Текст книги "Неандерталец. В поисках исчезнувших геномов"

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.

Вернувшись в лабораторию после Рождества, мы с Матиасом засели за статью. Перед нами встал важный вопрос, где ее публиковать. Очевидный вариант представляли британский Nature или его американский аналог Science, самые уважаемые в научном сообществе и цитируемые в прессе, если бы не их жесткие требования к размеру публикаций. А мне хотелось иметь возможность описать все детально – не только убедить мир, что у нас все по-настоящему получилось, но и познакомить научное сообщество с нашими скрупулезными методами получения и анализа древней ДНК. Вдобавок я несколько разочаровался в обоих изданиях: они то и дело печатали статьи о древних ДНК, эффектные и громкие, но не отвечающие тем научным критериям, которые моя команда считала необходимыми. Складывалось такое впечатление, что они скорее опубликуют статью, которая заинтересует первую полосу New York Times, чем ту, результаты которой надежны и неопровержимы.

Я обсудил все это с Томасом Линдалем, шведским ученым, работавшим в лондонской лаборатории Фонда исследования рака. Известнейший эксперт в области повреждений ДНК, мягкий в общении, Томас не отступал, если дело касалось научной истины. Я его считал в некотором роде наставником, с тех пор как в 1985 году шесть недель изучал химические повреждения в древних ДНК у него в лаборатории. Томас предложил отослать статью в журнал Cell, очень уважаемое издание, которое специализируется на молекулярной биологии и биологии клетки. Если опубликоваться в этом журнале, то для научного сообщества это будет означать, что секвенирование древней ДНК – твердое достижение молекулярной биологии, а не просто яркий заголовок с сомнительной сердцевиной. Вдобавок Cell брал и длинные статьи. Томас позвонил редактору, прославленному Бенджамину Льюину, чтобы заранее заронить интерес, потому что наша рукопись была несколько нетипична для этого журнала. Льюин дал нам добро, предупредив, что рукопись должна пройти обычное в таких случаях рецензирование. Вот такие у нас были прекрасные новости. Теперь у нас оказалось достаточно журнального пространства, чтобы в подробностях описать все эксперименты и представить все результаты, убедившие нас, что перед нами самая настоящая неандертальская ДНК.

Я до сих пор считаю эту статью одной из моих лучших. В ней описаны и тщательнейшие методы реконструкции последовательности мтДНК, и почему найденную нами последовательность можно считать подлинной, и доказательства того, что наша последовательность не является вариацией уже известных современных. И как мы пришли к выводу, что неандертальцы не оставили генетического наследия в мтДНК современного человека. Наши выводы соотносились с моделью эволюции “из Африки”, предложенной Уилсоном, Стоункингом и их коллегами. Мы так и написали в своей работе: “Последовательность мтДНК неандертальцев, таким образом, подтверждает сценарий, согласно которому люди современного типа сформировались сравнительно недавно в Африке как отдельный вид и вытеснили неандертальцев, совсем или практически без смешения с ними”.

Мы обсудили все мыслимые возражения, какие смогли придумать. Например, мы специально отметили, что наша мтДНК отсылает лишь к небольшой части генетической истории вида. Так как мтДНК передается только по материнской линии, она отражает “женскую” часть истории. Получается, что, если неандертальцы и скрещивались с современными им людьми, мы могли бы это заметить только в случае, если бы неандерталки переходили из своей группы в человеческую. Чего, вполне возможно, и не было. Из более поздней человеческой истории известно, что группы с разным социальным статусом встречались, взаимодействовали между собой, почти всегда скрещивались и оставляли потомство. Такие взаимодействия происходили более или менее по одному сценарию: чаще всего в воспроизводстве участвовал партнер из социально доминантной группы, а дети оставались в материнской группе. Мы, конечно, не знаем, как было принято себя вести в этом смысле у людей 35 тысяч лет назад, когда они пришли в Европу и встретились с неандертальцами. Мы даже не знаем, были ли они социально доминантной группой хоть в каком-нибудь понятном нам, теперешним, смысле. Но совершенно ясно, что, выявив женскую линию наследования, мы увидим только половину истории.

МтДНК наследуется специфическим образом, и это тоже накладывает определенные ограничения. Как уже упоминалось, отдельная молекула мтДНК не обменивается частями со своими товарками. Далее, если у женщины рождаются только сыновья, то ее мтДНК исчезает из генофонда. Получается, что даже если в Европе мтДНК и передавалась от неандертальцев к людям в какой-то момент от 35 до 30 тысяч лет назад, то она могла исчезнуть просто по воле случая. Это конкретное ограничение не распространяется на хромосомы в клеточном ядре; вспомним, что хромосомы парные, одна хромосома достается нам от отца, а другая от матери. Когда у нового организма формируются сперматозоиды или яйцеклетки, хромосомы сходятся и снова расходятся, будто в сложнейшем танце, в процессе которого они обмениваются своими частями. Таким образом, если бы нам удалось изучить несколько фрагментов ядерного генома у отдельного индивида, мы бы получили несколько вариаций генетической истории популяции. В результате, даже если какие-то части нуклеотидной последовательности, полученной от неандертальцев, и потеряются, другие вполне могут сохраниться. Так, имея перед глазами много частей ядерного генома, мы бы увидели картину человеческой эволюционной истории, гораздо менее исковерканную случайностями.

Наша работа прошла рецензирование в Cell и была принята к публикации. Как это принято в большинстве крупных изданий, редакция настояла, чтобы мы не раскрывали результаты исследований до выхода номера, для нас это был выпуск от 11 июля 1997 года[2]2
  M. Krings et al. Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans. Cell 90, 19–30 (1997).


[Закрыть]. Они подготовили анонс, и я вылетел в Лондон на пресс-конференцию, которая должна была состояться в день выхода журнала. Моя первая пресс-конференция! И я впервые испытал на себе, как это – быть центром пристального внимания прессы. К своему удивлению, я даже получил некоторое удовольствие, разъясняя суть нашей работы, представляя выводы и рассказывая про возможные возражения. Не сказать чтобы это было легко, ведь я со своими данными угодил прямо на поле сражения, которое уже больше десяти лет вели антропологи.

Битва началась с появления гипотезы “из Африки”. Алан Уилсон с коллегами обосновали ее в основном на базе вариаций мтДНК современного человека. Вначале палеонтологическое сообщество приняло гипотезу в штыки. В то время в качестве рабочей гипотезы принималась так называемая мультирегиональная модель: считалось, что современный человек произошел от общего предка Homo erectus, эволюционируя независимо и более или менее одновременно на нескольких континентах. Палеонтологи усматривали в группировках современных людей глубокие исторические корни: по их мнению, предками современных европейцев были неандертальцы и, может быть, ранние европейские гоминины; современные азиаты произошли от каких-то архаичных форм, восходящих от синантропов. Тем не менее все больше и больше уважаемых ученых, среди них, например, Крис Стрингер из лондонского Музея естественной истории, склонялись к гипотезе “из Африки”, потому что именно она лучше всего объясняет полный массив данных палеонтологии и археологии. Криса пригласили на пресс-конференцию, и он объявил во всеуслышание, что прочтение неандертальской ДНК для палеонтологии – это примерно то же, что высадка на Луну для эры космических исследований. Я, конечно же, был рад услышать такие слова из его уст, хотя они и не явились для меня неожиданностью. Но еще больше я радовался, что даже у моих “противников”, у “мультирегионалистов”, находилось доброе слово для нашей работы или хотя бы для нашей методики. Особенно мне было приятно, когда мой самый ярый оппонент и завзятый спорщик Милфорд Уолпофф из Мичиганского университета прокомментировал в Science, что “если кто-то и способен был провести такую работу, то только Сванте”.

В общем, такого эффекта от статьи я не ожидал. Ее цитировали на первых полосах главных газет, новость передавали по радио и транслировали по телевидению по всему миру. Всю следующую неделю после публикации я провел на телефоне с журналистами из разнообразных изданий. Я работал над исследованиями древней ДНК с 1984 года, и постепенно у меня рождалось убеждение, что неандертальскую ДНК выделить возможно. Прошло девять месяцев с того момента, как Матиас поднял меня с постели, заявив, что выданная секвенатором ДНК не человеческая. У меня было время, чтобы свыкнуться с этой мыслью, а вот остальной мир новость, похоже, совершенно потрясла. Когда шумиха в прессе немного улеглась, я смог выдохнуть, осмотреться, оценить сделанное и задать себе вопрос: “А что дальше?”