Неандерталец. В поисках исчезнувших геномов - Сванте Пэабо

Я наивно полагал, что наши работы, где прямо указано на невозможность сохранения ДНК в течение миллионов лет просто с химической точки зрения, прекратят поток изысканий супердревних ДНК. Как бы не так! Поток мало того что не прекратился – листья из Айдахо были только началом! Затем настало время супердревних ДНК из янтаря. Янтарь представляет собой смолу деревьев, образовавшуюся миллионы лет назад и застывшую в виде прозрачных золотистых кусков. Больше всего янтаря находят в карьерах Доминиканской Республики и по берегам Балтийского моря. Часто в янтаре оказываются заключены насекомые, листики, даже мелкие животные – древесные лягушки, например. Такие включения сохраняют для нас мельчайшие детали организмов, живших миллионы лет назад, и многие ученые надеялись, что, может быть, их ДНК сохранились тоже. Одна из первых работ на эту тему появилась в 1992 году в Science; группа из Американского музея естественной истории предлагала нашему вниманию последовательность ДНК, которую выделили из термита возрастом 30 миллионов лет. Термит застыл в куске доминиканского янтаря[26]. Далее последовала целая серия работ от лаборатории Рауля Кано из Политехнического университета штата Калифорния в Сан-Луис-Обиспо. Одна из них исследовала ДНК долгоносика возрастом 120–135 миллионов лет из ливанского янтаря[27]; еще одна предлагала ДНК листа из застывшей смолы доминиканского дерева возрастом 40 миллионов лет[28]. Кано после этого основал компанию, которая утверждает, что извлекла более тысячи двухсот организмов из янтаря и среди них даже девять штаммов живых дрожжей. Утверждения, конечно, диковинные, но, казалось, нельзя полностью исключать возможность сохранения ДНК в янтаре необыкновенно долго, так как организмы там защищены от влаги и кислорода, двух самых разрушительных для химии ДНК факторов. Тем не менее янтарь необязательно предохраняет ДНК от разрушительных свойств радиации; к тому же трудно объяснить, почему нам понадобились такие отчаянные усилия, чтобы амплифицировать следы ДНК из организмов в тысячи раз моложе.

Вопрос стал проясняться, когда в 1994 году к нам в лабораторию прибыл веселый калифорниец Хендрик Пойнар. Его отец, Джордж Пойнар, профессор в Беркли, являлся знатоком янтаря и всего, что в янтаре могло быть захоронено. Вместе с Кано Хендрик участвовал в публикациях нескольких “янтарных” последовательностей ДНК; его отец имел доступ к лучшему янтарю в мире. В Мюнхене Хендрик принялся за свои опыты в нашей “чистой комнате”, но безрезультатно. Он не мог воспроизвести то, что получил в Сан-Луис-Обиспо. Более того, если его контрольные вытяжки оказывались чистыми, то и из янтаря не удавалось выделить вообще никакой ДНК, независимо от того, проводил он опыты на растениях или насекомых. Сомнений у меня появлялось все больше и больше. И не только у меня. Томас Линдаль, который еще со времени моей стажировки у него в 1985 году живо интересовался палео-ДНК, опубликовал в Nature внушительный обзор о стабильности и распаде ДНК; часть этого обзора он посвятил древней ДНК[29]. Он указал – как и мы с Аланом ранее, – что с крайне малой вероятностью ДНК сохранится дольше нескольких сотен тысяч лет. Тем не менее вопрос о сохранности ДНК в янтаре он оставил открытым. Я же, со своей стороны, не надеялся уже и на янтарь.

Томас приспособил прекрасное слово для наидревнейших ДНК: допотопная ДНК. Нам оно так понравилось, что мы вовсю его использовали, и слово прочно вошло в наш обиход. В 1994 году произошло неминуемое. Скотт Вудворд из Университета Юты опубликовал последовательность ДНК, которую он с коллегами выделил из осколка кости в 80 миллионов лет. Кость эта, как они полагали, принадлежала какому-то динозавру[30]. Статья, естественно, появилась в одном из двух журналов, что меряются заголовками и зарабатывают часто незаслуженное уважение. В этот раз это был Science. Авторы определили множество разных мтДНК из костной ткани, некоторые из них оказались не похожими на ДНК птиц, рептилий или млекопитающих. Авторы предположили, что это специфическая для динозавров ДНК-последовательность. Для меня это прозвучало просто издевательски. У меня в лаборатории работал дотошный, даже несколько педантичный молодой специалист Ханс Цишлер. Возмущенный подобными выступлениями в нашей области, он решил объявить войну этой конкретной работе. Он провел систематизированный анализ опубликованных мтДНК-последовательностей из Юты и выяснил, что они принадлежат скорее млекопитающим или даже человеку, чем птицам или рептилиям.

И все же те цепочки казались не совсем человеческими. Чтобы понять, что же это все-таки было, придется несколько углубиться в природу мтДНК. Вспомним, что митохондриальный геном представляет собой кольцевые молекулы ДНК, состоящие из 16 500 нуклеотидов, и все это находится в митохондриях, органических образованиях, расположенных снаружи клеточного ядра почти во всех животных клетках. Эти образования, или органеллы, так же как и их геномы, получились из бактерий, которые почти 2 миллиарда лет назад проникли в первичную животную клетку; животная клетка в результате получила “бесплатный” источник энергии. Со временем подсевшая в клетку бактерия переместила большинство своих ДНК в ядро клетки-носителя, и они интегрировались в ту часть генома, которая размещается в хромосомах. Даже в современном зародышевом наборе клеток при формировании яйцеклетки и клеток спермы иногда происходит разрыв митохондрий, и фрагменты их ДНК оказываются в клеточном ядре. Тогда эффективные ремонтные механизмы распознают концы разорванных цепочек и присоединяют их к другим свободным концам ДНК, так как в ядерном геноме тоже часто случаются разрывы. Таким образом, время от времени фрагменты митохондриальной ДНК встраиваются в ядерный геном, остаются там и передаются по наследству, так и не приобретая функционального значения. У нас у всех в каждом клеточном ядре найдутся сотни, если не тысячи фрагментов мтДНК, переместившихся в геном на каком-то историческом этапе. Эти фрагменты имеют различную степень схожести с нашей реальной митохондриальной мтДНК, и хотя они напоминают предковые мтДНК-последовательности, в них накопилось огромное количество мутаций, не имеющих никаких функций, так сказать, генетический мусор, встроенный в ядерную ДНК. Ханс Цишлер как раз и занимался определением таких мтДНК-включений в ядерный геном. Мы полагали, что с той самой динозавровой ДНК произошла подобная история и группа из Юты выделила именно такой фрагмент. Учитывая наш опыт с инородными и внесенными человеческими ДНК, мы считали возможным, что в Юте нашли версию человеческой мтДНК, встроенную в ядро и получившую необычные мутации. Мы решили посмотреть, не найдется ли в человеческом ядерном геноме последовательностей, похожих на опубликованные исследователями из Юты. Сложность нашего плана заключалась в том, что любая обычная вытяжка ДНК из человеческой клетки содержит смесь из ядерной и митохондриальной ДНК; таким образом, сотни или даже тысячи копий настоящей мтДНК из митохондрий большинства клеток перемешаются с сегментами псевдо-мтДНК, той, что некогда переместилась из митохондрий в ядро. И тут нам на помощь приходит биология. Как я упомянул в главе 1, мы наследуем мтДНК только от матери, через ее яйцеклетку, от отца же мтДНК мы не получаем. Происходит это потому, что сперматозоид, проникающий в ядро, не содержит митохондрий. Следовательно, чтобы получить чистую ядерную ДНК, без сопровождающей митохондриальной, нам всего-то и нужно было раздобыть и изолировать сперматозоиды.

Я поговорил со своими парнями из лаборатории, они отнеслись к нашей проблеме с пониманием и энтузиазмом, мы все договорились, и в один прекрасный день Ханс получил требуемый материал. Из спермы он выделил ДНК и прогнал через ПЦР, использовав те же праймеры, что и группа из Юты. Как и ожидалось, он секвенировал множество цепочек мтДНК, полученной, соответственно, из ядерного генома. Эти фрагменты мы внимательнейшим образом сравнили с “динозавровыми” из Юты. И действительно, нашлись два фрагмента, практически идентичных опубликованным. Это означало, что вместо ДНК динозавра лаборатория в Юте секвенировала сегменты человеческой ядерной ДНК, а точнее мтДНК, переместившуюся в ядерный человеческий геном. Так как эти сегменты оказались в ядре очень давно, за это время они набрали достаточное количество мутаций, чтобы не напоминать человеческий митохондриальный геном, но все еще походить на геном млекопитающих, птиц и рептилий. В технических комментариях в Science[31] я не удержался и съехидничал, написав, что у меня есть три возможных объяснения, как в лаборатории, где полно наших собственных ДНК, получаются цепочки, подобные опубликованным в Юте. Во-первых, в лабораторию могло по чистой случайности занести ДНК динозавра, что, по моим предположениям, маловероятно. Во-вторых, динозавры могли как-нибудь скреститься с ранними млекопитающими этак 65 миллионов лет назад. Этот вариант мне тоже пришлось отвергнуть как не слишком вероятный. По третьему сценарию – самому естественному – человеческая ДНК была внесена во время эксперимента. Science опубликовал наши комментарии и комментарии двух других лабораторий, указывающие на несоответствия в сравнительном анализе последовательностей ДНК; эти несоответствия в результате привели группу из Юты к ложным выводам, будто их мтДНК являются предковым вариантом для птиц.