Кто мы и как сюда попали - [3]

Так же и с генетикой прошлых времен. Кавалли-Сфорца увидел широчайшие возможности генетики для расшифровки истории человечества, когда никто и не помышлял об этом, но его дальновидение обогнало технологии, необходимые для воплощения его идей. Однако теперь все иначе. У нас в сотни тысяч раз больше данных и вдобавок богатейшая коллекция древней ДНК, а это более прямой источник информации о перемещениях популяций, чем археология и лингвистика.

В 2010 году были опубликованы первые пять ископаемых человеческих геномов: геномы неандертальцев¹⁰, геном древнего денисовца¹¹и гренландца, жившего примерно 4 тысячи лет назад¹². В течение следующих лет были обнародованы данные по геномам еще пяти древних людей, а за ними в 2014 году последовал целый букет данных по геномам 38 индивидов. В 2015 году полногеномный анализ древних людей вышел на этап сверхускорения. В трех статьях предлагались данные по 66¹³, 100¹⁴и 83¹⁵древним образцам! К августу 2017 года в моей лаборатории прочли полные геномы трех тысяч древних индивидов, но и в других лабораториях работа тоже кипела. Теперь информация поступает с такой скоростью, что за время от прочтения ДНК в образце до его публикации общее количество данных по меньшей мере удваивается.

Рис. 2. Чтение древней ДНК в лабораториях ускорилось теперь настолько, что за время между производством соответствующих данных и их публикацией общая информация по древней ДНК увеличивается больше чем вдвое.

Подавляющая часть методологии прочтения древней ДНК была разработана Сванте Пэабо и его группой в Институте эволюционной антропологии Макса Планка в Лейпциге, Германия, применительно к очень древним образцам, таким как неандертальцы и денисовцы.

Сам я занимался адаптированием этих методов к анализу большого числа образцов сравнительно недавнего возраста, до нескольких тысяч лет (что все-таки тоже немало). Я начал специализироваться в этой области в 2007 году (как правило, процесс такого обучения занимает 7 лет) в лаборатории Сванте Пэабо, работая над проектами неандертальского и денисовского геномов. В 2013 году Пэабо помог мне создать мою собственную лабораторию по древней ДНК – первую в США, которая занималась прочтением ископаемых человеческих геномов. Помогала мне в этом Надин Роланд, которая, прежде чем прийти ко мне, тоже обучалась в лаборатории Пэабо. Мы хотели поставить на поток прочтение индивидуальных древних последовательностей, то есть на основе разработанных в Европе технологий создать геномную фабрику в американском стиле.

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.