантских ленивцев. Раз за разом получая унылые результаты (практически во всех костях после ПЦР я обнаруживал человеческую мтДНК), я обдумывал и изобретал способы, как уменьшить загрязнение. Поэтому Матиас выполнял все приготовительные к ПЦР операции (обработка образцов, вытяжки и все такое – вплоть до первого нагревания смеси) в особой комнатке, сверхчистой, отделенной с абсолютной надежностью от остальных лабораторных помещений. А когда древняя ДНК вместе с праймерами и другими необходимыми для ПЦР компонентами наливались в пробирку, пробирка запечатывалась, ее относили в лабораторию и там уже с ней дальше работали. В “чистой комнате” раз в неделю все поверхности мыли хлоркой и каждую ночь включали ультрафиолет, чтобы разрушить всю занесенную с пылью ДНК. Чтобы туда зайти, нужно было в специальном предбаннике облачиться в защитную робу, надеть на лицо маску, на волосы специальную шапочку, на руки перчатки. Это проделывал и Матиас, и любой, кто работал в “чистой комнате”. Все реактивы и инструменты доставлялись прямо в эту комнату, минуя любые другие институтские помещения. Если кто должен был здесь работать, то здесь же и должен был начаться его день. 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.

И даже со всеми предосторожностями в тех первых экспериментах нашлись следы загрязнений. После ПЦР всю полученную из кости партию ДНК – а это были предположительно однотипные фрагменты из 61 нуклеотида – Матиас клонировал в бактериальных носителях. Это делалось для того, чтобы проверить, действительно ли получился только один тип фрагментов или там их несколько. В бактерию с помощью специального носителя – плазмиды – встраивался один 61–??нуклеотидный фрагмент, в другую бактерию следущий, в третью бактерию следующий далее и т. д. Затем бактерии размножались, и вместе с ними клонировались и встроенные фрагменты ДНК. Таким образом, отсеквенировав ДНК бактерий из выросших колоний, можно было увидеть, какие типы ДНК присутствовали в полученной от ПЦР партии фрагментов. В самых первых Матиасовых эспериментах мы получили 17 колоний с идентичными фрагментами, которые при этом отличались от всех двух тысяч с хвостиком доселе известных современных. И вдобавок к ним еще один фрагмент, которому нашлось соответствие среди этих двух тысяч. Так что загрязнение все-таки было, возможно, от музейных работников, а возможно, от других людей, через чьи руки прошел образец за 140 лет изучения.

Поэтому первым делом Матиас повторил ПЦР и клонирование. На этот раз он выявил 10 клонов с одним и тем же фрагментом, тем самым, выстраданным нами, и еще два других, которые, похоже, произошли от современных людей.

Потом Матиас взял другой костный кусочек, сделал из него новую вытяжку, снова провел ПЦР и снова клонировал всю партию в бактериях. И получилось 10 колоний с нашим уникальным фрагментом мтДНК и 4 лишних, современных. И вот тут мы с удовлетворением решили: всё, наш результат прошел первую проверку, мы можем повторять все операции и получать каждый раз ту самую необычную последовательность ДНК.

Матиас приступил к “проходке” вдоль ДНК. Для этого он использовал другие праймеры. Такие, которые строили отрезки ДНК, частично перекрывающиеся с нашим первым, но и удлиняющие его по нити мтДНК (см. рис. 1.2). И снова мы увидели, что в некоторых из этих фрагментов отклонения в ДНК ни на какие современные не похожи. За несколько следующих месяцев Матиас получил 13 кусочков ДНК разной длины, повторив все опыты по меньшей мере дважды. По ходу дела мы встретились с естественными трудностями интерпретации – а что делать, если любая молекула ДНК подвержена мутациям. И причины мутаций могли быть самыми разнообразными: и древние химические модификации, и ошибки секвенирования, и редкие, но все же встречающиеся вариации мтДНК в клетках одного индивидуума. Тут помогла тактика, которую я придумал, еще работая с древней ДНК животных (см. снова рис. 1.2). Для каждой позиции мы принимали за норму такой нуклеотид (А, Т, Г или Ц), который встречается в этой позиции чаще всего во всех размноженных (амплифицированных) и прочтенных последовательностях. Также мы ввели требование, чтобы нуклеотид, стоящий в определенной позиции, был найден по крайней мере в двух независимых повторах. Это было нужно, потому что в некоторых случаях, крайне редких, ПЦР может стартовать только с одной нити. И тогда, в результате подобной ошибки в ПЦР или нарушения в самой ДНК, будут амплифицироваться только клоны этой одной нити, но не комплементарной ей, и в итоге все нуклеотиды конкретной позиции будут совершенно одинаковы. Если в двух экспериментах ПЦР давали разные результаты, то мы повторяли эксперимент третий раз и смотрели, какой из вариантов с ним сойдется. Матиас получил в результате 123 последовательности и затем, прикладывая один кусочек к другому, сложил эту мозаику в участок длиной в 379 нуклеотидов. И это был тот самый изменчивый участок мтДНК. С учетом наших критериев правдоподобия нуклеотидных позиций это был тот самый кусочек ДНК, который некогда работал в живом неандертальце (или неандерталке). Собрав длинный отрезок “нашей” ДНК, мы подобрались к самой волнующей части – к сравнению его с аналогичными современными человеческими фрагментами.

И вот мы сравниваем наш 379–??нуклеотидный участок неандертальской мтДНК с аналогичными участками у 2051 современного человека со всего света. И находим, что неандертальская ДНК отличается от каждой из современных в среднем в 28 позициях. А ДНК современных людей отличаются друг от друга в среднем семью нуклеотидами (речь идет, естественно, об одном конкретном участке мтДНК). Получается, что неандертальские различия вчетверо больше современной вариабельности.

Затем мы посмотрели – вдруг имеются какие-то указания на большее сродство неандертальской ДНК к современной европейской? Такое вполне могло бы быть, потому что эволюция неандертальцев была сосредоточена на территории Европы и Западной Азии. И некоторые палеонтологи убеждены, что европейцы своим происхождением обязаны именно неандертальцам. Чтобы понять, так ли это, мы сравнили неандертальскую последовательность отдельно с европейскими вариантами (у нас было 510 европейских последовательностей), азиатскими (478) и африканскими (494). Среднее число различий со всеми тремя группами оказалось одинаковым – по 28 нуклеотидов. Это означало, что европейская мтДНК отличается от неандертальской ровно настолько же, насколько африканская и азиатская. Тогда мы подумали: возможно, среди европейской выборки найдутся отдельные индивиды, у которых мтДНК больше других похожа на неандертальскую; подобные отклонения могли бы проявиться, передай неандертальцы европейцам свои митохондриальные гены. Проверили и эту гипотезу: самые похожие последовательности имели “всего” 23 отличия против средних 28. В африканской и азиатской выборках такие же отклонения в сторону неандертальцев составили 22 и 23 нуклеотида соответственно. В итоге мы, во-первых, выяснили, что неандертальская мтДНК резко отличается от современной во всех частях света, во-вторых, не обнаружили никаких свидетельств какой-то особой связи между европейцами и неандертальцами.

Рис.  1.2.  Реконструкция  участка  мтДНК,  извлеченного  из  кости  неандертальца,  типового образца из долины Неандерталь. Верхняя строчка – соответствующая эталонная последовательность  современного  человека.  Каждая  нижеследующая строчка  –  это один амплифицированный фрагмент из неандертальского образца. В тех позициях, где современные и древние нуклеотиды не отличаются, я поставил точки; там, где различия нашлись, я их указал. Самая нижняя строчка – это то, что получилось после наложения фрагментов друг на друга. Наши требования к определению “особых” нуклеотидов соблюдались строго: нуклеотид должен был найтись в конкретной позиции в двух независимых экспериментах и отличаться от эталонной последовательности в большинстве полученных фрагментов. Из: Matthias Krings et al. Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans. Cell 90, 19–30 (1997).



Понятно, что, занимаясь простым подсчетом различий, мало что поймешь об истории той или иной области ДНК. Найденные различия представляют собой мутации, имевшие место в эволюционном прошлом. Но, как мы знаем, некоторые типы мутаций случаются чаще других, и в одних позициях нуклеотиды больше склонны к мутированию, чем в других. В таких позициях могут происходить не одна и не две мутации, особенно если речь идет о частых видах мутаций. Поэтому, чтобы представить ход трансформации конкретного участка ДНК, нужно составить модели мутирования для каждой позиции; в особенности тех, что мутировали, как мы предполагаем, не единожды, затирая предыдущие нуклеотидные варианты. В результате такого моделирования вырисовывается дерево, его конечные веточки представляют собой последовательности ДНК, которые сходятся к определенной предковой последовательности. Предковые последовательности – это точки схождения отдельных веточек (рис. 1.3). Проделав эту процедуру с ДНК современных людей, мы увидели, что все они собираются к одной точке, к одному общему предку.

В принципе подобного результата мы и ожидали, еще в восьмидесятых[1]1
  R.L. Cann, Mark Stoneking, and Allan C. Wilson, Mitochondrial DNA and human evolution. Nature 325, 31–36 (1987).


[Закрыть]
 он был получен Аланом Уилсоном. Ведь каждый из нас несет только один тип мтДНК и не может обмениваться с другими членами популяции участками этой ДНК. Митохондриальная ДНК передается нам только от матери, поэтому те матери, у которых нет дочерей, не смогут передать свою мтДНК по наследству. И тогда ее мтДНК исчезнет из популяции. Поэтому в каждом поколении некоторые линии мтДНК изымаются из оборота. Следовательно, в какой-то момент должна была существовать женщина – ее называют митохондриальной Евой, – которая несла ту единственную мтДНК, которая не вымерла и по мере своей истории мутировала, изменялась, давая начало другим линиям мтДНК, существующим у современных людей. Тут срабатывает простая вероятность – все линии вымерли, а одна какая-то осталась.


Рис. 1.3. Дерево мтДНК, показывающее предковые линии современных людей; все  они  сходятся  к  митохондриальной  Еве  (отмечено  кружком),  жившей  до  общего митохондриального предка с неандертальцами. Порядок ветвления дерева выведен на основе сортировки различий в мтДНК, числа в точках ветвления показывают статистическую вероятность того, что реконструкция данного узла верна.  Из: Matthias Krings et al. Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans. Cell, 90, 19–30 (1997) с изменениями.


По нашим расчетам выходило, что неандертальская мтДНК не соединялась с линией митохондриальной Евы. Неандертальская линия уходила в прошлое дальше нашей общей митохондриальной праматери. Этот вывод обрадовал нас несказанно! Еще бы, ведь он доказывал, что мы не ошиблись и, вне всяких сомнений, имеем дело с неандертальской ДНК. И потом, из него явствовало, что мы с неандертальцами (по крайней мере, наши с ними ДНК) глубоко различны.

С помощью моделей нам с коллегами удалось подсчитать, как давно жил носитель предковой мтДНК, объединяющей нас и неандертальцев. В общем случае число различий между двумя независимо существующими линиями мтДНК указывает, сколько потребовалось поколений, чтобы эти различия накопились. Если скорость мутирования известна и принимается постоянной, то число различий пересчитывается на количество поколений и, соответственно, на время. Конечно, в далеких группах животных, например у мышей и обезьян, скорость мутирования сильно разнится. Но у близких групп, таких как люди, неандертальцы и человекообразные обезьяны, скорость мутирования более или менее одинакова. Поэтому такие расчеты времени жизни последнего общего предка неандертальцев и людей (точнее, их мтДНК) вполне реальны. По нашим данным и моделям получилось, что мт-предок всех современных людей (то есть митохондриальная Ева) жила примерно 100–200 тысяч лет назад, как и было прежде подсчитано Аланом Уилсоном и его соавторами. А общий предок, а точнее прародительница, давшая начало и неандертальской последовательности, и всем современным, существовала примерно 500 тысяч лет назад. Иными словами, она старше митохондриальной Евы, праматери современного человечества, в три-четыре раза.


Чудесно! Наконец-то я окончательно убедился, что мы прочитали кусочек именно неандертальской ДНК, которая решительно отличалась от человеческой. Но теперь, чтобы опубликовать результаты, нам предстояло преодолеть третий барьер. Мы должны были найти независимую лабораторию, которая повторила бы наши результаты. Не обязательно было проверять всю последовательность целиком, достаточно было прочитать часть ее, но такую, которая бы содержала одну или несколько нуклеотидных замен, отличающих неандертальца от нас. Так или иначе, необходимо было, чтобы независимые эксперты доказали, что мы имеем дело не со странной химерой, обосновавшейся где-то в нашей лаборатории, а с настоящей ДНК из древней кости. Но к кому обратиться? Это такой тонкий вопрос…

Конечно, многие без раздумий согласились бы принять участие в подобном потенциально высокорейтинговом проекте. Но что, если в выбранной лаборатории не будет приличной технологии очистки от загрязнений, что, если они плохо знакомы с нашими методиками? У них же тогда никакая древняя ДНК не выделится и не размножится. В этом случае наши результаты будут считаться невоспроизводимыми, а значит, публиковать их нельзя. Ни в одной лаборатории, насколько я знал, не работали в таком режиме стерильности, как у нас, но все же мы остановились на группе Марка Стоункинга, специалиста по популяционной генетике в Пенсильванском университете. Я с ним познакомился в восьмидесятых в Беркли, когда работал после аспирантуры, он тоже там проходил стажировку после аспирантуры у Алана Уилсона. Марк Стоункинг был среди первооткрывателей митохондриальной Евы, он участвовал в разработке гипотезы “из Африки”. Согласно этой гипотезе люди современного типа появились в Африке 100–200 тысяч лет назад и оттуда распространились по всему миру, заместив все другие формы людей, например неандертальцев в Европе, без всякого перемешивания. Я уважал в нем проницательность и честность, к тому же с ним легко было иметь дело. А еще у него была аспирантка Энн Стоун, серьезная и целеустремленная девушка, которая раньше, в 1992–1993 годах, работала у нас в лаборатории. Она изучала мтДНК из скелетных остатков индейцев, поэтому, безусловно, была знакома с нашими методами. Если кто и сможет повторить наши эксперименты, как мне виделось, то это она.

Я связался с Марком. Как я и думал, и он, и Энн с радостью согласились попробовать, и мы разделили последний костный кусочек, переданный нам Ральфом. Сообщили Марку и Энн, какой фрагмент мтДНК они должны попытаться размножить (амплифицировать) – такой, чтобы уж точно попасть хотя бы на одну, но характернейшую неандертальскую замену. Но больше ничего им не послали – ни праймеров, ни реагентов. Только кусочек кости в запечатанной пробирке, которую не открывали с самого Бонна. Такие предосторожности сводили к минимуму вероятность переноса загрязнения из нашей лаборатории в их. И конечно, мы не сказали, в какой позиции должна найтись замена: не потому, что я не доверял Марку и Энн, а потому, что хотел подстраховаться даже от бессознательной подгонки результата. Короче, Энн должна была синтезировать праймеры и все прочее сама, ничего не зная о конечном результате. Так что, отправив быстрой почтой пробирку с косточкой, нам оставалось только ждать.

Обычно на такого рода эксперименты уходит много времени, больше, чем рассчитываешь. То праймеры вовремя не подвезут, то реактив окажется “грязным”, с человеческой ДНК, или лаборант заболевает как раз в день эксперимента, когда он должен загрузить секвенатор самыми важными образцами. Нам казалось, что мы ждали вечность. Но вот как-то вечером раздался звонок из Пенсильвании. Это была Энн. Я сразу по голосу понял, что новости не отрадные. Она нашла 15 различных вариантов того самого участка ДНК, который мы ей задали. Но все они были современные. Какое сокрушительное поражение!

Что не так? Неужели нам попалась какая-то шальная современная ДНК? Я не мог в это поверить. Если наш вариант от какого-то современного животного, то почему он так близок к человеческому? А если это все же какой-то современный человек, то очень уж странный – по ДНК у него в четыре раза больше отличий от остального человечества, чем у всех других людей между собой. А может, это какая-то старая ДНК, в которой определенные позиции особо подвержены химическим атакам неизвестной природы? Но в этом случае мы бы получили нечто похожее на современную ДНК с дополнительными изменениями и у нас бы не вышло по этой ДНК филогенетическое дерево со сколько-нибудь внятными разветвлениями. И к тому же в этом случае Энн получила бы ту же последовательность, что и мы. Вероятно все же, что у Энн в экстрактах оказалось гораздо больше загрязнений, чем у нас, и они заглушили слабый молекулярный сигнал неандертальской ДНК – это единственное логичное объяснение, какое приходило мне в голову. И что тогда делать? К Ральфу за новыми костными образцами мы больше не могли обращаться: с таким исключительно ценным материалом нужно работать наверняка, а у нас неизвестно что получится, если в этот раз мы потерпели неудачу.

И мы вот как подумали. Пусть у Энн в образцах больше загрязнений, но если она отсеквенирует тысячи молекул, то среди них найдутся и очень редкие варианты, похожие на наши. Мы, пока суд да дело, провели эксперименты и подсчитали, что наши ПЦР мы начинали с 50 молекул мтДНК. Для сравнения: пылевые частицы, которые могут быть источником загрязнений, содержат десятки, а то и сотни тысяч молекул мтДНК. Ясно, что подобная “поисковая” экспедиция с огромной вероятностью грозит обернуться неудачей.

Я обговорил эти проблемы с Матиасом. А потом мы обсудили ситуацию на лабораторном совещании, где присутствовали все посвященные в тонкости выделения древних ДНК. Я считаю подобные расширенные совещания исключительно полезными, за время своей работы я не раз убеждался в этом. Нашими удачами в поворотные моменты исследований мы обязаны именно таким собраниям. На этих встречах неожиданно рождаются идеи, которые никогда бы не пришли в голову, целиком занятую одной задачей. К тому же часто бывает, что ученый, влюбленный в свою тему или погруженный по уши в текущий проект, должен, так сказать, встретиться с реальностью, рассказать вслух и защитить свои идеи, иначе можно легко принять желаемое за действительное. Зачастую на таких совещаниях я выступаю как модератор, направляя разговор и отмечая стоящие предложения.

Вот и тогда на нашей рабочей встрече выработался план. Мы решили, что попросим Энн использовать праймеры, которые не подходят к современным ДНК, зато подошли бы к гипотетическому неандертальскому фрагменту: последний нуклеотид в последовательности праймера должен быть специфически “неандертальским”. С такого праймера современная ДНК будет стартовать и амплифицироваться с трудом, зато, найдись там неандертальская последовательность, вероятность выловить ее здорово повышается! Мы все обсудили, в особенности можно ли будет считать работу Энн независимым исследованием, ведь она будет искать с нашей подсказкой. Конечно, если бы у Энн все получилось само собой, без всякой предварительной информации, то это было бы просто превосходно. Но ведь мы собирались раскрыть ей для синтеза праймеров всего одну замену, а две другие, которые должны объявиться в последовательности, пусть останутся тайной. Мы ей не скажем. И если она их найдет, эти специфические замены, то это будет достаточным доказательством, что “наша” ДНК – настоящая, неандертальская, из косточки. На том мы и порешили, этот путь казался нам вполне обоснованным.

Энн была передана необходимая информация. И она заказала нужные праймеры. Мы стали ждать. А уже была середина декабря, и Энн нас предупредила, что собирается улететь на рождественские каникулы к родителям в Северную Каролину. Не мог же я приказать ей отменить поездку, хотя, конечно, очень хотелось. Но она позвонила. Через две недели. Энн получила пять молекул из своего секвенатора. И все они содержали те самые две нуклеотидные замены, которых мы ждали, из неандертальской последовательности. Те самые, которых нет (или они крайне редки) у современных людей. Какое огромное, бесконечное облегчение! Рождественские каникулы мы заслужили. Позвонили Ральфу в Бонн, обрадовали его хорошими новостями и разъехались.

В то Рождество в компании биологов я отправился в Альпы, на далекие лыжные склоны у австрийской границы, как часто делал в мой мюнхенский период. Но тогда, даже летя вниз по склонам головокружительных заснеженных долин, я в мыслях сочинял статью, где впервые – впервые! – будет выложена последовательность ДНК неандертальца. То, что мне предстояло описать, кружило голову куда сильнее, чем самые крутые склоны ледяных Альп.



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8