Кто мы и как сюда попали. Древняя ДНК и новая наука о человеческом прошлом - Дэвид Райх Страница 3

Мы с Роланд понимали, что методики, отработанные Маттиасом Мейером и Цяомэй Фу в лаборатории Пэабо, могут стать основой для крупномасштабного анализа древней ДНК. Ведь Мейер и Фу занимались изобретательством, потому что деваться было некуда: они должны были выделить ДНК из костей возрастом примерно 40 тысяч лет (это были ранние современные люди из пещеры Тяньюань в Китае)16. Дело в том, что когда Мейер и Фу получили экстракт ДНК из костей ног тяньюаньца, то выяснилось, что там лишь 0,02 % ДНК самого тяньюаньца, а остальная ДНК от бактерий, поселившихся в костях после его смерти. Так что прямое секвенирование виделось чересчур дорогим предприятием, даже на оборудовании, которое появилось после 2006 года и удешевило прочтение геномов в сотню тысяч раз. Решение этой проблемы Мейер и Фу позаимствовали со страничек руководства по медицинской генетике. Медикам бывают нужны лишь интересные для тех или иных задач 2 % из всего генома, их научились выделять, отбрасывая остальные 98 %. Так же и тут: Мейер и Фу выбраковывали ненужные 98 %, а крошечную часть человеческой ДНК оставляли.

Методы выделения ДНК, разработанные Мейером и Фу, стали фундаментом революции древней ДНК и ее успеха. В 1990-х молекулярные биологи научились использовать технику лазерного травления электронных схем в своих задачах: прикреплять к стеклянным или кремниевым пластинам миллионы нужных, прицельно выбранных кусочков ДНК. Эти кусочки ДНК можно затем снимать с пластины специальными молекулярными ножницами (ферментами) в водный раствор. С помощью этого метода Мейер и Фу синтезировали пятидесятидвухбуквенные фрагменты ДНК, которые перекрывали друг дружку концами, подобно черепице на крыше. Получилась почти полная последовательность 21-й человеческой хромосомы. Затем они использовали свойство ДНК спариваться с двойниковыми последовательностями: спаривая искусственно синтезированную “наживку” с кусочками ДНК в растворе, они выловили из экстрактов схожие с “наживкой” фрагменты ДНК. В улове, как выяснилось, находились в основном фрагменты ДНК тяньюаньца. Именно они и были нужны для исследования. Их анализ показал, что тяньюанец был представителем ранних современных людей, той их части, которая привела к современным восточным азиатам. В геноме этого человека оказалось не так уж много следов архаичных линий, сотни тысяч лет назад отделившихся от ветви современного человека. Это противоречило прежним утверждениям, основанным на сравнении формы скелетов17.

Все эти технологии мы с Роланд приспособили для чтения полных геномов. Вместе с коллегами из Германии мы синтезировали пятидесятидвухбуквенные фрагменты ДНК, покрывающие в сумме более миллиона нуклеотидных позиций; и это те позиции, в которых, как мы знаем, у людей имеются те или иные вариации. С помощью этой “наживки” мы выискивали интересующую нас человеческую ДНК в древних образцах, количество которой в некоторых случаях в сотни раз меньше по сравнению с микробной ДНК. Помимо того, нам удалось на порядок увеличить эффективность поисковых действий: мы просто решили, что весь геном читать не обязательно, а обязательны только информативные фрагменты с вариабельными позициями. Весь процесс автоматизировали с помощью подключения роботов, и в итоге один человек мог за несколько дней проанализировать более девяноста образцов. Наши лаборанты растирали образцы древних костей, готовили из них порошок, из которого затем делали вытяжки ДНК и препараты, пригодные для секвенирования. Но вся эта лаборантская работа являлась лишь начальным этапом. За ним следовала не менее хитроумная задача – рассортировать миллиарды кусочков ДНК по принадлежности к тому или иному индивиду, проанализировать информацию и выявить фрагменты с признаками загрязнений, а оставшиеся фрагменты скомпоновать в удобную базу данных. И все это выполняли компьютерные программы, которые разработал Шоп Маллик, пришедший в мою лабораторию за шесть лет до старта проекта; он постоянно настраивал эти программы в соответствии с новыми методическими приемами и новыми данными – новыми и по качеству, и по масштабу.

Результаты оказались даже лучше, чем мы могли надеяться. Стоимость прочтения генома упала до пяти сотен долларов за образец. А это в десятки раз меньше, чем обычное, в лоб, полногеномное секвенирование. И, что важнее, наш метод позволял считывать значительную часть ДНК-последовательности примерно у половины скелетных образцов, поступавших к нам для изучения, хотя, естественно, вероятность успеха сильно зависела от сохранности образца. Так, для ископаемых образцов из холодных зон России вероятность прочтения ДНК составляла около 75 %, а из жаркого климата Ближнего Востока – лишь 30 %.

Что это нам давало? А вот что: теперь для прочтения полного генома вовсе не обязательно перебирать большое число костных образцов, чтобы найти тот единственный, чья ДНК поддается анализу. Теперь можно получать общегеномные характеристики для подавляющего числа остатков, возраст которых находится в пределах последних 10 тысяч лет. А с такими данными события в популяциях реконструируются с изумительной детализацией, которая буквально переворачивает наше представление о прошлом.

К концу 2015 года в моей гарвардской лаборатории было получено и опубликовано более половины всех мировых общегеномных данных по древним материалам. Мы открыли, что популяция Северной Европы была замещена восточноевропейскими степняками около 5 тысяч лет назад в ходе массовой миграции18; что 10 тысяч лет назад первые фермеры на Ближнем Востоке были представлены очень непохожими популяциями, которые затем по мере освоения сельского хозяйства распространялись и перемешивались19; что первые переселенцы на отдаленных островах Тихого океана (речь идет, конечно, о людях, появившихся там 3 тысячи лет назад) вовсе не являются единственными предками сегодняшнего островного населения20.

Одновременно я запустил проект по выявлению разнообразия ныне живущих человеческих популяций, и для этого использовался тот же микрочип, который мы с немецкими коллегами разработали для исследования человеческого прошлого. С помощью этого микрочипа мы получили данные по 10 тысячам индивидов из тысячи популяций по всему миру. В результате собралась база данных, ставшая основным источником информации не только для нас, но и для других лабораторий во всем мире21.

Поразительно, с каким высоким разрешением можно теперь, после этого технологического переворота, рассматривать события прошлого. Мне припоминается обед по окончании университета с моим научным руководителем Дэвидом Голдстейном и его женой Кавитой Наяр, оба они учились у Кавалли-Сфорца. Шел 1999 год, то есть дело было за десять лет до прочтения древней ДНК, и мы сидели и фантазировали, насколько точно можно реконструировать давно минувшие события по оставленным следам. Если в комнате взорвется граната, то можно ли будет по собранным ошметкам и следам шрапнели на стенах понять, кто где сидел во время взрыва? Можно ли восстановить вымершие языки, если вдруг найти пещеру, где до сих пор звучит эхо тех давным-давно забытых слов? И вот сегодня ископаемая ДНК открывает возможности для изучения именно таких детализированных связей давних человеческих популяций.

Возможности генетического подхода (изучения генетической вариабельности) для реконструкции событий в древних популяциях превзошли по эффективности традиционные археологические методы, работающие с артефактами, оставленными канувшими в прошлое сообществами22. Это стало неожиданностью практически для всех. Карл Циммер, популяризатор науки из The New York Times, постоянно отслеживающий эту тему, как-то признался мне, что когда первый раз газетное начальство попросило его взяться за вопросы с древней ДНК, он согласился, но только в качестве услуги братьям-ученым, решив, что, так уж и быть, сделает небольшое отступление от своей излюбленной темы – эволюционной физиологии человека. Ему представлялось, что он сможет писать заметку каждые полгода и что через годик-другой открытия в этой области сойдут на нет. А в итоге теперь каждые несколько недель Циммер пишет заметку по той или иной масштабной научной статье, а открытия не то что не кончаются, а, наоборот, ускоряются в революционном темпе.