Кто мы и как сюда попали. Древняя ДНК и новая наука о человеческом прошлом

Прежде чем углубиться в сам предмет книги, я позволю себе вспомнить один эпизод, случившийся во время моей лекции в Массачусетском технологическом институте в 2009 году. Эту лекцию поставили последней в семестре, и я, по идее, должен был добавить изюминку в ознакомительный курс компьютерных исследований генома с медицинским уклоном. И вот я рассказываю об истории индийской популяции, а передо мной в первом ряду сидит студентка и в упор меня рассматривает. А в конце лекции задает с улыбочкой вопрос: “И как вы на все это добываете деньги?” И я начинаю что-то бубнить о том, что человеческое прошлое формирует наше генетическое настоящее и это очень важно для оценки факторов риска болезней… Потом я привел пример с тысячами индийских популяций, где риск заболеваний существенно повышен из-за распространения определенных генетических аллелей, привнесенных основателями этих популяций… Примерно такие доводы о частоте факторов риска заболеваний я и приводил, подавая заявки на гранты в Национальные институты здравоохранения США. Этими грантами в основном и финансируются работы моей лаборатории с момента ее основания в 2003 году.

Все это, безусловно, правда, но на самом деле мне бы хотелось ответить на вопрос по-другому. Мы, ученые, при подаче заявок руководствуемся жесткими условиями самой системы финансирования, которая направляет наши работы в русло практической пользы для здравоохранения или технологий. А как же присущее человеку любопытство? Его, наверное, тоже стоит учитывать. И наверное, ответ на фундаментальный вопрос “кто мы такие?” будет наивысшим достижением человечества как вида. И наверное, в просвещенном обществе люди должны ценить саму интеллектуальную деятельность, пусть и не имеющую немедленного экономического или практического выхода. Исследования человеческого прошлого, равно как искусство, музыка, литература, космология, жизненно необходимы нам, потому что с ними мы понимаем природу нашей общности и открываем нечто исключительно важное, такое, о чем раньше и помыслить не могли.

Часть первая

Ранняя история нашего вида

Глава 1

Как геном объясняет, кто мы такие

Поворотный момент в человеческой изменчивости

Чтобы понять, почему вообще человеческую историю можно изучать с помощью генетики, нужно представлять себе, как в геноме кодируется информация (а геном мы определим как полный набор генетических “букв”, унаследованный от родителей). В 1953 году Фрэнсис Крик, Розалин Франклин, Джеймс Уотсон и с ними Морис Уилкинс открыли, что человеческий геном записан на сдвоенных последовательностях, состоящих из цепочек химических строительных блоков, так называемых нуклеотидов, их в последовательности около 3 млрд – значит, в сумме 6 млрд. Нуклеотидов всего четыре типа. Их можно представить в виде букв алфавита: А (аденин), Ц (цитозин), Г (гуанин), Т (тимин)¹. То, что мы называем “ген”, – это крошечный фрагмент таких цепочек, обычно он длиной около тысячи букв, и на генах, как по клише, идет сборка белков, выполняющих в клетке основную работу. Между генами на цепочке расположена некодирующая ДНК, иногда ее называют “мусорная ДНК”. Порядок букв-нуклеотидов можно прочитать с помощью машин, реагирующих на химически индуцированные световые импульсы, исходящие от того или иного нуклеотида; эти световые импульсы регистрируются по мере продвижения вдоль последовательности ДНК. Четыре нуклеотида испускают свет разного цвета, и по цвету можно определить, какая буква – А, Т, Г или Ц – сканируется компьютером.

Рис. 3.

Геном состоит из нуклеотидов, которые можно представить в виде букв А – аденин, Ц – цитозин, Г – гуанин, Т – тимин; в человеческом геноме около трех миллиардов пар таких букв. В сдвоенных геномах примерно 99,9 % этих букв одинаковые, но оставшаяся 0,1 % имеет различия, отражающие накопленные со временем мутации. По этим мутациям можно судить, насколько родственны два человека друг другу, и получить очень точную информацию о прошлом.

Естественно, большинство биологов интересует информация, закодированная в генах, но есть и другая сторона дела – различия между последовательностями. Источником различий могут быть ошибки при копировании геномов (эти ошибки мы знаем как мутации), произошедшие в какой-то момент прошлого. Именно эти различия, появляющиеся с частотой одна на тысячу “букв”, генетики и исследуют для расшифровки нашей истории. На три миллиарда букв в обычных неродственных геномах приходится около трех миллионов различий. Если на том или ином участке генома плотность различий повышена, значит, этот участок генома принадлежал более далекому общему предку, потому что мутации в геноме накапливаются примерно с одинаковой скоростью. Следовательно, плотность различий служит своего рода биологическим стоп-кадром, фиксирующим время, прошедшее от того или иного ключевого события.