Prof. Marek SANAK: Nagroda Nobla dla twórcy paleogenomiki

Prof. Marek SANAK: Nagroda Nobla dla twórcy paleogenomiki

Photo of Prof. Marek SANAK

Prof. Marek SANAK

Genetyk i biolog molekularny. Profesor nauk medycznych. Członek Polskiej Akademii Nauk. Członek i dyrektor Wydziału Lekarskiego Polskiej Akademii Umiejętności. Kierownik Katedry Medycyny Sądowej Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Niewielu współczesnych naukowców może się pochwalić odkryciem nowego gatunku człowieka, opisaniem sekwencji jego genomu na podstawie kilku fragmentów kostnych znalezionych w jaskiniowych osadach oraz wykazaniem u ludzi współczesnych domieszki sekwencji genetycznej wymarłych gatunków człowieka – pisze prof. Marek SANAK

.Svante Pääbo urodził się w Sztokholmie w 1955 roku, nosi nazwisko matki, estońskiej chemiczki Karin Pääbo. Ojcem Svante był Sune Bergström, zmarły w 2004 roku laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny. Wraz z Bengtem Samuelssonem i Johnem Vane’em Sune Bergström otrzymał Nagrodę Nobla w 1982 roku za odkrycia biosyntezy prostaglandyn i innych pokrewnych mediatorów biologicznych. Pääbo studiował na Uniwersytecie Uppsali, początkowo nauki humanistyczne, następnie egiptologię i medycynę. Pracę doktorską obronił na Wydziale Badań Komórkowych Uniwersytetu w Uppsali z immunologii zakażenia adenowirusem.

Po doktoracie od 1986 roku pracował w Instytucie Biologii Molekularnej Uniwersytetu w Zurichu, a następnie na Wydziale Biochemii Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Prowadził tam pod kierunkiem Allana Wilsona badania biochemiczne i molekularne nad ewolucją gatunków. W tym czasie Wilson, na podstawie badania wariantów mitochondrialnego DNA człowieka, zaproponował teorię afrykańskiego pochodzenia gatunku ludzkiego, znaną jako „Pożegnanie z Afryką”.

Pääbo wrócił do Europy w 1990 roku, by prowadzić Zakład Biologii Uniwersytetu Ludwika Maksymiliana w Monachium. W roku 1997 przeniósł się do Lipska, gdzie kieruje Zakładem Genetyki Instytutu Ewolucyjnej Antropologii Instytutu Maxa Plancka. Pierwsza głośna publikacja Pääbo ukazała się jeszcze podczas jego studiów doktorskich. Jako nastolatek zwiedzał z matką Egipt i zafascynował się archeologią. Z egzemplarza egipskiej mumii, przechowywanej w kolekcji Muzeum Gustavianum w Uppsali, pobrał fragment skóry i wykazał obecność w nim jąder komórkowych warstwy ziarnistej naskórka, a następnie wyizolował i klonował fragmenty DNA zmarłego przed czterema tysiącami lat Egipcjanina. Praca ta ukazała się w czasopiśmie „Nature” w 1985 roku.

Pääbo odczytał sekwencję genomu mitochondrialnego Neandertalczyka w 1997 roku, również posługując się muzealnymi fragmentami kostnymi. Wykorzystując swoje oryginalne techniki pozwalające na oddzielenie genetycznego zanieczyszczenia pochodzenia bakteryjnego, stanowiącego ponad 99 proc. DNA izolowanego z archeologicznych artefaktów kostnych, przystąpił do analizy genomu jądrowego Neandertalczyka. Gram tkanki kostnej zawiera jedną milionową (mikrogram) DNA genomowego. W szczątkach kostnych wydobytych ze stanowisk archeologicznych ilość DNA jądrowego jest co najmniej 10 tysięcy razy mniejsza i jest mierzona w pikogramach. Takie DNA jest silnie pofragmentowane, średnia wielkość fragmentu nie przekracza 120 par nukleotydowych, podczas gdy długość pojedynczej cząsteczki DNA w jądrze komórki człowieka wynosi od 60 do 260 milionów par nukleotydowych. Dodatkowo DNA ulega uszkodzeniom chemicznym, powodującym chemiczną modyfikację nukleotydów, np. deaminację lub ich całkowitą utratę (depurynację).

Układając odczytane fragmenty DNA według sekwencji genomu człowieka współczesnego, Pääbo w 2010 roku opublikował genom jądrowy wymarłego gatunku Homo neanderthalensis. Badania porównawcze genów Neandertalczyka i Homo sapiens przyniosły wiele interesujących wniosków. Pääbo zaproponował, na podstawie analizy porównawczej, mechanizm ewolucyjnego rozwoju mowy u człowieka współczesnego. Polegał on na pozytywnej selekcji wariantu genu FOXP2. Jest to gen obecny u kręgowców, aktywowany w regionach mózgu odpowiedzialnych za pieśni ptaków śpiewających oraz echolokację u nietoperzy. Opisano rodzinny defekt tego genu, powodujący wrodzone zaburzenie mowy – słowną apraksję. Aminokwasowe warianty kodowanego przez ten gen czynnika transkrypcyjnego, białka wiążącego się z DNA i aktywującego wybrane geny, utrwaliły się w populacji współczesnego człowieka przed co najwyżej 200 tysiącami lat.

W toku dalszych badań porównawczych genomów człowieka Pääbo udokumentował kilkuprocentową domieszkę sekwencji genetycznej Neandertalczyka w genomie człowieka współczesnego. Do mieszania gatunków doszło po raz pierwszy na terenie Azji Mniejszej przed co najmniej 60 tysiącami lat. Badania szczątków kostnych znalezionych w jaskiniach Oase w Rumunii i Baczo Kiro w Bułgarii potwierdziły wielokrotne krzyżowanie się człowieka współczesnego z Neandertalczykiem 40–35 tysięcy lat temu. Według Pääbo wyginięcie Homo neanderthalensis nie było skutkiem dramatycznego podboju przez człowieka współczesnego czy też naturalnej zagłady. Zaszło prawdopodobnie wtopienie się – introgresja – tej nielicznej populacji w szybko zwiększającą się populację człowieka współczesnego.

Pääbo odkrył również nowy gatunek człowieka – Homo denisova. Nazwa pochodzi od Denisowej Jaskini w Ałtaju na Syberii. Odkrycie to zostało potwierdzone potem przez znaleziska z jaskini Vindija w Chorwacji oraz Jaskini Czagyrskiej w Ałtaju. Populacje Neandertalczyków i Denisowian oddzieliły się od siebie przed około 450 tysiącami lat, ale podobnie jak człowiek współczesny wywodzą się z Afryki. Denisowianie zamieszkiwali Azję; w genomach Azjatów również stwierdzono kilkuprocentową domieszkę sekwencji DNA Denisowian. Pääbo opisał genom Denisowian w 2012 roku.

Wśród porównawczych badań paleogenomowych prowadzonych przez Pääbo szczególnie interesujące są dwa przykłady. U ssaków adaptacja organizmu do ciąży jest pod kontrolą hormonu – progesteronu. Działa on na receptor, który jest również czynnikiem transkrypcyjnym. Porównanie sekwencji kodującej receptor dla progesteronu u człowieka współczesnego i sekwencji tego genu u ludzi z okresu późnego paleolitu i neolitu wskazuje na rozprzestrzenienie się 10–5 tysięcy lat temu w populacji ludzkiej wariantu białka z aminokwasem leucyną w pozycji 660, który wyparł oryginalny wariant z waliną. Wariant ten daje większe szanse urodzenia zdrowego dziecka, ponieważ kojarzy się z większą liczbą cząsteczek receptora. Jest interesujące, że ten sam wariant receptora progesteronowego (rs1042838) był obecny u Neandertalczyków. Pääbo uważa to za dowód pozytywnej selekcji fragmentu genomu po archaicznych krzyżówkach gatunku człowieka.

Innym przykładem jest występowanie we współczesnej populacji człowieka rzadkiego wariantu białka Nav1.7 pełniącego rolę błonowego kanału dla jonów sodu w szlakach nerwowych czucia bólu. Osoby dziedziczące taki wariant są bardziej wrażliwe na ból, stanowią jednak niewielki ułamek (0,4 proc.) współczesnej populacji. Wariant ten był powszechny u Neandertalczyków. Badania Pääbo są genetycznym argumentem przeciwko popularnemu wyobrażeniu Neandertalczyków jako prymitywnych jaskiniowców.

Pääbo jest bardzo aktywny naukowo w czasie pandemii COVID-19. Wykazał między innymi mechanizm selekcji regionu chromosomu 3 człowieka, który koreluje z dwukrotnie mniejszym ryzykiem zgonu na zespół ostrej niewydolności oddechowej w przebiegu tej choroby. W tym przypadku dziedziczona po Neandertalczykach sekwencja kodująca między innymi gen CCR5, znany z roli w podatności na zakażenie wirusem HIV, była tą predysponującą do ciężkiego przebiegu zakażenia koronawirusem. Inny region genomu człowieka, na chromosomie 12, również jest dziedziczony po Neandertalczykach. W ostatnich 10 tysiącach lat ten genomowy fragment zwiększył swoją częstość w populacji współczesnej, jest spotykany nawet u 50 proc. ludzi. W tym przypadku stwierdzono korelację jego obecności z ochronnym działaniem w przebiegu zakażeń wirusami RNA. W regionie chromosomu 12 znajdują się bowiem geny kodujące syntezy oligonukleotydowe (OAS1-3), hamujące replikację tych wirusów, co prawdopodobnie spowodowało pozytywną selekcję nosicieli jego neandertalskiego wariantu.

Svante Pääbo jest twórcą paleogenomiki, czyli genomiki archaicznej, jak sam lubi nazywać tę nową dyscyplinę. Jest ona oparta na genetyce i pojawiła się przed 30 laty jako jego autorski pomysł. Wśród wymienionych sukcesów paleogenomiki większość jest jego zasługą lub powstała przy jego udziale.

Niewielu współczesnych naukowców może się pochwalić odkryciem nowego gatunku człowieka, opisaniem sekwencji jego genomu na podstawie kilku fragmentów kostnych znalezionych w jaskiniowych osadach oraz wykazaniem domieszki sekwencji genetycznej wymarłych gatunków człowieka u ludzi współczesnych. Pääbo dzięki wykształceniu medycznemu sięga poza opisowe interpretacje swoich odkryć genetycznych. Jego koncepcja naukowa, w myśl teorii ewolucji, zakłada ciągłość gatunku ludzkiego sięgającą daleko wstecz. Wyniki badań Pääbo dokumentują, że człowiek współczesny w zakresie rozwoju mowy, rozrodu i podatności na zakażenia nosi piętno wymarłych przodków.

.Przed nami są zapewne badania nad mechanizmami powstawania nowotworów, przewlekłych chorób zapalnych, miażdżycy i innych, obecnie nazywanych cywilizacyjnymi. Poznanie genomu wymarłych gatunków ludzkich jest dobrym narzędziem do interpretacji różnorodności genetycznej człowieka i jego predyspozycji do wspomnianych chorób cywilizacyjnych. Jedynym rozczarowaniem może być fakt, że nie ma szans na poznanie DNA w szczątkach starszych niż kilkaset tysięcy lat. Izolacja DNA zatopionego w bryłce bursztynu komara, który przed śmiercią ukąsił dinozaura, pozostaje marzeniem Johna Hammonda, bohatera Jurassic Park.

Marek Sanak

Materiał chroniony prawem autorskim. Dalsze rozpowszechnianie wyłącznie za zgodą wydawcy. 6 października 2022
Fot. Lisi NIESNER / Reuters / Forum