Лауреатът на нобеловата награда за 2022 в областта на физиологията или медицината Сванте Паабо, който бе обявен днес, е един от най-изтъкнатите учени, които се опитват да дадат отговори на вечните въпроси, вълнуващи човечеството:

Откъде идваме и как сме свързани с тези, които са дошли преди нас? Какво прави нас, Хомо сапиенс, различни от другите ни роднини?

С пионерните си изследвания Сванте Паабо постига нещо на пръв поглед невъзможно - секвенира неандерталския геном.

Той прави и сензационното откритие на неизвестен дотогава хоминин - Денисовия човек.

Важно е да се отбележи, че Паабо установява, че след миграцията от Африка преди около 70 000 години се е осъществил трансфер на гени от тези вече изчезнали хоминини към Хомо сапиенс. Този древен поток от гени към съвременните хора има значение за физиологията ни днес, например влияейки върху начина, по който имунната ни система реагира на инфекции.

Фундаменталните изследвания на Паабо дават началото на изцяло нова научна дисциплина - палеогеномиката.

Разкривайки генетичните разлики, които отличават всички живи хора от изчезналите хоминини, неговите открития осигуряват основата за изследване на това, което ни прави уникални в рода Homo.

Откъде идваме?

Въпросът за нашия произход и какво ни прави уникални занимава човечеството от древни времена. Палеонтологията и археологията са важни за изучаването на човешката еволюция.

Изследванията предоставят доказателства, че анатомично съвременният човек, Homo sapiens, се е появил за първи път в Африка преди около 300 000 години, докато най-близките ни познати роднини, неандерталците, са еволюирали извън Африка и са населявали Европа и Западна Азия от около 400 000 години до преди 30 000 години, когато са изчезнали.

Преди около 70 000 години групи Homo sapiens мигрират от Африка към Близкия изток и оттам се разпространяват в останалата част на света. По този начин Homo sapiens и неандерталците съжителстват в големи части на Евразия в продължение на десетки хиляди години.

Но какво знаем за връзката ни с изчезналите неандерталци? Сведенията могат да бъдат получени от геномните данни.

До края на 90-те години на миналия век почти целият човешки геном е бил секвениран. Това е голямо постижение, което позволява последващи изследвания на генетичната връзка между различните човешки популации.

Въпреки това проучванията на връзката между съвременните хора и изчезналите неандерталци ще изискват секвениране на геномна ДНК, извлечена от древни образци.

На пръв поглед невъзможна задача

В началото на кариерата си Сванте Паабо е запленен от възможността да използва съвременни генетични методи за изследване на ДНК на неандерталците. Скоро обаче осъзнава изключителните технически трудности, тъй като с времето ДНК се променя химически и се разгражда на къси фрагменти. След хиляди години остават само следи от ДНК, а това, което остава, е масово замърсено с ДНК от бактерии и съвременни хора (фигура 1). Като докторант при Алън Уилсън, пионер в областта на еволюционната биология, Паабо започва да разработва методи за изследване на ДНК от неандерталци - работа, която продължава няколко десетилетия.

_{Фигура 1. ДНК е локализирана в два различни дяла в клетката. Ядрената ДНК съхранява по-голямата част от генетичната информация, докато много по-малкият митохондриален геном присъства в хиляди копия. След смъртта ДНК се разгражда с течение на времето и накрая остават само малки количества. Освен това тя се замърсява с ДНК от бактерии и съвременни хора. Кредит: The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Illustrator: Mattias Karlén}

През 1990 г. Паабо е приет на работа в Мюнхенския университет, където като новоназначен професор продължава работата си по древната ДНК. Той решава да анализира ДНК от неандерталски митохондрии - органели в клетките, които съдържат собствена ДНК.

Митохондриалният геном е малък и съдържа само част от генетичната информация в клетката, но присъства в хиляди копия, което увеличава шанса за успех. С помощта на усъвършенстваните си методи Паабо успява да секвенира област от митохондриална ДНК от парче кост на 40 000 години.

Така за първи път е получен достъп до секвенция от изчезнал роднина на Homo sapiens. Сравненията със съвременни хора и шимпанзета показват, че неандерталците са били генетично различни.

Секвенирането на неандерталския геном

Тъй като анализите на малкия митохондриален геном дават само ограничена информация, Паабо се заема с огромното предизвикателство да секвенира неандерталския ядрен геном. По това време му е предложена възможността да създаде института за еволюционна антропология към общността "Макс Планк" в Лайпциг, Германия.

В новия институт Паабо и екипът му непрекъснато усъвършенстват методите за изолиране и анализ на ДНК от древни костни останки. Изследователският екип използва нови технически постижения, които правят секвенирането на ДНК изключително ефективно. Паабо също така ангажира няколко изключително важни сътрудници с опит в областта на популационната генетика и съвременните анализи на секвенциите. Усилията му се увенчаха с успех.

Паабо постига привидно невъзможното и през 2010 г. публикува първата секвенция на неандерталски геном. Сравнителните анализи показват, че най-скорошният общ предшественик на неандерталците и Homo sapiens е живял преди около 800 000 години.

_{Фигура 2. А. Паабо извлича ДНК от костни образци на изчезнали хоминини. За първи път получава фрагмент от кост от неандерталец от пещерата Неандертал в Германия - мястото, дало името на неандерталците. По-късно използва кост от пръст от Денисовата пещера в Южен Сибир - мястото, дало името на денисовците. B. Филогенетично дърво, показващо еволюцията и връзката между Homo sapiens и изчезналите хоминини. Филогенетичното дърво илюстрира и генетичните потоци, открити от Паабо. Кредит: The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Illustrator: Mattias Karlén}

Сега Паабо и неговите колеги могат да изследват връзката между неандерталците и съвременните хора от различни части на света.

Сравнителните анализи показват, че ДНК последователностите на неандерталците са по-сходни с последователностите на съвременните хора, произхождащи от Европа или Азия, отколкото със съвременните хора, произхождащи от Африка.

Това означава, че неандерталците и Homo sapiens са се кръстосвали по време на хилядолетното си съвместно съществуване. При съвременните хора с европейски или азиатски произход приблизително 1-4 % от генома произхожда от неандерталците (фигура 2).

Сензационно откритие: Денисовият човек

През 2008 г. в пещерата Денисова в южната част на Сибир е открит фрагмент от кост на пръст на възраст 40 000 години. Костта съдържа изключително добре запазена ДНК, която екипът на Паабо секвенира.

Резултатите предизвикват сензация: ДНК последователността е уникална в сравнение с всички известни последователности от неандерталци и съвременни хора.

Паабо е открил неизвестен досега хоминин, който получава името Денисов човек (Denisovan). Сравненията със секвенции от съвременни хора от различни части на света показват, че между Денисовия човек и Хомо Сапиенс също е имало генен обмен. Тази връзка е забелязана за първи път при популации в Меланезия и други части на Югоизточна Азия, където индивидите носят до 6 % денисовска ДНК.

Откритията на Пябо водят до ново осмисляне на еволюционната ни история. По времето, когато Homo sapiens мигрира от Африка, поне две изчезнали популации хоминини обитават Евразия. Неандерталците са живели в Западна Евразия, докато денисовците са населявали източните части на континента. По време на експанзията на Homo sapiens извън Африка и миграцията им на изток те се сблъскват и кръстосват не само с неандерталци, но и с денисовци (фигура 3).

Палеогеномика и нейното значение

Чрез своите новаторски изследвания Сванте Паабо създава изцяло нова научна дисциплина - палеогеномика. След първоначалните открития неговата група завърши анализите на няколко допълнителни геномни последователности от изчезнали хоминини. Откритията на Паабо създават уникален ресурс, който се използва широко от научната общност за по-добро разбиране на човешката еволюция и миграция. Новите мощни методи за анализ на секвенциите показват, че древните хоминини може също да са се смесили с Homo sapiens в Африка. Все още обаче не са секвенирани геноми от изчезнали хоминини в Африка поради ускореното разграждане на древната ДНК в тропически климат.

Благодарение на откритията на Сванте Пябо сега разбираме, че древните генни последователности от наши изчезнали роднини влияят върху физиологията на съвременните хора. Един такъв пример е денисовската версия на гена EPAS1, която дава предимство за оцеляване на голяма надморска височина и е разпространена сред днешните тибетци. Други примери са неандерталски гени, които влияят на имунния ни отговор към различни видове инфекции.

^{Фигура 3. Откритията на Пябо предоставят важна информация за това как е бил населен светът по времето, когато Homo sapiens мигрира от Африка и се разпространява в останалата част на света. Неандерталците са живели на запад, а денисовците - на изток на евразийския континент. При разпространението на Homo sapiens по целия континент е настъпило кръстосване, което е оставило следи, останали в нашата ДНК. Кредит: The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Illustrator: Mattias Karlén}

Какво прави хората уникални?

Хомо сапиенс се характеризира с уникалната си способност да създава сложни култури, находчиви изобретения и изобразително изкуство, както и със способността си да прекосява открити води и да се разпространява във всички части на нашата планета (фигура 4).

Неандерталците също са живели на групи и са имали големи мозъци (фигура 4). Те също са използвали инструменти, но са еволюирали много малко в продължение на стотици хиляди години.

Генетичните разлики между Homo sapiens и нашите най-близки изчезнали роднини бяха неизвестни, докато не бяха установени чрез фундаменталния труд на Паабо. Продължаващите интензивни изследвания се фокусират върху анализа на функционалните последици от тези разлики с крайната цел да се обясни какво ни прави уникални хора.

_{Фигура 4. Фундаменталният труд на Паабо осигурява основа за обяснение на това, което ни прави уникални. Кредит: The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Illustrator: Mattias Karlén}

Справка:

^{Krings M, Stone A, Schmitz RW, Krainitzki H, Stoneking M, Pääbo S. Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans. Cell. 1997:90:19-30.}

^{Green RE, Krause J, Briggs AW, Maricic T, Stenzel U, Kircher M, Patterson N, Li H, Zhai W, Fritz MH, Hansen NF, Durand EY, Malaspinas AS, Jensen JD, Marques-Bonet T, Alkan C, Prüfer K, Meyer M, Burbano HA, Good JM, Schultz R, Aximu-Petri A, Butthof A, Höber B, Höffner B, Siegemund M, Weihmann A, Nusbaum C, Lander ES, Russ C, Novod N, Affourtit J, Egholm M, Verna C, Rudan P, Brajkovic D, Kucan Ž, Gušic I, Doronichev VB, Golovanova LV, Lalueza-Fox C, de la Rasilla M, Fortea J, Rosas A, Schmitz RW, Johnson PLF, Eichler EE, Falush D, Birney E, Mullikin JC, Slatkin M, Nielsen R, Kelso J, Lachmann M, Reich D, Pääbo S. A draft sequence of the Neandertal genome. Science. 2010:328:710-722.}

^{Krause J, Fu Q, Good JM, Viola B, Shunkov MV, Derevianko AP, Pääbo S. The complete mitochondrial DNA genome of an unknown hominin from southern Siberia. Nature. 2010:464:894-897.}

^{Reich D, Green RE, Kircher M, Krause J, Patterson N, Durand EY, Viola B, Briggs AW, Stenzel U, Johnson PL, Maricic T, Good JM, Marques-Bonet T, Alkan C, Fu Q, Mallick S, Li H, Meyer M, Eichler EE, Stoneking M, Richards M, Talamo S, Shunkov MV, Derevianko AP, Hublin JJ, Kelso J, Slatkin M, Pääbo S. Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia. Nature. 2010:468:1053-1060.}

^{Meyer M, Kircher M, Gansauge MT, Li H, Racimo F, Mallick S, Schraiber JG, Jay F, Prüfer K, de Filippo C, Sudmant PH, Alkan C, Fu Q, Do R, Rohland N, Tandon A, Siebauer M, Green RE, Bryc K, Briggs AW, Stenzel U, Dabney J, Shendure J, Kitzman J, Hammer MF, Shunkov MV, Derevianko AP, Patterson N, Andrés AM, Eichler EE, Slatkin M, Reich D, Kelso J, Pääbo S. A high-coverage genome sequence from an archaic Denisovan individual. Science. 2012:338:222-226.}

^{Prüfer K, Racimo F, Patterson N, Jay F, Sankararaman S, Sawyer S, Heinze A, Renaud G, Sudmant PH, de Filippo C, Li H, Mallick S, Dannemann M, Fu Q, Kircher M, Kuhlwilm M, Lachmann M, Meyer M, Ongyerth M, Siebauer M, Theunert C, Tandon A, Moorjani P, Pickrell J, Mullikin JC, Vohr SH, Green RE, Hellmann I, Johnson PL, Blanche H, Cann H, Kitzman JO, Shendure J, Eichler EE, Lein ES, Bakken TE, Golovanova LV, Doronichev VB, Shunkov MV, Derevianko AP, Viola B, Slatkin M, Reich D, Kelso J, Pääbo S. The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains. Nature. 2014:505: 43-49.}

Източник: Press release: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2022, The Nobel Committee for Physiology or Medicine

Още по темата

03/10/2022

Медицина

Нобелова награда за декодирането на генома на изчезнали роднини на Хомо сапиенс

01/10/2020

Животът

Неандерталски генен вариант увеличава риска от тежки състояния на COVID-19

13/11/2018

Животът

Следи от връзката на предците ни с "призрачни" древни хора са скрити в геномите ни

15/05/2018

Човекът

Учените планират да отгледат мозък на неандерталец