Книга Таинственный геном человека - Фрэнк Райан

Сванте Паабо

Сванте Паабо — эволюционный генетик шведского происхождения, работающий в Институте эволюционной антропологии Макса Планка в Лейпциге в Германии, сын биохимика Карла Суне Детлофа Бергстрема, который в 1982 году получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытия, связанные с простагландинами. Паабо основал новую исследовательскую научную дисциплину, известную как палеогенетика. До недавнего времени генетики полагали, что чтение геномов вымерших растений и животных (как, например, в романе «Парк Юрского периода» Майкла Крайтона) практически невозможно, так как ДНК разлагается со временем. Чем старше окаменелые кости, тем сильнее распад ДНК. Считалось, что по этой причине древние окаменелости, датируемые десятками или даже сотнями лет назад, не содержат почти никакой остаточной ДНК и не являются источником полезной генетической информации. Но начиная с 1980-х годов Паабо и его коллеги прокладывают пути в эту неизведанную область.

За время работы они выяснили, что древняя ДНК, пусть и в измененном состоянии, иногда выдерживает натиск времени. При создании своей революционно новой науки Паабо усовершенствовал методы амплификации и извлечения генетической информации из окаменевших костей и прочих древних останков. Это позволило ему изучить геномы давно вымерших животных и растений, а также, что наиболее интересно, видов человека. В интервью на сайте Edge Паабо признается, что в самом начале наивно полагал, будто изучать геномы давно умерших людей будет просто. Изначально он интересовался недавним прошлым, в частности работал с мумифицированными телами древних египтян, предполагая, что исследовать их будет легче, чем останки вымерших гоминид. «Меня привлекало их величие», — замечает он. Паабо настойчиво шел к своей мечте и, как бы сложно это ни было, в конце концов преуспел.

Для того чтобы понять, как ему это удалось, давайте снова сядем в наш волшебный поезд и прокатимся по геномному ландшафту древних окаменелостей. Двумя наилучшими источниками древней человеческой ДНК являются кости и зубы. Это и определит направление движения — мы отправимся в геном, извлеченный из кости или зуба давно умершего человека. Пейзаж за окном вагона не похож на виденный ранее. Перед нами не ровное полотно, уходящее вдаль, а лишь разрозненные фрагменты, которые на расстоянии напоминают последствия взрыва на фабрике спагетти. Подъехав поближе, мы понимаем, что смотрим на мириады осколков распавшегося генома. В ужасе мы глядим на разломанные участки и отдельные куски, которые кажутся нам бессмысленным нагромождением. Вряд ли мы сможем прочитать изначальный код в последовательности шпал. Кажется, генетики были правы, говоря о том, что с геномом древних окаменелостей невозможно работать…

Но это не совсем так. Каждый фрагмент содержит небольшой, но уникальный кусочек ДНК, или, в нашей аналогии, — обломок железнодорожного полотна. Если присмотреться к этим обломкам повнимательнее, можно увидеть, что каждый фрагмент содержит от одной-двух до нескольких сотен шпал. Но разве это важно, если всего человеческий геном насчитывает 6,4 миллиарда таких шпал? И действительно, если бы в окаменевшей кости не было больше ничего, кроме фрагментированных остатков одной копии генома, любая попытка прочитать его была бы обречена на провал. Однако все эти мириады осколков — не кусочки одного генома, а фрагменты его многочисленных копий, остатки миллиардов отдельных клеток, из которых когда-то состояла кость.

Итак, все эти многочисленные копии разбиты на разные фрагменты. Изначально в рамках проекта Human Genome Project геном целенаправленно фрагментировали, чтобы получить более удобные для изучения участки. Точно так же многочисленные обломки из древней окаменелой кости будут содержать участки ДНК, накладывающиеся друг на друга. Вопрос состоит в том, насколько велико должно быть пересечение, чтобы мы могли быть уверены, что оно появилось не случайно. На самом деле расчет довольно прост. Какова вероятность того, что три, четыре, шесть или восемь нуклеотидов окажутся в одинаковой последовательности? Поскольку нуклеотидов всего четыре, то с вероятностью один к четырем выпасть может Г, А, Ц или Т. Для первых двух нуклеотидов в последовательности вероятность составляет 4 × 4, то есть 1/16. С каждым последующим добавлением нуклеотида мы умножаем это выражение еще на 4. К тому моменту, как нуклеотидов в последовательности становится восемь, вероятность ее случайного повторения составляет 1: 65 536. Это почти невозможно. Итак, у нас появилась работающая система.

Первый шаг очевиден. Необходимо секвенировать каждый фрагмент и ввести информацию в компьютер с очень большой памятью. На втором этапе мы займемся поиском совпадающих участков во введенных последовательностях и выявим области пересечения. После этого можно начать соединять фрагменты, используя пересекающиеся области для выявления точек соединения. По сути, мы воспроизводим метод, с помощью которого впервые был секвенирован человеческий геном, но используем меньшие по размеру последовательности, которые необходимо соединить друг с другом.

Создание метода Паабо стало возможным благодаря работам его коллег. Открытие нобелевским лауреатом Кэри Муллисом полимеразной цепной реакции помогло понять, что даже если отдельные фрагменты были представлены в очень небольшом количестве копий, слишком крошечных для того, чтобы быть обнаруженными автоматическим оборудованием для секвенирования, они будут многократно дублироваться и в конечном итоге станут заметными. Сотрудничество с инновационной американской биотехнологической компанией 454 Life Sciences, основанной Джонатаном Ротбергом, дало Паабо доступ к оборудованию для автоматического секвенирования ДНК с высокой пропускной способностью. В 1997 году компанию купила фармацевтическая корпорация Roche. Теперь весь процесс можно было полностью автоматизировать. Машины извлекали древнюю ДНК, увеличивали ее при помощи ПЦР-амплификации и создавали своего рода суп из мелких элементов и кусочков генома, которые можно было внести в базу, а затем соединить друг с другом в местах пересечений.

Разумеется, нужно было преодолеть и другие проблемы, например загрязнение тестовых образцов ДНК людей, животных и бактерий. Для их устранения группа Паабо использовала энзимы. Для того чтобы на образцы не попадала их собственная ДНК, члены группы работали в стерильных помещениях и принимали меры биологической защиты. В процессе секвенирования они выяснили, что один из нуклеотидов ДНК, цитозин, иногда распадается до урацила, который заменяет тимин в РНК. Затем задача усложнилась еще больше: оказалось, что иногда цитозин, эпигенетически помеченный метиловой группой, превращается не в урацил, а в тимин. Первое время это смущало ученых, но затем они поняли, что совершили важное открытие. В 2009 году один из членов команды, Эдриан Бриггз, разработал метод, позволяющий отличать тимин, полученный из метилированного цитозина, от обычного тимина. Теперь ученые могли считать первоначальную эпигенетическую программу генома. Постепенно группа Паабо совершенствовала техники извлечения ДНК и качество чтения полученного материала.

Их методы были взяты на вооружение другими лабораториями и применены к останкам мамонта, пещерного медведя и целаканта, а также окаменелым растениям. Паабо и его команда в это время занимались единственной и наиболее интересной задачей, которую они взяли на себя изначально, — извлечением генома родственника человека, неандертальца. Кажется, пришло время кратко поговорить про эволюционную историю человечества.