Как и зачем изучать геномы?
Сегодня ученые используют термин «геном» для обозначения полного набора последовательностей ДНК, полученных из всех хромосом изучаемого вида. Геномика — это относительно новая и постоянно расширяющаяся область исследований, посвященная изучению геномов. Прямой анализ генома организма или геномов группы организмов теперь возможен благодаря достижениям в развитии методов секвенирования (прочтения ДНК), позволяющих исследователям собирать огромные объемы информации о генетической изменчивости за очень короткие периоды времени.
Какую информацию они дают и что по ним можно узнать?
Секвенирование генома позволяет решать ряд важных задач, которые нельзя или затруднительно решить с помощью других методов исследования, таких как микроскопия или биохимический анализ. Во-первых, благодаря знанию генетической информации гораздо проще искать белки, отвечающие за те или иные функции. Во-вторых, лишь при наличии полных геномов можно изучать многие аспекты эволюции.
Кроме того, геномика может дать массу полезной информации для исследования генетической предрасположенности к различным заболеваниям, для фармакологических исследований — например, выявление генов, продукты которых влияют на метаболизм лекарств и их терапевтическую эффективность.
Что дало науке и миру это открытие?
В работе с древней ДНК и с геномами древних людей возникает много трудностей: как правило, в ископаемых образцах она присутствует в крайне малых количествах, а то, что есть часто бывает повреждено из-за окислительных процессов, гидролиза, под воздействием температуры окружающей среды. Также крайне трудно избежать загрязнения такой ДНК генетическим материалом бактерий, неизбежно присутствующих в образцах, и ДНК современных людей. Благодаря обширным технологическим разработкам Сванте Паабо установил новые строгие стандарты в этой сложной области и преуспел в получении последовательности генома нашего ближайшего вымершего родственника — неандертальца. За этим последовало его сенсационное исследование другого вымершего гоминида, Денисовца, полностью основанное на геномных данных, извлеченных из небольшого образца кости пальца.
В работах Сванте Паабо с многочисленными соавторами также было установлено, что представители человека разумного (Homo sapiens) скрещивались с неандертальцами и денисовцами в периоды сосуществования, что привело к появлению архаичной ДНК у современных людей.
Благодаря открытиям Сванте Паабо мы теперь понимаем, что архаичные последовательности генов наших вымерших родственников влияют на физиологию современных людей. Одним из таких примеров является денисовская версия гена EPAS1, которая дает преимущество в выживании на большой высоте и распространена среди современных тибетцев. Другими примерами являются гены неандертальцев, которые влияют на наш иммунный ответ на различные типы инфекций.
Почему за работу по прочтению геномов дали премию в номинации «медицина»?
Осознавая технологические сложности, сопряженные с выделением древней ДНК, Сванте стал разрабатывать и совершенствовать методы выделения, секвенирования и очистки древней ДНК. Он не изобретал новых технологий, но крайне быстро и эффективно использовал те, что появлялись. Например, в 1988 году он одним из первых применил метод ПЦР (полимеразную цепную реакцию) для размножения фрагментов древней ДНК.
Он заложил стандарты работы в этой области и продолжил работу уже в новом, появившемся благодаря его работам направлении, — палеогенетике. Своими новаторскими открытиями Паабо открыл новое окно в наше эволюционное прошлое, обнаружив неожиданную сложность эволюции и взаимодействия древних гоминидов, а также заложил основу для лучшего понимания генетических особенностей современного человека.
Так, в 2020 году многие ученые пытались выяснить, какие гены делают человека более уязвимым к тяжелым формам коронавирусной инфекции. В частности, Хуго Cеберг и Сванте Паабо искали в геномах пациентов из Бразилии и десятка европейских стран предрасположенность к дыхательной недостаточности. Учёные выделили короткий кусочек в 49 тысяч нуклеотидов на третьей хромосоме, вариации в котором коррелируют с тяжестью болезни. При этом было замечено, что эти вариации встречаются у людей вместе — как будто все последовательности одновременно попали в человеческий геном.
При сопоставлении данных о геномах неандертальцев и денисовцев оказалось, что из 13 точечных замен, характерных для пациентов с тяжелым течением инфекции, 11 встречаются у 50-тысячелетнего неандертальца, некогда найденного в Хорватии. Это исследование было бы невозможно без предварительной многолетней работы группы Сванте Паабо в области исследования древней ДНК и геномов древних людей.
Источник: ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН»
