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.