Неандерталец. В поисках исчезнувших геномов

Глава 16 Генетический поток?

Сидя в самолете из Чикаго обратно в Лейпциг, я пытался трезво оценить наши текущие дела по проекту. Да, мы получили всю требуемую последовательность ДНК, но работы оставалось еще много. Первое, что напрашивалось, — наложить неандертальскую последовательность с Illumina на геномную последовательность шимпанзе и на реконструированный геном общего предка шимпанзе и человека. Лейпцигской команде нужно было адаптировать компьютерные программы, написанные Удо и Эдом для 454, под обработку новых данных с Illumina.

И когда программы будут готовы, можно будет начать выяснять наши родственные связи с неандертальцами. Когда разошлись наши линии? Насколько мы отличаемся? Скрещивались ли люди с неандертальцами? Найдутся ли гены, которые у людей и неандертальцев изменялись в каком-нибудь интересном для нас направлении? Чтобы найти ответы, нам понадобится гораздо больше народу, чем у нас в лаборатории, — понадобится участие многих ученых со всего мира.

Еще в 2006 году я осознал исторический масштаб задуманного. И не только потому, что мы впервые прочтем геном доисторического человека, но и потому, что секвенирование полного генома млекопитающих будет выполняться силами небольшой лаборатории. Раньше за подобный проект мог взяться только крупный центр по секвенированию. Но даже и такие крупные центры работают в связке с научными институтами, где анализируются различные закономерности в полученных данных. Нам, очевидно, тоже требовалось собрать нечто вроде консорциума. Тогда, в 2006-м, я уже прикидывал, из каких областей нам понадобятся специалисты и с кем бы я хотел работать.

Прежде всего нам позарез нужны были популяционные генетики. Популяционные генетики изучают вариации в последовательностях ДНК в популяциях или видах и на основании этой изменчивости выводят, что происходило с популяцией или видом в прошлом. Они могут сказать, когда популяции разошлись, существовал ли между ними обмен генами и какой тип естественного отбора доминировал в конкретной популяции. У нас в группе имелись собственные специалисты — Михаэль Лахман и Сьюзан Птак, — они могли справиться с некоторыми задачами, но мы, понятное дело, нуждались и в помощи со стороны и работать хотели только с лучшими из лучших.

И как только наш проект был запущен, я начал искать людей, в основном среди американцев. Почти все, к кому я обращался, горели желанием поучаствовать в проекте. Еще бы! Ведь это уникальная возможность заглянуть в геном, который казался неподвластным секвенированию. Но нужны были такие люди, которые согласились бы работать на полную — или почти полную — ставку по крайней мере несколько месяцев, пока мы не закончим исследование. Я знал много случаев, когда геномные проекты затягивались на месяцы и годы. И пробуксовывали исключительно из-за того, что на ключевых лабораториях одновременно висело несколько проектов и они разрывались между ними. Поэтому, когда я разъяснял ситуацию, многие, к их чести, отказывались, разумно взвесив свою текущую нагрузку.

Особенно я был заинтересован в сотрудничестве с Дэвидом Рейхом, молодым профессором из Гарвардской медицинской школы, популяционным генетиком с неординарным мышлением. Он сначала изучал физику в Гарварде. Потом защитил диссертацию по генетике в Оксфорде. Я пригласил его в Лейпциг в сентябре 2006-го, он тогда выступил с докладом по своей весьма противоречивой публикации в Nature ^[60]. В ней утверждалось, что после разделения предковой популяции на линии шимпанзе и людей две популяции продолжали сосуществовать и обмениваться генами еще в течение миллиона лет, пока не размежевались окончательно. Беседы с Дэвидом мне показались весьма нетривиальными. И даже где-то на грани интеллектуальных нападок. Он с устрашающей скоростью забрасывал кучей рассуждений и идей, временами я не мог поспеть за ним. Но интеллектуальный натиск уравновешивался его изумительной добротой и скромностью. Его мало трогали и трогают вопросы научного престижа. Думаю, он разделяет мое убеждение, что гранты и награды получает тот, кто много и интересно работает. Во время того визита я обсудил с ним наш неандертальский проект и дал с собой в дорогу рукопись пилотного исследования. Через несколько дней я получил от него разбор статьи с комментариями на шести страницах. Он нам безусловно подходил, был идеальным кандидатом для работы с неандертальским геномом.

В действительности с Дэвидом мы выигрывали не только всю мощь его блестящего ума, но и замечательную возможность заполучить тесно связанного с ним Ника Паттерсона. Ник еще более необычный персонаж, чем Дэвид. Он сначала изучал математику в Кембридже в Англии, потом двадцать лет работал на британские военные службы в качестве шифровальщика. Некоторые говорили мне, что лучше него криптографа не было — он мог взломать любой код британской или американской армии. Затем Ник ушел из секретных служб и стал заниматься прогнозированием финансовых рынков. К 2000 году он заработал кучу денег на Уолл-стрит и мог позволить себе спокойную жизнь до конца своих дней. Но, подгоняемый любопытством, он оказался в Институте Брода, где приложил свои способности шифровальщика к нахлынувшей лавине геномных данных. Там, в Бостоне, он объединил силы с Дэвидом. Внешне Ник, как мне кажется, в точности соответствует образу гениального ученого из детских фантазий. Из-за врожденной болезни костей у него несоразмерно большая голова, а глаза смотрят в разные стороны, отчего возникает впечатление, будто его мысли постоянно заняты сложными математическими построениями. Я потом узнал, что он буддист и разделяет мой давний, хотя и не слишком последовательный интерес к дзен-буддизму. Ник обладает феноменальной способностью видеть в несметном количестве данных скрытые закономерности. Я так вдохновился перспективой заполучить в наш проект сразу и Ника, и Дэвида, что предложил взять на полную ставку и того и другого, если они согласятся проводить в Лейпциге три четверти своего времени. И хотя они не приняли предложения, но пообещали, что постараются включиться в неандертальский геном, насколько это возможно. И обещание сдержали до такой степени, что я и не рассчитывал.

Еще я хотел привлечь к проекту Монтгомери Слаткина, или просто Монти. Он работал в Беркли, в Калифорнии, и впервые я его встретил в 1980 году, в аспирантуре у Алана Уилсона. Он сделал прекрасную карьеру в области математической биологии, его уравновешенность и собранность свидетельствовали об опыте и мудрости. Из-под его крыла вышло множество блестящих молодых ученых, которые потом руководили собственными группами, с ним работали и студенты, одаренные и многообещающие. Первым среди них можно назвать Филипа Джонсона, который вместе с Эдрианом Бриггсом работал над поиском ошибок секвенирования неандертальского генома (см. главу 14). Меня очень радовало желание Монти присоединиться к нашему консорциуму, в частности потому, что в какой-то мере он уравновесит научный стиль Ника и Дэвида. Пусть они на свое усмотрение изобретают пути к событиям прошлого, а Монти будет, как нравится ему, тестировать классические популяционные модели: годятся ли они для неандертальских данных.

Главный вопрос, интересный всем участникам проекта, — имеется ли неандертальский вклад в геноме современного европейца. В конце концов, неандертальцы жили на территории нынешней Европы, пока примерно 40 тысяч лет назад там не объявились люди современного типа. Как утверждают некоторые палеонтологи, в скелетах ранних европейцев прослеживаются кое-какие неандертальские черты. Большинство с ними, однако, не соглашаются, а у нас в статье 1997 года про мтДНК неандертальца написано, что свидетельств наследия неандертальцев у современных людей не обнаружено. И только анализ ядерного генома может дать более определенный ответ.

Чтобы понять, почему анализ ядерного генома много мощнее, чем анализ митохондриального генома, важно не забывать, что в ядре содержатся 3 миллиарда нуклеотидов, а в митохондриях только 16 тысяч. Но еще ядерный геном перестраивается от поколения к поколению, потому что каждая хромосома обменивается участками последовательности со своей парой и затем обе передаются независимо друг от друга, каждая со своей информацией. Если от союза неандертальской и человеческой особи родится ребенок, то у него будет примерно по 50 процентов ДНК от каждого из родителей. И если такой полукровка вырастет, найдет себе пару среди людей и вырастит своего ребенка, то этот потомок будет нести около 25 процентов неандертальских генов, а его внуки получат 12,5 процента, а у правнуков останется 6 процентов и т. д. И хотя в этом сценарии неандертальский вклад уменьшается чрезвычайно быстро, но все же 6 процентов составляют больше 100 миллионов нуклеотидов. В конце концов неандертальская ДНК распространится в популяции, и каждый получит маленькую ее порцию. Начиная с этого момента в родительской паре оба будут иметь примерно одинаковую долю неандертальской ДНК, следовательно, этот процент перестанет снижаться от поколения к поколению, а, наоборот, будет оставаться постоянным. Кроме того, образование смешанных пар, если оно было возможно, вряд ли случилось один-единственный раз. А в случае растущей популяции, где на каждого родителя приходится больше одного отпрыска, этот наследственный вклад не должен исчезнуть совсем. А мы как раз знаем, что популяция людей, заселившая европейскую территорию и сменившая неандертальцев, быстро расширялась. Поэтому мне определенно представлялось, что если скрещивание имело место, то мы обязательно увидим неандертальские гены, хоть в мизерном количестве. Однако, поскольку мтДНК не обнаруживала ни намека на подобный вклад, я все еще придерживался мнения, что его не существовало вовсе.

Само скрещивание между людьми и неандертальцами казалось мне маловероятным в силу ряда биологических препятствий, поэтому я скептически относился к неандертальскому генетическому наследию. Хотя наверняка неандертальцы и люди могли образовывать брачные пары — в конце концов, в любых человеческих группировках так бывает, — но дети от таких союзов, по идее, должны были получаться менее жизнеспособными и плодовитыми. Вот, например, у людей 23 пары хромосом, а у горилл и шимпанзе 24 пары. Это потому, что наша самая большая хромосома, хромосома 2, получилась из двух слившихся хромосом меньшего размера. Две эти хромосомы у обезьян присутствуют розно. Подобные преобразования то и дело происходят по ходу эволюции и обычно никаких последствий для функциональности генома не имеют. Но у гибридов от родителей с разным числом хромосом появляются трудности с размножением. Если слияние двух хромосом в хромосому 2 произошло после расхождения линий людей и неандертальцев, то даже при успешном скрещивании гибридные потомки не могли передать неандертальскую ДНК, так как сами не могли иметь детей. Но это все не более чем пустые рассуждения, а мы собирались найти твердые факты. Как это сделать? Сравнить неандертальский геном с геномами современных людей и посмотреть, к кому неандертальцы окажутся ближе: к европейцам, с которыми неандертальцы долго делили территорию, или к африканцам, на чьей территории неандертальцы не жили никогда.

К октябрю 2006 года Дэвид и Ник с головой погрузились в проект. Они работали вместе с Джимом Малликином, еще одним членом нашего консорциума. Джим заведовал секвенированием в Национальном исследовательском институте генома человека в Бетесде. Он был очень славным и неизменно полезным. Он напоминал мне Винни-Пуха, но только весьма и весьма компетентную версию этого дружелюбного медвежонка. Он отсеквенировал геномы нескольких современных европейцев и африканцев. Чтобы было на что опереться при сопоставлении с неандертальским геномом, он выделил в современных геномах те позиции, в которых у представителей разных народов стоят разные нуклеотиды. Для каждой пары народов он сделал свое сравнение. Как уже говорилось, такие изменчивые позиции называются полиморфизмами, или однонуклеотидными заменами, сокращенно СНИП, и они лежат в основе любого генетического анализа. Я помню, в какой восторг меня привело обнаружение первого СНИПа ледникового периода в исследовании Алекса Гринвуда (см. главу 9). Он тогда реконструировал последовательность ДНК мамонта и по ходу дела нашел позиции, где в паре хромосом находились разные нуклеотиды. А теперь мы хотим перебрать сотни тысяч подобных СНИПов. Нам нужно узнать, есть ли в человеческом геноме среди полиморфных позиций такие, которые присутствовали у неандертальца 40 тысяч лет назад, много раньше тех мамонтов ледникового периода. И хотя мы работали над этим уже много лет, все равно конечная цель казалась мне чистой фантастикой.

Логика поиска неандертальской ДНК оставалась той же, что и в 1996 году, когда мы впервые занялись митохондриальным геномом. Примерно так: если неандертальцы жили только на европейской и западноазиатской территориях, то их ДНК, существуй она сегодня, скорее всего, сосредоточена там. Так что, предположив успешное скрещивание неандертальцев и древних европейцев, мы допускаем, что сегодня по Европе гуляют носители неандертальских генов, доставшихся им 30 тысяч лет назад. В этом случае европейская мтДНК в среднем будет больше похожа на неандертальскую, чем у современных африканцев. Но у нас тогда получилось, что европейцы и африканцы в равной мере отличаются от неандертальцев (или похожи на них), поэтому мы заключили, что наследственного вклада мтДНК в геном современного человека не было. Для ядерного генома справедливы те же рассуждения: если неандертальцы ничего не оставили современному человеческому геному, то в среднем все современные популяции людей будут равно отличаться от них. Правдоподобие выводов только увеличится, если мы учтем данные по большому числу СНИПов и большому числу индивидов. А если все же существует неандертальский вклад в ту или иную человеческую популяцию, то эта популяция будет больше похожа на неандертальскую последовательность, чем все остальные популяции. Вот именно с этим и начали разбираться Дэвид, Ник и Джим: выявлять те полиморфизмы, которые отличают европейцев от африканцев (их геномы Джим уже отсеквенировал). А потом будут определять, сколько из этих полиморфизмов, соответственно европейских и африканских, найдется в неандертальском геноме. Если неандертальцы ближе к европейцам, то у них будет больше общих полиморфизмов (СНИПов), чем с африканцами. И это будет указывать на генетический поток от неандертальцев к европейцам.

В апреле 2007 года, готовясь к очередной конференции в Колд-Спринг-Харбор, Джим, Ник и Дэвид прислали мне первые заметки по неандертальским генам. Выводы они основывали на данных по методике 454. Чтобы протестировать метод, они взяли два генома, европейца и африканца, определили, по каким СНИПам они различаются, а затем сравнили эти СНИПы с полиморфизмами еще одного современного европейца. У них получилось, что у двух европейцев 62 процента общих полиморфизмов, а у второго европейца с африканцем — 38 процентов. Так что у жителей с одной и той же территории в среднем больше общих полиморфизмов, чем с жителями любых других территорий. На тот момент у ребят была возможность сравнить современные человеческие геномы с неандертальскими по 269 полиморфизмам, которые, как уже было известно, различаются у европейцев и африканцев. И получилось, что у неандертальцев с европейцами 134 общих полиморфизма, а с африканцами — 135. Практически пятьдесят на пятьдесят — я, собственно, так и думал, что примеси быть не должно. Такой результат мне импонировал еще и по другой причине. Он означал, что у нас в руках геном персонажа, равно близкого и европейцам, и африканцам. А значит, и загрязнений, пришедших из современного мира, не так уж и много, так как любые загрязнения должны добавлять европейские полиморфизмы, сближая неандертальцев с европейцами.

Восьмого мая 2007 года, за день до конференции в Колд-Спринг-Харбор, все члены нашей бригады — а у нее теперь было официальное название, Консорциум по исследованию неандертальского генома, — первый раз собрались вместе. Начал я нашу встречу с того, что познакомил всех с новой методикой специальных меток, которую мы ввели для последующего выявления загрязнений вне “чистой комнаты”. Потом рассказал о трех археологических местонахождениях и о костях, из которых нам предстояло получить ДНК. У нас имелись 1,2 миллиона нуклеотидов из костей Виндии, и мы уже стали метить эти фрагменты. Еще у нас имелись в запасе 400 тысяч нуклеотидов из костей типового неандертальца из долины Неандерталь, тех самых, что послужили для реконструирования митохондриального генома в 1997-м. И наконец, у нас были кости из пещеры Эль-Сидрон в Испании, и из них мы выделили в общей сложности 300 тысяч нуклеотидов; в этом местонахождении Хавьер Фортеа специально для нас поднимал кости в стерильных условиях.

Слушать о неандертальских местонахождениях с костями было несказанно спокойнее, чем вести мудреные споры о технических трудностях выделения и секвенирования ДНК из этих костей. А тот факт, что неандертальцы отстоят и от европейцев, и от африканцев на примерно одинаковое нуклеотидное расстояние, впечатлил всех. Но Дэвид Рейх при этом здраво отметил, что у нас всего лишь 269 СНИПов и на основе этой небольшой выборки мы можем лишь исключить большой генетический вклад в европейский геном. На самом деле 90-процентный доверительный интервал для полученного 49,8-процентного сходства неандертальцев с европейцами составлял диапазон 45–55 процентов. Это означало, что с вероятностью 90 процентов неандертальский вклад в современный европейский геном не превышает пяти процентов. А с вероятностью 10 процентов неандертальцы оставили нам в наследство больше пяти процентов своих генов. С подобным вероятностным подходом я чувствовал себя на своем поле. Ведь если начать спорить относительно костных форм, отверстий, гребней и т. п., то как реально оценить собственную уверенность в выводах? Никак не оценишь. И даже если собрать больше данных, это все равно не исправит ситуацию. А ДНК исправит.

Дэвид тем временем на основе тех же СНИПов, определенных Джимом, проводил собственное исследование. Он сравнивал все характерные для современного человека СНИПы с соответствующими участками ДНК у шимпанзе. Сравнив, он мог определить, какие из вариантов или аллелей предковые, а какие получены уже в человеческой линии. Чем дальше расходятся во времени неандертальская и человеческая линии, тем меньше должно быть у неандертальцев СНИПов, выявленных у современных людей. Когда у Дэвида набрался 951 вариант современных “африканских” полиморфизмов, он высчитал, какая доля из них присутствует у современных европейцев: 31,9 процента. А в наших неандертальских последовательностях нашлось 17,1 процента этих СНИПов, то есть примерно в два раза меньше, чем у европейцев. Если принять, что размер популяций оставался более или менее постоянным, это давало оценки времени отделения неандертальцев от африканцев в 300 тысяч лет (а мы помним возраст разъединения африканской и европейской популяций — 100–200 тысяч лет). Пока все сходилось, и результат меня радовал. У нас со всей определенностью сложилась последовательность ДНК, принадлежавшая некоему существу со своей отдельной генетической историей. Но Дэвид все время охлаждал мой пыл — мол, данных пока маловато. И правда, 90-процентный доверительный интервал давал долю продвинутых аллелей у неандертальцев от 11 до 26 процентов. И все же мы были на верном пути.

Но вот мы перешли на секвенирование с помощью Illumina, и данные стали поступать все быстрее и быстрее. Наши телефонные совещания два раза в месяц тянулись все дольше, и мы решили устраивать их раз в неделю. В январе 2009 года, незадолго до конференции AAAS, я попросил Ника и Дэвида провести быстрый анализ данных 454. Все же они составляли 20 процентов всего массива. Мне хотелось прикинуть, если скрещивание с неандертальцами все же было (хотя я в это и не верил), то какой наибольший процент неандертальской ДНК теоретически может присутствовать в человеческом геноме так, чтобы мы с известной вероятностью не видели ее, не натыкались на нее в своих поисках. Иными словами, насколько большой вклад неандертальцев мы можем пропустить. Эти оценки я предполагал представить на конференции AAAS.

Шестого февраля 2009 года я получил от Дэвида имейл. И там было написано: “Теперь у нас есть надежное доказательство, что неандертальская последовательность ближе к неафриканской части современного человечества, чем к африканской”. Я ошалел. Дэвид обнаружил, что неандертальская последовательность, которая у нас складывалась, схожа с европейской на 51,3 процента. Вроде бы от 50/50 почти не отличается, но только почти. У нас теперь было так много данных, что даже 0,22 процента оказалось бы надежным различием. То есть, если вычесть 0,22 из 51,3, все равно будет больше 50 процентов. Мне нужно было срочно пересматривать свои представления: неандертальцы скрещивались с предками европейцев. Однако оставалось и место для сомнений: вдруг методика вообще ошибочна? Дело в том, что у Дэвида получилось, что сходство неандертальцев с китайцами составляет 51,54 процента с возможной погрешностью в 0,28 процента, а неандертальцы никогда не заходили на территории современного Китая. Дэвида эти цифры тоже встревожили. Мы сошлись на том, что в принципе результаты расчетов блестящи, но могут обернуться таким же потрясающим провалом. По итогам истерического обмена имейлами с Ником и Дэвидом я согласился, что лучше пока держать эти расчеты в тайне и не обнародовать на конференции AAAS. Потому что, сделай мы это, все средства массовой информации немедленно поднимут шум. И если потом обнаружится ошибка, то мы будем выглядеть полными идиотами. Лучше, как я решил, говорить в Чикаго на менее животрепещущие темы. Все сообщения о возможных неандертальских примесях решено было оставить до съезда в Хорватии, где после конференции AAAS соберутся все члены консорциума.