Главная научная премия в области медицины и физиологии в этом году присуждена генетику и эволюционному антропологу Сванте Пяэбо за новаторскую работу по изучению ДНК вымерших людей и предков человека. Выдающиеся открытия этого ученого, включающие идентификацию ранее неизвестного вида человека (так называемого денисовского), жившего рядом с современными людьми и неандертальцами десятки тысяч лет назад, оказали революционное влияние на понимание эволюции человека.
Who is doctor Рääbо?
Профессор Сванте Пяэбо является директором отдела генетики Института эволюционной антропологии им. Макса Планка в Лейпциге (Германия), ему 67 лет, и он родом из Швеции. Изучал египтологию и медицину в Упсальском университете. Будучи кандидатом наук в области иммунологии, продемонстрировал, что ДНК может сохраняться в древнеегипетских мумиях, и тем самым приобрел профессиональную известность как пионер новой области исследований — палеогенетики. Палеогенетики исследуют геномы древних организмов и делают выводы о ходе эволюции.
После получения докторской степени Пяэбо работал в команде эволюционного биолога Аллана Уилсона в Калифорнийском университете в Беркли. С 1990 года он возглавлял собственную лабораторию в Университете Людвига Максимилиана в Мюнхене. А в 1997 году Пяэбо стал одним из пяти директоров недавно основанного Института эволюционной антропологии им. Макса Планка в Лейпциге, где и работает по сей день.
Сванте Пяэбо:
Меня поражает тот факт, что теперь мы получили шанс вернуться в прошлое и проследить генетическую историю и генетические изменения начиная с зари человечества. Это уникальная возможность начать изучать эволюцию в реальном времени, если хотите.
Премия-сюрприз
Сванте Пяэбо допивал свой утренний чай, находясь в Лейпциге, и подумывал о том, «чтобы пойти забрать свою дочь у няни, где она осталась на ночь», когда прозвучал звонок из Швеции. Он ожидал звонка по поводу ремонта сломавшейся в дачном домике газонокосилки и решил, что сообщение о присуждении ему премии — просто чей-то неудачный розыгрыш. К тому же профессор уже получал пару-тройку наград ранее, а про премию такого масштаба, как Нобелевская, всерьез не задумывался.
Да и не только он: Пяэбо определенно не считался фаворитом нобелевской гонки. Его имя не фигурировало в списках компании Clarivate, составляемых ежегодно на основе цитируемости: аналитики отбирают самые значимые, на их взгляд, области науки, и ищут в них работы, на которые исследователи ссылаются чаще всего. И хотя компания не называет свои списки прогнозами, но с гордостью сообщает, что регулярно угадывает победителей, пусть и не всегда в тот же год. В 2022-м в списке «лауреатов по цитируемости» значились совсем другие имена…
Самая цитируемая статья Сванте Пяэбо в Web of Science была напечатана в 1989 году и набрала 4 077 цитирований. Только около 2 тысяч из 55 млн работ, опубликованных с 1970 года, были процитированы столько раз.
Еще удивительный факт: отец Сванте Пяэбо, биохимик Суне Бергстрем, тоже был удостоен высшей научной награды. Вместе с Бенгтом Ингемаром Самуэльссоном и Джоном Робертом Вейном он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1982 году за новаторскую работу по изучению простагландинов и родственных им биологически активных веществ.
Гигантская головоломка
До открытий Пяэбо и его коллег большая часть наших знаний о древних гомининах и их эволюции была получена в результате анализа костей и артефактов, найденных по всему миру, таких как кости неандертальца, впервые обнаруженные еще в 1856 году.
Уже в середине 1990-х годов Пяэбо и его команда смогли расшифровать относительно короткий компонент митохондриальной ДНК (мтДНК) мужчины-неандертальца. Митохондрии — крошечные электростанции в клетках, которые обеспечивают их энергией и имеют собственную ДНК.
У неандертальца она, как оказалось, значительно отличалась от генома современного человека, и это доказывало, что неандертальцы не являются нашими прямыми предками. В начале 2000-х годов, когда методы секвенирования ДНК стали гораздо более эффективными, Пяэбо начал секвенировать весь геном неандертальца, заключенный в ядре клетки.
Главная сложность состояла в следующем: спустя тысячи лет кости неандертальцев настолько сильно колонизированы бактериями и грибками, что до 99,9 % ДНК, найденной в них, происходит от других организмов. Кроме того, небольшое количество оставшейся неандертальской ДНК присутствует только в виде коротких фрагментов, которые необходимо собрать, словно гигантский пазл.
На очень хрупкую молекулу ДНК сильно влияют высокие температуры, кислотность почвы и всяческие суровые условия. Многие ученые считали, что эту задачу решить невозможно. Собирать воедино древний геном — все равно что пытаться собрать сложную головоломку из недостающих и разрушенных частей, не имея никакого представления о том, как она должна выглядеть в итоге.
Однако команда Пяэбо придумала инновационные решения. Исследователи работали в условиях «чистой комнаты», сравнимых с условиями в индустрии производства микросхем. Это позволило им предотвратить случайное внесение собственной ДНК в эксперименты. Кроме того, они разработали более эффективные методы экстракции, которые позволили повысить «выход» ДНК неандертальцев. Сложные компьютерные программы, сравнивающие фрагменты ДНК древних костей с эталонными геномами шимпанзе и человека, помогли реконструировать геном неандертальца.
В 2022 году была опубликована полная последовательность человеческого генома. На эту задачу ушло около 40 лет — и это притом, что у исследователей в доступе огромное число образцов. Сванте Пяэбо примерно в те же годы, когда стартовал проект «Геном человека», начал свою карьеру с того, что задался вопросом: можно ли секвенировать ДНК вымерших гомининов?
Эта задача гораздо сложнее: в отличие от межклеточного вещества костей сами клетки сохраняются плохо, а отдельные макромолекулы, в том числе и ДНК в них, — еще хуже. Тем не менее Пяэбо создал первый полный черновик генома неандертальца. Благодаря этому удалось провести десятки исследований — у ученых появилась возможность сравнивать ДНК современных и вымерших людей.
В 2010 году Сванте Пяэбо и его команде удалось реконструировать первую версию генома неандертальца из костей возрастом в десятки тысяч лет. Сравнение генома неандертальца с геномами современных людей показало, что между Homo sapiens и неандертальцами существовал поток (обмен) генов, они когда-то смешивались, производили общее потомство («встретившись» около 50 000 лет назад, когда современные люди покинули Африку и прибыли в Европу и Азию). Геном неандертальца воскресил недостающий фрагмент истории наших древних предков.
Поэтому даже сегодня в геноме ныне живущих людей европейского или азиатского происхождения примерно 2 % ведут начало от неандертальцев. Этот генетический вклад повлиял на эволюцию человека: например, укрепил иммунную систему современных людей, но до сих пор способствует их восприимчивости к ряду заболеваний (как говорится в заявлении Нобелевского комитета, «этот древний поток генов имеет физиологическое значение для современных людей, например, влияет на то, как наша иммунная система реагирует на инфекции»).
По сути, неандертальцы являются ближайшими родственниками современных людей. Сравнение их геномов с геномами Homo sapiens и обезьян позволяет определить, когда произошли генетические изменения у наших предков. А в будущем можно будет также выяснить, почему Homo sapiens в конечном итоге развили сложную культуру и технологии, позволившие им колонизировать почти весь мир. Однако для этого необходимы более полные знания о геноме неандертальца, чем те, которые были получены группой в 2010 году.
Мартин Стратманн, президент Общества научных исследований им. Макса Планка:
Работа Пяэбо произвела революцию в нашем понимании эволюционной истории современных людей. Например, он продемонстрировал, что неандертальцы и другие вымершие гоминины внесли значительный вклад в происхождение современных людей.
«Человек наследивший»
В 2014 году команде Института эволюционной антропологии им. Макса Планка удалось почти полностью расшифровать геном неандертальца и провести сравнение с геномами современных людей. «Мы обнаружили около 30 тысяч позиций, по которым геномы почти всех современных людей отличаются от геномов неандертальцев и человекообразных обезьян, — писал профессор Пяэбо. — Они отвечают на вопрос, что делает анатомически современных людей «современными» и в генетическом смысле. Некоторые из этих генетических изменений могут быть ключом к пониманию того, что отличает когнитивные способности современных людей от когнитивных способностей ныне вымерших гомининов».
До этого команда Сванте Пяэбо уже добилась сенсации в 2012 году: они расшифровали геном небольшой кости пальца «возрастом» около 40 тысяч лет, найденной в 2008 году в Денисовой пещере в Алтайских горах в Западной Сибири. Митохондриальная ДНК из этого образца отличается от мтДНК современных людей в среднем на 202 нуклеотида, а от мтДНК шимпанзе бонобо — в среднем на 1 462 нуклеотида.
Филогенетический анализ подтвердил, что был найден новый вид древнего человека, названный денисовским. Этот вновь открытый гоминин, по-видимому, жил в непосредственной близости от неандертальцев и современных людей. Он оказался отдаленно родственным неандертальцам и внес до 5 % в геном современных жителей Папуа — Новой Гвинеи, аборигенов Австралии и других групп в Океании.
Доказательства скрещивания Homo sapiens, денисовцев и неандертальцев (см. рисунок) проявляются в виде следов генетических вариантов, которые сегодня чаще встречаются у определенных групп людей по всему миру. Эти варианты, по-видимому, сохранились в этих группах прежде всего потому, что давали преимущество для выживания людям, сталкивающимся с определенными суровыми условиями окружающей среды и патогенами.
Рисунок. Сванте Пяэбо извлекал ДНК из костных образцов вымерших гомининов. Сначала он получил фрагмент кости из Неандерталя в Германии — места, которое дало название неандертальцам. Позже он использовал кость пальца из Денисовой пещеры на юге Сибири, которая дала название денисовцам. Филогенетическое дерево показывает эволюцию и взаимоотношения между Homo sapiens и вымершими гомининами и иллюстрирует потоки генов, обнаруженные Пяэбо.
Например, ген под названием EPAS1 восходит к денисовцам и встречается у современных тибетцев; он помогает людям выживать на большой высоте. Другая группа генов, восходящая к нашим древним предкам, предположительно участвует в аллергических реакциях и распознавании болезнетворных микробов.
Почему же вымерли неандертальцы?
Вопрос о том, почему неандертальцы и денисовцы исчезли, в то время как Homo sapiens процветал и захватил планету, до сих пор остается большой загадкой. Несколько теорий, основанных на исследованиях генетических различий в трех группах гомининов, пытаются объяснить это. Одна из основных теорий заключается в том, что по мере развития популяций Homo sapiens неандертальцы были ими ассимилированы.
Другими возможными причинами исчезновения неандертальцев могут быть когнитивные или культурные различия — или даже способность к творчеству. «Сейчас трудно судить, в чем именно заключаются эти различия, но что мы точно можем сказать, так это то, что они должны существовать, — сказал Томас Перлманн, секретарь Нобелевского комитета. — И благодаря работе Сванте Пяэбо они теперь нанесены на карту и идентифицированы».
Сравнительный анализ показал, что самый последний общий предок неандертальцев и Homo sapiens жил около 800 000 лет назад.
Современные люди отделились от более архаичных людей примерно 550 000–760 000 лет назад, а неандертальцы и денисовцы разделились на отдельные группы 380 000–470 000 лет назад.
В настоящее время исследователи работают над новыми методами реконструкции фрагментов ДНК, которые еще больше разложились и присутствуют в еще меньшем количестве. Это позволит исследовать еще более древние ДНК и генетический материал из тех частей света, где ДНК сохраняется куда реже из-за жаркого и влажного климата.
При чем тут все-таки COVID-19?
Многие ожидали, что Нобелевскую премию в области медицины в этом году присудят за разработку вакцин против COVID-19, которые позволили миру вернуться к нормальной жизни. На вопрос, почему премия не была присуждена за достижения в борьбе с пандемией, секретарь Нобелевского комитета по физиологии и медицине Томас Перлманн ответил, что комитет будет говорить только о лауреатах, а не о тех, кто не получил или еще не получил премию.
Как правило, для того, чтобы наградить какое-либо исследование, требуется много лет, а комитеты, которым поручено выбирать победителей, стремятся определить его полную ценность с высокой степенью уверенности среди очень обширного списка претендентов (в завещании Нобеля, правда, сказано, что награды должны присуждаться тем, кто в течение предыдущего года принес наибольшую пользу человечеству). Любопытно, однако, что работа Пяэбо в области древней криминалистики позволила понять, почему некоторые люди подвержены повышенному риску развития тяжелой формы COVID-19.
В 2020 году в докладе Сванте Пяэбо и его коллег сообщалось, что вариант гена, унаследованный современными людьми от неандертальцев при их скрещивании около 60 тысяч лет тому назад, делает носителей этого варианта гораздо более склонными к остановке дыхания и необходимости в ИВЛ в случае заражения вирусом SARS-CoV-2 (а в 2021 году они обнаружили еще одну область генома, унаследованную от неандертальцев, которая была связана с защитой от тяжелой формы COVID-19).
Фактически было обнаружено, что инфицированные вирусом люди, несущие вариант гена, унаследованный от неандертальцев, подвергаются большему риску тяжелого течения заболевания, чем те, у кого его нет. Возможно, эти варианты генов сохранились потому, что обстоятельства, которые делали их губительными, не были эволюционно постоянными.
«Мы можем в среднем оценить количество дополнительных смертей в ходе пандемии из-за вклада… неандертальцев. Он весьма значителен, это более миллиона дополнительных людей, которые умерли из-за этого неандертальского варианта гена, который они несут», — такой итог подвел Сванте Пяэбо в последних публикациях уже в 2022 году.
Знаете ли вы, что австрийский невролог и основатель психоанализа Зигмунд Фрейд (1856–1939) 32 раза номинировался на Нобелевскую премию по физиологии и медицине, но так ее и не получил?
В 1929 году Нобелевский комитет по медицине нанял эксперта, который пришел к выводу, что в дальнейшем рассмотрении кандидатуры Фрейда нет необходимости, поскольку работа Фрейда «не имеет доказанной научной ценности».