Сванте Пэабо - Неандерталец. В поисках исчезнувших геномов

Вымершая зебра квагга, два отрезка мтДНК которой клонировал Рассел Хигучи, стала, так сказать, первым подопытным кроликом. Сам Рассел из лаборатории Алана ушел работать в “Цетус”, но его квагга осталась. Я выделил ДНК из частичек кожи квагги и, благо праймеры от клонирования еще остались, запустил ПЦР в новой машине. И сработало! Я получил отличные фрагменты ДНК и выстроил их в последовательность, которая оказалась чрезвычайно похожей на ту, что получил Рассел, работая с клонами в бактериях. С новой машиной я мог повторять процесс и проверять результат снова и снова. Клонирование в бактериях в этом смысле было малоэффективным и почти не давало возможности проверки, так как не удавалось предсказать, какой отрезок ДНК окажется воспроизведен. Полученная из квагги последовательность, хотя и очень похожая на Расселову, все же по двум позициям отличалась. Это, скорее всего, произошло из-за молекулярных повреждений, которые, в свою очередь, умножились в ходе бактериальной репликации. В новых условиях я мог проверить конкретную последовательность много раз, чтобы получить единообразный, предсказуемый результат. Вот она, суть научного эксперимента: предсказуемость и воспроизводимость результата.

В соавторстве с Аланом я опубликовал данные по работе с кваггой в журнале Nature [8] S. Pääbo and A.C. Wilson. Polymerase chain reaction reveals cloning artefacts. Nature 334, 387–388 (1988). . Было ясно, что эра массовых исследований древних ДНК не за горами. Вымершие животные, викинги, римляне, фараоны и неандертальцы – все они скоро станут предметом приложения мощных методов молекулярной биологии. Правда, произойдет это не быстро. (В конце концов, нужно же уступать кое-какое время на ПЦР-оборудовании товарищам по лаборатории.) Алана в числе прочего интересовала эволюция человека. Незадолго до того он в соавторстве с Марком Стоункингом и Ребеккой Канн опубликовал одну спорную статью в Nature [9] R.L. Cann, Mark Stoneking, and A.C. Wilson. Mitochondrial DNA and human evolution . Nature 325, 31–36 (1987). . В ней сравнивалась мтДНК представителей всех рас. Алан применил трудоемкий анализ с использованием ферментов, разрезающих молекулу ДНК в определенных местах известного участка последовательности. В результате ему удалось проследить маршрут мтДНК до общего предка человечества, жившего в Африке 100–200 тысяч лет назад. Теперь мы могли расширить это исследование на гораздо большем количестве материала. Этим у нас в лаборатории занималась молодая студентка Линда Виджилант, которая каждое утро прикатывала к институту на своем мотоцикле. Ее озорное обаяние я тогда краем глаза замечал, но прежде всего видел в ней соперницу, претендентку на драгоценное “машинное время”. Знать бы тогда, что спустя годы в другой стране мы поженимся и вырастим детей.

На тот момент реконструкция эволюции человека с помощью генетической информации ограничивалась выявлением разницы в нуклеотидных последовательностях ныне живущих людей; ориентируясь на эту разницу, ученые отслеживали миграционные пути народов. Заключения делались с помощью моделирования. В основе моделей лежали гипотезы о процессе накопления изменений в генетических последовательностях и о том, как они передаются из поколения в поколение, но в силу технических ограничений эти модели были сверхупрощенным отражением событий прошлого. Согласно, например, одному из допущений, каждый индивид имел возможность произвести потомство с любым индивидом противоположного пола. Также допускалось, что каждая когорта оставляла потомство независимо от других когорт и они не смешивались друг с другом, а уровень выживаемости полагался одинаковым для всех. Иногда мне казалось, что рассуждения слишком уж поверхностные и это не наука, а какие-то выдумки. Если бы удалось подсмотреть генетическую вариабельность давнишних поколений, то можно было бы, как я любил повторять, “поймать эволюцию за хвост”; я представлял себе, что для этого придется исследовать последовательности ДНК древних индивидуумов, а потом наложить полученные последовательности из древних ДНК на данные по современным людям, которые получила Линда.

Идея, конечно, дерзкая, и я решил, что надо быть поскромнее и выбрать образцы, отстоящие друг от друга не на тысячи лет. В Музее зоологии позвоночных в Беркли как раз размещалась гигантская коллекция мелких млекопитающих, которую насобирали биологи-натуралисты за последнюю сотню лет. Туда я и отправился изучать популяцию кенгуровых крыс, названных так за способность прыгать на необычайно длинных задних ногах. Мне помогали Фрэнсис Вильябланка, аспирант из музея, и молодой специалист Келли Томас из нашей лаборатории (см. рис. 3.1). Кенгуровые крысы во множестве водятся в пустыне Мохаве на границе между Невадой, Ютой, Калифорнией и Аризоной. На них с превеликим удовольствием охотятся гремучие змеи. Я выделил и секвенировал мтДНК из кусочков кожи нескольких крыс, помещенных в музей в 1911 году, в 1917- м и в 1937- м. Мы с Фрэнсисом и Келли раздобыли старые полевые дневники и карты натуралистов и по их следам предприняли несколько путешествий в Мохаве, расставляя ловушки точно в отмеченных местах. Мы ехали по пустыне, открыв старинные карты, читая и узнавая в дневниках описания мест, по которым ходили наши предшественники семьдесят и сорок лет назад. Садилось солнце, мы искали места для ловушек среди метелок шалфея и зарослей юкки. Мы спали прямо под огромным звездным куполом неба, тишину нарушал только редкий стук захлопывающейся ловушки – так я вдруг получил чудесный перерыв в нескончаемой гонке городской жизни.

Рис. 3.1. Чучело кенгуровой крысы столетней давности из Музея зоологии позвоночных в Беркли и ее современная родственница. Фото: Университет Беркли

В лаборатории мы выделили и секвенировали мтДНК из собранных образцов. Затем сравнили полученные последовательности с соответствующими музейными образцами, то есть с предковыми формами, жившими 40–70 лет назад. Никаких особенных различий мы не нашли, но мы их и не ожидали. Однако эта работа была важна вот почему: в ней впервые удалось развернуть время и взглянуть на гены предков здравствующих ныне популяций. Мы поместили статью [10] W.K. Thomas, S. Pääbo, and F.X. Villablanca. Spatial and temporal continuity of kangaroo-rat populations shown by sequencing mitochondrial-DNA from museum specimens . Journal of Molecular Evolution 31, 101–112 (1990). об этом в журнале Molecular Evolution — и какова была наша радость, когда мы прочли на нее похвальный комментарий в Nature! Восходящая звезда эволюционной биологии Джаред Даймонд писал, что при новых методиках, ставших возможными после открытия ПЦР, “старые музейные образцы оказываются гигантским бесценным источником материала, который позволит отследить эволюционные изменения в генетических последовательностях, что, в свою очередь, даст нам важнейшую информацию по эволюционной биологии”. Еще он добавил, что “этот эксперимент в очередной раз напомнит некоторым узколобым ученым о неоспоримой научной ценности музейных коллекций” [11] J.M. Diamond. Old dead rats are valuable . Nature 347, 334–335 (1990). .