Prof. Piotr CZAUDERNA: Skąd się bierze „człowieczeństwo”? Svante Pääbo i Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny

Skąd się bierze „człowieczeństwo”?
Svante Pääbo i Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny

Photo of Prof. Piotr CZAUDERNA

Prof. Piotr CZAUDERNA

Lekarz, chirurg dziecięcy, profesor nauk medycznych, w 2019 prezes Agencji Badań Medycznych. W 2015 r. powołany w skład Narodowej Rady Rozwoju przy Prezydencie RP.

ryc. Fabien CLAIREFOND

zobacz inne teksty Autora

Dostęp do archaicznych genomów może zaoferować nowe ekscytujące możliwości identyfikacji krytycznych cech genetycznych, które odróżniają nas od archaicznych hominidów – pisze prof. Piotr CZAUDERNA

Tegoroczne rozdanie Nagród Nobla w dziedzinie medycyny zakończyło się dużym zaskoczeniem, może nawet bardzo dużym. Nagrodę otrzymał Svante Pääbo, szwedzki biolog i genetyk ewolucyjny. Choć naukowiec miał wiele osiągnięć – odczytał między innymi genom neandertalczyka, a także za pomocą innych metod genetycznych odkrył nieznany wcześniej gatunek hominida – to jednak nie był wymieniany w gronie kandydatów do Nobla. Oficjalnym tytułem do nagrody według komunikatu Komitetu Noblowskiego są odkrycia Pääbo z zakresu genomu wymarłych hominidów i ewolucji człowieka.

Przyjęło się uważać, iż Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny przyznaje się raczej za odkrycia, które mają potencjalnie praktyczne znaczenie. Tymczasem nagroda dla Svante Pääbo idzie pod prąd tej tendencji, bo praktyczne znaczenie jego odkryć jest nieco ograniczone. Z drugiej jednak strony z pewnością międzynarodowe środowisko genetyków, paleontologów i antropologów odczuło wielką radość i satysfakcję. Na pewno dzięki dokonaniom noblisty poznaliśmy lepiej nasze biologiczne i ewolucyjne korzenie.

Relacje człowieka (Homo sapiens) z wymarłymi hominidami od dawna wzbudzały duże zainteresowanie. Niewątpliwa zasługa Pääbo leży w tym, że wykorzystał nowoczesną technologię obróbki kwasu nukleinowego DNA, aby dokładniej zbadać ewolucyjną przeszłość człowieka. Udało mu się bowiem odkryć sekwencję genomu naszego najbliższego wymarłego krewnego, czyli neandertalczyka. Później nastąpiło jeszcze bardziej sensacyjne odkrycie dotyczące innego wymarłego hominida, zwanego denisowianinem, i to jedynie w oparciu o materiał genetyczny pobrany z małego fragmentu – z kości palca wykopanej w Denisowej Jaskini na Syberii.

Pierwsze małpy naczelne pojawiły się 65–55 milionów lat temu. Szacuje się, że ostatni wspólny przodek małp Starego Świata i małp człekokształtnych żył około 25 milionów lat temu, a wspólny przodek ludzi i szympansów – około 6 milionów lat temu. Rodzaj Homo wyewoluował około 3 milionów lat temu, a Homo erectus pojawił się 1,8 miliona lat temu i to on właśnie jako pierwszy wyemigrował z Afryki. Jeszcze późniejsze procesy doprowadziły do powstania neandertalczyków, czyli Homo neanderthalensis, a więc naszych archaicznych krewnych. Pierwsze szczątki szkieletowe zidentyfikowane jako neandertalskie znaleziono w 1856 r. w dolinie Neandertal w Niemczech, stąd zresztą pochodzi nazwa tego gatunku. Okazy neandertalczyków zidentyfikowano następnie w lokalizacjach obejmujących znaczną część Eurazji. Żyli oni od około 400 000 do 30 000 lat temu, kiedy to ostatecznie wymarli. Natomiast anatomicznie współcześni ludzie, czyli gatunek Homo sapiens, ze szkieletami podobnymi do szkieletów współczesnych ludzi, po raz pierwszy pojawili się w Afryce około 300 000 lat temu. Około 70 000–60 000 lat temu migracja z Afryki na Bliski Wschód doprowadziła do ekspansji Homo sapiens w całej Eurazji. Tak więc przez 20 000 lat Homo sapiens współistniał z neandertalczykami w Eurazji – może zresztą ta koegzystencja trwała nawet dłużej.

Już dzięki badaniom Allana Wilsona nad mitochondrialnym DNA przypuszczano, że gatunek ludzki ma wspólne pochodzenie umiejscowione w Afryce i że dopiero później wyewoluował poza Afryką. Choć od czasu rozpoczęcia w roku 1990 programu Human Genome Project dysponujemy genomem referencyjnym współczesnego człowieka, to nie było jasne, w jaki sposób jesteśmy spokrewnieni z wymarłymi hominidami, takimi jak neandertalczycy. Odpowiedź na to pytanie wymagała ekstrakcji i sekwencjonowania bardzo starego DNA wymarłego gatunku, co wydawało się wręcz niewykonalne.

Tymczasem Svante Pääbo już w młodości, jeszcze podczas studiów medycznych na Uniwersytecie w Uppsali, interesował się egiptologią oraz paleogenetyką. Wyizolował wówczas DNA z 2400-letniej mumii. Potem pracował nad ulepszaniem technik badawczych w tym zakresie. Pracował nad protokołami do pobierania, sekwencjonowania i analizy DNA z archaicznych kopalnych szczątków. W 1990 r. Svante Pääbo rozpoczął pracę na Uniwersytecie Monachijskim. Wówczas to pozyskał z Rheinisches Museum w Bonn w Niemczech fragment kości z pierwotnego znaleziska (z 1856 roku) szczątków szkieletu neandertalczyka z jaskini Feldhofer w dolinie Neandertal niedaleko Düsseldorfu. Swoje badania rozpoczął od mitochondrialnego DNA (mtDNA), które ma większą szansę na przetrwanie w starych szkieletach niż jądrowe DNA. Okazało się, że większość klonów mtDNA neandertalczyków zawierała warianty, które nie występują u współczesnych ludzi. Naukowiec wykazał ponadto, że dzisiejsza pula genów mtDNA pochodzi z Afryki, co jest zgodne z wcześniejszymi odkryciami Wilsona, a wspólny przodek niosący to mtDNA żył 690 000–550 000 lat temu, a więc o wiele dawniej, niż wcześniej sądzono. Osiągnięte wyniki dowiodły, że możliwe jest zsekwencjonowanie DNA z 40 000-letniej kości naszego wymarłego krewnego. Potrzeba było jednak więcej materiału kostnego, aby skonsolidować i rozszerzyć te ekscytujące wyniki. Ze znaczących znalezisk kości neandertalczyków znana jest jaskinia Vindija w Chorwacji. Podobnie jak oryginalne stanowisko neandertalskie w Niemczech, zbudowana jest ona z wapienia, który stwarza szczególnie odpowiednie warunki dla przetrwania DNA. Okazy kości są przechowywane w Instytucie Paleontologii i Geologii Czwartorzędu Chorwackiej Akademii Nauki i Sztuki w Zagrzebiu. Pääbo odwiedził ten instytut i otrzymał małe próbki z 15 kości neandertalczyków. Analiza aminokwasów wykazała, że ​​siedem próbek potencjalnie zawierało DNA neandertalczyka w ilościach wystarczających do analizy. Najbardziej obiecująca próbka była datowana węglem C14 i okazało się, że ma 42 000 lat.

Svante Pääbo, po założeniu Instytutu Antropologii Ewolucyjnej im. Maxa Plancka w Lipsku w Niemczech, zwrócił się ku genomowi jądrowemu, do czego zachęciły go nowe technologie sekwencjonowania. Ponownie miał szczęście – jedna kość z jaskini Vindija w Chorwacji wyróżniała się tym, że ponad 90 proc. segmentów mtDNA było w niej pochodzenia neandertalskiego. Odczyty objęły ogółem 0,04 proc. sekwencji genomu jądrowego neandertalczyka. Po pozyskaniu dodatkowego materiału genetycznego neandertalczyków, w tym z doliny Neandertal, jaskini Mezmaiskaja na Kaukazie i jaskini El Sidrón w Hiszpanii, oraz zastosowaniu nowej technologii sekwencjonowania DNA udało mu się jednoznacznie wykazać, że ​​neandertalskie mtDNA nie mieściło się w zakresie zmienności istniejących ludzkich mtDNA, co pozwoliło na oszacowanie wieku wystąpienia rozbieżności między dwiema liniami gatunkowymi mtDNA na 660 000 lat, a więc o wiele dawniej, niż początkowo myślano. W pracach tych brało udział wielu naukowców ze świata.

Następnie badacz zajął się izolacją i sekwencjonowaniem DNA jądrowego. Dzięki temu w roku 2010 w swej przełomowej publikacji Svante Pääbo osiągnął coś, co wcześniej wydawało się całkowicie niemożliwe – przedstawił szkic sekwencji genomu jądrowego neandertalczyka. Pozwoliło to odpowiedzieć na pytanie, czy doszło do krzyżowania się neandertalczyków z anatomicznie współczesnymi ludźmi. Naukowiec niespodziewanie odkrył, że neandertalczycy byli równie blisko Europejczyków i Azjatów, znacznie bliżej niż w stosunku do mieszkańców Afryki. Stwierdzenie, że neandertalczycy byli bliżej nie-Afrykanów niż Afrykanów, najłatwiej wytłumaczyć przepływem genów (introgresją) między neandertalczykami a przodkami nie-Afrykanów w czasie ich współistnienia. Dane te sugerują, że od 1 do 4 proc. genomów ludzi w Eurazji pochodzi od neandertalczyków.

Kolejne badania Svante Pääbo pozwoliły na odkrycie nowego hominida, tzw. denisowianina. Dowody archeologiczne wskazywały, że archaiczne hominidy żyły również na wyższych szerokościach geograficznych, gdzie potencjał zachowania DNA jest większy. Jednym z takich regionów są góry Ałtaj w południowej Syberii, gdzie miało to miejsce ponad 125 000 lat temu. W 2008 roku w Denisowej Jaskini w tychże górach, w warstwie datowanej na 48 000–30 000 lat, wykopano dalszy paliczek piątego palca ręki młodego hominida. Z tej kości palca grupa Pääbo wyekstrahowała DNA, które okazało się wyjątkowo dobrze zachowane. Analiza filogenetyczna sekwencji wyizolowanego DNA potwierdziła zdumiewający fakt, że był to unikalny gatunek hominida, którego nazwano od miejsca znaleziska człowiekiem z Denisowej Jaskini (denisowianinem). Czas życia ostatniego wspólnego przodka denisowian, neandertalczyków i Homo sapiens został oszacowany na milion lat temu, czyli dwa razy wcześniej niż istnienie ostatniego wspólnego przodka mtDNA współczesnych ludzi i neandertalczyków.

Konsekwencje tego odkrycia są ogromne. Pääbo odkrył bowiem zupełnie nowego hominida, różniącego się od neandertalczyków i Homo sapiens. Co więcej, odkrycia dokonał wyłącznie w oparciu o pobranie i zsekwencjonowanie archaicznego DNA, bez żadnych dostępnych informacji morfologicznych. Zarówno genomy neandertalczyka, jak i denisowianina były w większym stopniu zgodne z genomem francuskim niż z genomem afrykańskim, ale archaiczny składnik puli genów euroazjatyckich wydawał się mniej blisko spokrewniony z denisowianami niż z neandertalczykami. Fakt, że osobnik eurazjatycki wykazywał większe podobieństwo do denisowianina w porównaniu z osobnikiem afrykańskim, sugerował, że denisowianie dzielili część swojej historii z neandertalczykami, zanim nastąpił przepływ genów z neandertalczyków do nie-Afrykanów. Tak więc populacja denisowian nie wydawała się bezpośrednio zaangażowana w przypuszczalny przepływ genów od neandertalczyków do Eurazjatów. Dalsze badania wykazały, że denisowianie wnieśli około 4–6 proc. swojego materiału genetycznego do genomów współczesnych Melanezyjczyków, co pozwalało przypuszczać, że zasięg geograficzny denisowian był ogromny i obejmował wschodnią i południową część Eurazji. Dlatego Pääbo i jego zespół zasugerowali, że denisowianie są siostrzaną grupą neandertalczyków. Po rozejściu się dróg rozwoju denisowian i neandertalczyków nastąpił przepływ genów od neandertalczyków do przodków współczesnych nie-Afrykanów. Z kolei późniejsi denisowianie i przodkowie Melanezyjczyków mieszali się, co nie miało wpływu na inne populacje nieafrykańskie.

W 2012 r. Svante Pääbo potwierdził, że zasięg neandertalczyków rozciągał się aż na Syberię. Co więcej, dostrzegł dowody na chów wsobny w linii neandertalskiej i bardzo niski poziom różnorodności genów, co sugeruje małą liczebność populacji. Następnie grupa Pääbo zaobserwowała, że ​​późni neandertalczycy byli do siebie podobni, ale różnili się od starszych neandertalczyków z Kaukazu, co sugeruje, że starsze linie neandertalskie zostały zastąpione przez nową populację neandertalczyków. Ta zmiana populacji nastąpiła prawdopodobnie pod koniec historii neandertalczyka. Ostatecznie na podstawie badań genetycznych wywnioskowano, że neandertalczycy syberyjscy żyli w stosunkowo odizolowanych populacjach liczących mniej niż 60 osobników. I odwrotnie, neandertalczycy z Europy oraz denisowianie z gór Ałtaju, jak się wydaje, żyli w większych populacjach.

Dzięki swoim przełomowym odkryciom Pääbo ustanowił całkowicie nową dyscyplinę naukową, znaną obecnie jako paleogenomika. Odkrycia noblisty przynoszą jeszcze wiele innych implikacji i dają zadziwiający wgląd w naszą archaiczną historię ewolucyjną. Dzięki niemu wiemy, że co najmniej dwie odrębne grupy hominidów, neandertalczycy i denisowianie, zamieszkiwały Eurazję, kiedy anatomicznie współcześni ludzie (Homo sapiens) wyłonili się z Afryki. Udowodnił on też, że denisowianie mają historię ewolucyjną różniącą się od neandertalczyków i Homo sapiens. Odkrycia Pääbo ujawniły, że między Homo sapiens, neandertalczykami i denisowianami zachodziło krzyżowanie się, w wyniku czego u współczesnych ludzi zachowały się niewielkie ilości archaicznych segmentów genomu. Genomy nieafrykańskie zawierają około 1–2 proc. neandertalskiego materiału genetycznego. Ponieważ lokalizacje wprowadzonych archaicznych segmentów DNA różnią się między poszczególnymi osobami, to łącznie u współczesnych ludzi znaleziono ok. 40 proc. genomu neandertalskiego.

Nadal jedną z największych tajemnic pozostaje to, dlaczego współcześni ludzie odnieśli tak wielki sukces w swojej ekspansji i dlaczego neandertalczycy i denisowianie wymarli mimo wcześniejszego przystosowania się do środowiska euroazjatyckiego przez okres kilkuset tysięcy lat. Obserwacja, że ​​te populacje były małe i że miały stosunkowo wysoki poziom chowu wsobnego, daje nam wskazówkę, że mogły one nie być w stanie konkurować z Homo sapiens, których populacja szybko się powiększała. Najciekawsze jest może to, że prace Svante Pääbo mają jednak pewne znaczenie dla fizjologii współczesnego człowieka. Dostarczył on bowiem ekscytujących możliwości poszukiwania archaicznych wariantów genów u współczesnych ludzi i badania ich związku z fenotypem, czyli zespołem pewnych cech organizmu człowieka. Segmenty wywodzące się od neandertalczyków można znaleźć w większości regionów ludzkiego genomu, aczkolwiek z różną częstotliwością w różnych częściach genomu. Obecnie istnieją mocne dowody na to, że niektóre z tych sygnałów reprezentują archaiczne haplotypy wywodzące się z introgresji fragmentów genomu. Wyraźnym przykładem jest pochodząca od denisowian wersja genu szlaku hipoksji, EPAS1, która daje przewagę genetyczną w zakresie przeżycia na dużych wysokościach i występuje np. u współczesnych Tybetańczyków. Innym intrygującym przykładem introgresji jest klaster genów kodujących trzy receptory Toll-podobne (TLR6-TLR1-TLR10), o których wiadomo, że biorą udział w rozpoznawaniu drobnoustrojów i w reakcjach alergicznych. Wykazano, że współcześni ludzie mają trzy różne archaiczne haplotypy obejmujące te geny, co wskazuje, że co najmniej kilka zdarzeń introgresji z udziałem tych genów miało miejsce podczas interakcji z naszymi archaicznymi krewnymi. Te haplotypy występują ze zmienną, ale zaskakująco wysoką częstotliwością w obecnych populacjach ludzkich, co wskazuje, że zapewniają korzystne efekty biologiczne. Warianty pochodzenia neandertalskiego powiązano również z fenotypami niezwiązanymi z chorobą, takimi jak pigmentacja i wzorce snu u współczesnych Europejczyków.

Co jeszcze ciekawsze, ostatnie badania przeprowadzone przez Svante Pääbo i Zeberga wykazały, że archaiczne allele (wersje genu) na chromosomach 3. i 12. mogą wpływać na ryzyko niewydolności oddechowej podczas infekcji wirusem SARS-CoV-2. Wcześniej inni badacze wykazali, że główny genetyczny czynnik ryzyka związany z ciężkim zachorowaniem na COVID-19 jest dziedziczony po neandertalczykach. Natomiast zespół Pääbo w przeciwieństwie do tych badań opisał haplotyp neandertalczyka, który chroni przed ciężkim przebiegiem choroby. Neandertalczycy, podobnie jak i denisowianie, ich azjatycka grupa siostrzana, wymarli ok. 40 000 lat temu. Jednak paradoksalnie nadal mają biologiczny wpływ na fizjologię dzisiejszego człowieka poprzez wkład genetyczny do współczesnych populacji ludzkich, choć dokonało się to podczas ostatnich dziesiątków tysięcy lat ich istnienia.

Mamy tu zatem pewną interakcję z tegorocznymi oczekiwaniami, że Nagrodę Nobla otrzyma któryś z naukowców zaangażowanych w opracowanie technologii produkcji szczepionek opartych na metodologii wykorzystania mRNA. Jest to jednak bardzo nowa technologia i trudno jeszcze dokładnie ją ocenić, także pod kątem skuteczności i bezpieczeństwa. Tymczasem Komitet Noblowski jest dość konserwatywny (przynajmniej w dziedzinie nauki), a same Nagrody Nobla z tego zakresu są zwykle przyznawane po kilkunastu lub nawet kilkudziesięciu latach od dokonania określonego odkrycia. Dopiero bowiem upływ czasu weryfikuje rzeczywistą wartość danych odkryć.

Choć trudno na razie określić praktyczne następstwa odkryć Svante Pääbo, to jego badania pokazują, jak wiele pozostaje do nauczenia się o funkcjonalnych konsekwencjach archaicznych alleli wprowadzonych do naszego genomu. Z pewnością dowiedzieliśmy się, że archaiczny przepływ genów do Homo sapiens wpływa na fizjologię człowieka, i zyskaliśmy ekscytujące możliwości wyjaśnienia, w jaki sposób określone warianty genów modulują procesy biologiczne na poziomie molekularnym.

.Odkrycia noblisty przynoszą jednak jeszcze jedną, nawet ciekawszą perspektywę – ponieważ nadal otwarte pozostaje pytanie, co sprawia, że jako ludzie ​​jesteśmy wyjątkowi na tle świata zwierzęcego czy nawet naszych praprzodków. Homo sapiens z pewnością wyróżnia się wśród gatunków zwierząt złożonością kultur i struktur społecznych, a przede wszystkim zdolnością werbalnego komunikowania się i tworzenia pojęć abstrakcyjnych. Niektórzy przypuszczają, że „człowieczeństwo” wynika ze zmian w genomie w rodowodzie współczesnego człowieka. Dostęp do archaicznych genomów może zaoferować nowe możliwości identyfikacji krytycznych cech genetycznych, które odróżniają nas od archaicznych hominidów. Ich genomy dostarczają bowiem punktu odniesienia, w oparciu o który być może da się wyjaśnić specyficzne ludzkie cechy istotne dla fizjologii i medycyny. Wydaje się, że ten temat pozostaje jedną z głównych linii bieżących badań naukowych Svante Pääbo i jego zespołu.

Piotr Czauderna

Materiał chroniony prawem autorskim. Dalsze rozpowszechnianie wyłącznie za zgodą wydawcy. 8 października 2022
Fot: Henrik Montgomery