Medyczny Nobel 2022. Ile jest w nas z neandertalczyka i co nam to daje? [WYWIAD]

• Dzięki badaniom prof. Svante Pääbo wiemy, że w ludzkim DNA są obecne fragmenty materiału genetycznego neandertalczyków czy człowieka z Denisowej Jaskini.
• Z tą „domieszką” związane są np. zmiany w rytmie dobowym funkcjonowania człowieka. Tzw. tryb życia sowy, gdy ktoś późno wstaje, a jest długo aktywny w nocy, częściej występuje u ludzi, którzy mają neandertalskie warianty genów.
• Niektóre archaiczne warianty wpływają na odpowiedź immunologiczną na różne rodzaje infekcji. Badano np. związek miedzy podatnością na zakażenie SARS-CoV-2 a domieszką DNA od naszych wymarłych „krewnych”. Prof. Pääbo wykazał, że warianty genów, które pogarszają przebieg COVID-19, pochodzą od neandertalczyków. Równocześnie warianty te zwiększają odporność na zakażenie wirusem HIV.
• Przykładem szkodliwego wpływu archaicznych sekwencji w genomie człowieka może być związana z neandertalskimi wersjami genów zwiększona skłonność do depresji czy podatność na uzależnienia, większe ryzyko niektórych chorób skóry, skłonność do zakrzepicy.

Prof. Svante Pääbo otrzymał medycznego Nobla za odkrycia dotyczące genomów wymarłych hominidów i ewolucji człowieka. Co dokładnie wiemy dzięki tym badaniom?

Prof. Svante Pääbo jest czołową postacią i prekursorem nowej dziedziny nauki, jaką jest paleogenomika człowieka. Tegoroczny noblista zajmował się od przeszło 30 lat metodami izolacji i badaniami sekwencji archaicznego DNA, pochodzącego z unikatowych, kopalnych szczątków gatunków Homo, które już dawno wymarły. To badania niezwykle wymagające technicznie, bo nie mówimy o zwykłej analizie DNA. Badając próbki sprzed dziesiątek tysięcy lat mamy do dyspozycji niewielką ilość silnie zdegradowanego materiału, dodatkowo występuje duże niebezpieczeństwo pomylenia tych archaicznych sekwencji z zanieczyszczeniami pochodzącymi od współczesnych badaczy.

Pierwsze dokonania prof. Pääbo dotyczyły analizy archaicznego DNA z mitochondrialnego; jest to stosunkowo niewielka cząsteczka DNA, za to występująca w komórkach w tysiącach kopii, dzięki czemu łatwiej je analizować. Natomiast prawdziwy przełom nastąpił, gdy został zsekwencjonowany genom jądrowy, występujący w jądrach komórkowych. Materiał taki udało się uzyskać z archaicznych szczątków Homo datowanych na ponad 30 tys. lat. Było to możliwe dzięki wprowadzeniu innowacyjnych metod zarówno izolowania, jak i sekwencjonowania DNA. Mam tu na myśli wysokoprzepustowe sekwencjonowanie nowej generacji, które pozwala na uzyskanie dużej liczby danych nawet z bardzo zniszczonego i trudnego do analizy materiału. Dzięki tym innowacyjnym metodom prof. Pääbo zsekwencjonował w 2010 r. pierwsze genomy neandertalczyka, uzyskane ze szczątków kilku osobników pochodzących z terenu Chorwacji. W tym samym roku grupa kierowana przez tego szwedzkiego naukowca przeprowadziła sekwencjonowanie archaicznego DNA z maleńkich pozostałości kostnych, odkrytych na Syberii w tzw. Jaskini Denisowej. Wyniki tych badań doprowadziły do odkrycia nieznanego wcześniej kopalnego gatunku człowieka, który został nazwany denisowianinem.

Mówiąc w telegraficznym skrócie, poznanie sekwencji genomu archaicznych form człowieka pozwoliło na odkrycie zmian genetycznych, które odróżniają wszystkich współcześnie żyjących ludzi od gatunków wymarłych homininów. Równocześnie, takie porównawcze analizy wykazały, że współczesne genomy ludzkie zawierają sekwencje charakterystyczne dla kopalnych gatunków człowieka.

Dzięki badaniom prof. Pääbo wiemy, że w ludzkim DNA są obecne fragmenty materiału genetycznego neandertalczyków czy człowieka z Denisowej Jaskini. W którym momencie ewolucji doszło do tego transferu genów?

Porównanie neandertalczyka czy denisowianina ze współczesnymi ludźmi pozwoliło nam ustalić ramy czasowe ewolucji i powiedzieć, kiedy i gdzie występował przepływ genów pomiędzy gatunkami Homo. Jeszcze przed erą sekwencjonowania archaicznego DNA wiadomo było z analizy zmienności genetycznej współczesnych ludzi, że Homo sapiens powstał ok. 100 do 200 tys. lat temu. Pojawił się po raz pierwszy w Afryce, gdzie żył przez tysiące lat, by ok. 60 tys. lat temu zacząć migrować z Afryki przez Bliski Wschód, co doprowadziło do zaludnienia Europy, Azji, Oceanii, a dużo później, bo ok. 15 tys. lat temu, również obu Ameryk. Natomiast neandertalczyk pojawił się na terenie Europy i Azji Zachodniej ok. 300 tys. lat temu; gatunek ten wymarł dopiero ok. 30 tys. lat temu. Z zestawienia tych dat wynika, że Homo sapiens i neandertalczycy współistnieli na bardzo dużych obszarach Eurazji przez dziesiątki tysięcy lat.

Przed erą paleogenomiki nie było wiadomo, czy pomiędzy tymi gatunkami występował przepływ genów. Porównując sekwencje archaicznych szczątków z sekwencjami współczesnych populacji ludzkich z różnych kontynentów, dowiedzieliśmy się, że genomy Europejczyków i Azjatów zawierają od 1 do 2 proc. neandertalskiego DNA, co oznacza, że te gatunki musiały się ze sobą krzyżować. W genomach populacji afrykańskich takich sekwencji neandertalskich nie odnaleziono. Stąd wniosek, że przepływ genów od neandertalczyka do współczesnego człowieka nastąpił już po wyjściu Homo sapiens z Afryki do Eurazji. Z kolei analiza sekwencji archaicznego DNA denisowianina z Syberii wykazała, że domieszki DNA tego wymarłego gatunku stanowią 4-6 proc. genomów współczesnych populacji z płd.-wsch. Azji, Australii i Oceanii, natomiast brak ich w Afryce, jak i Europie. Jaki z tego wniosek? Przepływ genów pomiędzy denisowianami a Homo sapiens miał miejsce dopiero podczas rozprzestrzeniania się współczesnego człowieka z terenu środkowej Azji w kierunku południowym. Obserwacje wynikające z porównań sekwencji przeprowadzonych w 2010 r. uzyskały w kolejnych latach potwierdzenie w licznych analizach statystycznych i symulacjach stworzonych z zastosowaniem różnych modeli stosowanych w genetyce populacyjnej i ewolucyjnej.

Pragnę podkreślić, że analizując różnice sekwencji genomowych pomiędzy archaicznymi formami Homo a współczesnym człowiekiem trzeba pamiętać, że również współczesne genomy różnią się mocno między sobą. Wiedza na ten temat jest obecnie niezwykle rozległa i oparta o tysiące całogenomowych sekwencji współczesnych ludzi reprezentujących różne populacje.

Co nam daje domieszka genów od wymarłych gatunków Homo?

Ściśle mówiąc, to nie tyle domieszka genów, ile domieszka wariantów sekwencji. Jest ona stosunkowo niewielka, bo jak już wspominałam, wynosi od 1 do maksymalnie 6 proc. ludzkiego genomu.

Obecne badania wskazują, że duża część archaicznych sekwencji stanowiących domieszką w ludzkim genomie została w ciągu 30 tys. lat ewolucji usunięta na drodze selekcji naturalnej. Niektóre z archaicznych wariantów przetrwały jednak do dziś. Dlaczego? Otóż kiedy współczesny człowiek kolonizował nowe kontynenty, napotykał nowe warunki klimatyczne, zmienioną ekspozycję na promieniowanie UV czy różne patogeny. Niektóre warianty genetyczne, odziedziczone od starszych „kuzynów” człowieka, mogły pomagać przedstawicielom Homo sapiens w przystosowaniu się do nowych warunków środowiskowych. Z drugiej strony, niektóre archaiczne domieszki sekwencji DNA występujące do dziś w ludzkim genomie mogą odpowiadać za podatność na pewne choroby.

Z archaicznymi wariantami genów związane są na przykład zmiany w rytmie dobowym funkcjonowania człowieka; tzw. tryb życia sowy, gdy ktoś późno wstaje, a jest długo aktywny w nocy, częściej występuje u ludzi, którzy mają neandertalskie warianty genów. Warianty denisowiańskie genu EPAS1 spotykane w populacjach z Tybetu związane są z przystosowaniem do życia na dużych wysokościach. Dzięki wariantom odziedziczonym od neandertalczyków Europejczycy lepiej wykorzystują związki lipidowe: tłuszcze, cholesterol, witaminy A, D, E i K.

Niektóre archaiczne warianty wpływają na odpowiedź immunologiczną na różne rodzaje infekcji. Gdy rozpoczęła się pandemia COVID-19, zostały przeprowadzone badania nad związkiem podatności na zakażenie wirusem SARS-CoV-2 i przebiegiem infekcji z domieszką DNA od naszych wymarłych „krewnych”. Prof. Pääbo wykazał, że warianty genów, które pogarszają przebieg COVID-19, pochodzą od neandertalczyków. Równocześnie warianty te zwiększają odporność na zakażenie wirusem HIV. Przykładem szkodliwego wpływu archaicznych sekwencji w genomie człowieka może być związana z neandertalskimi wersjami genów zwiększona skłonność do depresji czy podatność na uzależnienia, większe ryzyko niektórych chorób skóry, skłonność do zakrzepicy.

Podsumowując, domieszka archaicznego DNA może działać zarówno na naszą korzyść, jak i niekorzyść.

Człowiek jest jedynym gatunkiem Homo, który przetrwał. Co więcej, stworzył zaawansowaną cywilizację i rozprzestrzenił się na całej Ziemi. Dlaczego to nam się udało, a nie np. neandertalczykom, którzy również żyli w grupach i mieli duże mózgi, wykorzystywali narzędzia?

Na to nie ma jeszcze jednoznacznej odpowiedzi, ale są różne potencjalne możliwości. Jedną z nich może być to, że populacje starych form Homo, choć rozprzestrzenione po całym świecie, były mniej liczebne; kojarzenie się osobników w takich populacjach mogło prowadzić do tego, że stawały się one bardziej wsobne, co mogło powodować ujawnienie się pewnych niekorzystnych mutacji.

Możliwe jest też, że podłożem sukcesu Homo sapiens były pewne specyficzne różnice genetyczne we fragmentach genomu o znaczeniu funkcjonalnym. Porównanie objętości mózgu nie dostarcza tu pełnej odpowiedzi. Liczy się przecież nie tylko wielkość, ale także jakość, struktura, a zwłaszcza liczba komórek nerwowych. Wiadomo np. że jedno z białek, aktywne w komórkach kory mózgowej w czasie rozwoju płodowego człowieka i odpowiadające za powstawanie neuronów i sprawniejsze funkcjonowanie mózgu, ma odmienną budowę u współczesnych ludzi i neandertalczyków. W eksperymentach, w których do mysich embrionów wprowadzono wersję ludzką i neandertalską tego białka, myszy z ludzką wersją posiadały więcej komórek prekursorowych w mózgu i więcej neuronów. To zatem jedna z możliwości, ale zapewne niejedyna.

Niektórzy zastanawiają się, czy neandertalczyk posiadał zdolność mowy. To kwestia nierozstrzygnięta do końca. Wiadomo, że było to możliwe z punktu widzenia budowy szkieletu. Dane genetyczne też tego nie wykluczają: neandertalczyk – tak jak człowiek – posiadał aktywny gen FOXP2, który jest nieaktywny u szympansa i ludzi z wadami mowy. Możliwe jednak, że rolę odgrywają inne geny lub sekwencje regulatorowe.

Podsumowując, na zadanie pytanie nie ma jednej odpowiedzi. Cały czas trwają badania, które mają wyjaśnić, co czyni człowieka tak wyjątkowym gatunkiem.

Jedna z teorii mówi, że gdy Homo sapiens współistniał z innymi człowiekowatymi, to je po prostu z czasem wybił. Możliwe?

Faktycznie, była kiedyś taka teoria. Ale Homo sapiens zapewne nie walczył więcej z innymi gatunkami Homo niż pomiędzy sobą. Twierdzenie, że przyszli sprawni ludzie i wybili neandertalczyków, to zbyt duże uproszczenie. Fakt, że ludzie przetrwali, a inne archaiczne gatunki Homo wymarły, był raczej efektem lepszego przystosowania, które umożliwiło człowiekowi lepszą adaptację do panujących warunków. Część tych zdolności adaptacyjnych, jak wcześniej wspominałam, mogła mieć podłoże genetyczne.

Ucieszyła panią nagroda Nobla dla - chyba można tak powiedzieć - kolegi po fachu?

O tak, bardzo! Poznałam prof. Pääbo w latach 90. XX wieku, kiedy analizował mitochondrialne DNA. Pamiętam rozmowę na jednej z konferencji, w trakcie której zastanawiano się, czy kiedyś będzie możliwe analizowanie całego genomu kopalnego człowieka. Wtedy, przed laty, to wydało się czymś nieosiągalnym. Prof. Pääbo tego dokonał i uważam, że w pełni zasługuje na nagrodę, którą go uhonorowano. Wyniki jego badań nie tylko otworzyły niewyobrażalne wcześniej perspektywy w dziedzinie badania ewolucji Homo sapiens; stworzyły też bazę informacji, która pozwala również na lepsze zrozumienie sposobu funkcjonowania genomu współczesnego człowieka.

PRZECZYTAJ TAKŻE: Medyczny Nobel 2022 za odkrycia dotyczące ewolucji człowieka