Nagroda Nobla w medycynie i fizjologii dla Svante Pääbo za badania genomu człowieka i jego przodków

Szczegóły
Nadrzędna kategoria: ROOT
Kategoria: Nowości
Opublikowano: poniedziałek, 03.10.2022, 13:38
Odsłony: 1102

Krystyna Knypl

Ludzkość zawsze była zaintrygowana swoim pochodzeniem. Skąd pochodzimy i jak jesteśmy spokrewnieni z tymi, którzy byli przed nami? Co odróżnia nas, Homo sapiens, od innych homininów? Odpowiedzi na niektóre z tych pytań poznajemy dzięki badaniom Svante Pääbo, który jest tegorocznym laureatem Nagrody Nobla w medycynie i fizjologii.

Svante Pääbo zsekwencjonował genom neandertalczyka, wymarłego krewnego współczesnych ludzi. Dokonał również  odkrycia nieznanego wcześniej hominina - Denisowianina. Odkrył on również, że transfer genów z tych wymarłych homininów do Homo sapiens nastąpił po migracji z Afryki około 70 000 lat temu. Ten starożytny przepływ genów do współczesnych ludzi ma dziś znaczenie fizjologiczne, na przykład wpływając na to, jak nasz układ odpornościowy reaguje na infekcje.

<a href= 

Nasi przodkowie oraz krewni

Źródło ilustracji:

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/38/Hominini.PNG" />

Kluczowe badania Pääbo dały początek zupełnie nowej dyscyplinie naukowej - paleogenomice. Ujawniając różnice genetyczne, które odróżniają wszystkich żyjących ludzi od wymarłych homininów, jego odkrycia stanowią podstawę do zbadania, co czyni nas wyjątkowymi ludźmi.

Jaskinia Denisowa

Źródło: https://en.wikipedia.org/wiki/Denisovan

Skąd pochodzimy?

Pytanie o nasze pochodzenie i o to, co czyni nas wyjątkowymi, interesuje ludzi od czasów starożytnych. Paleontologia i archeologia są ważne dla badań nad ewolucją człowieka. Badania dostarczyły dowodów na to, że anatomicznie nowoczesny człowiek, Homo sapiens, po raz pierwszy pojawił się w Afryce około 300 000 lat temu, podczas gdy nasi najbliżsi znani krewni, neandertalczycy, rozwinęli się poza Afryką i zamieszkiwali Europę i Azję Zachodnią od około 400 000 lat do 30 000 lat temu, kiedy to wyginęli. Około 70 000 lat temu grupy Homo sapiens migrowały z Afryki na Bliski Wschód, skąd rozprzestrzeniły się na resztę świata. Homo sapiens i neandertalczycy współistnieli więc na dużych obszarach Eurazji przez dziesiątki tysięcy lat. Co jednak wiemy o naszych relacjach z wymarłymi neandertalczykami? Wskazówki mogą pochodzić z informacji genomowych. Do końca lat 90. ubiegłego wieku udało się zsekwencjonować prawie cały ludzki genom. Było to duże osiągnięcie, które pozwoliło na późniejsze badania genetycznych związków między różnymi populacjami ludzkimi. Jednak badania relacji między współczesnymi ludźmi a wymarłymi neandertalczykami wymagałyby sekwencjonowania genomowego DNA odzyskanego z archaicznych okazów.

Zadanie pozornie niemożliwe  

Początkowo Svante Pääbo zafascynował się możliwością wykorzystania nowoczesnych metod genetycznych do badania DNA neandertalczyków. Szybko jednak zdał sobie sprawę z ekstremalnych wyzwań technicznych, ponieważ z czasem DNA ulega modyfikacjom chemicznym i rozpada się na krótkie fragmenty. Po tysiącach lat pozostają jedynie śladowe ilości DNA, a to, co pozostaje, jest masowo zanieczyszczone DNA pochodzącym od bakterii i współczesnych ludzi. Jako doktorant u Allana Wilsona, pioniera w dziedzinie biologii ewolucyjnej, Pääbo zaczął opracowywać metody badania DNA neandertalczyków - przedsięwzięcie to trwało kilka dekad.

 W 1990 roku Pääbo został zatrudniony na Uniwersytecie w Monachium, gdzie jako nowo mianowany profesor kontynuował prace nad archaicznym DNA. Postanowił przeanalizować DNA z neandertalskich mitochondriów - organelli w komórkach, które zawierają własne DNA. Genom mitochondrialny jest niewielki i zawiera tylko ułamek informacji genetycznej w komórce, ale występuje w tysiącach kopii, co zwiększa szansę na sukces. Dzięki swoim wyrafinowanym metodom Pääbo udało się sekwencjonować region mitochondrialnego DNA z fragmentu kości sprzed 40 tysięcy lat. Tym samym po raz pierwszy mieliśmy dostęp do sekwencji pochodzącej od wymarłego krewnego. Porównania ze współczesnymi ludźmi i szympansami wykazały, że neandertalczycy byli genetycznie odrębni.

Sekwencjonowanie genomu neandertalskiego

Ponieważ analizy małego genomu mitochondrialnego dały tylko ograniczone informacje, Pääbo podjął się teraz ogromnego wyzwania, jakim było sekwencjonowanie neandertalskiego genomu jądrowego. W tym czasie otrzymał propozycję założenia Instytutu Maxa Plancka w Lipsku, w Niemczech. W nowym Instytucie Pääbo i jego zespół stale doskonalili metody izolacji i analizy DNA z archaicznych szczątków kostnych. Zespół badawczy wykorzystał nowe osiągnięcia techniczne, dzięki którym sekwencjonowanie DNA stało się bardzo wydajne. Pääbo zaangażował również kilku kluczowych współpracowników posiadających wiedzę z zakresu genetyki populacyjnej i zaawansowanych analiz sekwencji. Jego wysiłki zakończyły się sukcesem. Pääbo dokonał rzeczy pozornie niemożliwej i mógł opublikować pierwszą sekwencję genomu neandertalskiego w 2010 roku. Analizy porównawcze wykazały, że najnowszy wspólny przodek neandertalczyków i Homo sapiens żył około 800 000 lat temu.
Pääbo i jego współpracownicy mogli teraz zbadać relacje między neandertalczykami a współczesnymi ludźmi z różnych części świata. Analizy porównawcze wykazały, że sekwencje DNA neandertalczyków były bardziej podobne do sekwencji współczesnych ludzi pochodzących z Europy lub Azji niż do współczesnych ludzi pochodzących z Afryki. Oznacza to, że neandertalczycy i Homo sapiens krzyżowali się podczas tysiącleci współistnienia. U współczesnych ludzi o europejskim lub azjatyckim pochodzeniu około 1-4% genomu pochodzi od neandertalczyków.

Sensacyjne odkrycie

W 2008 roku w jaskini Denisowej ( https://pl.wikipedia.org/wiki/Denisowianin ) w południowej części Syberii odkryto liczący 40 000 lat fragment z kości palca. Kość zawierała wyjątkowo dobrze zachowane DNA, które zespół Pääbo poddał sekwencjonowaniu. Wyniki wywołały sensację: sekwencja DNA była unikalna w porównaniu ze wszystkimi znanymi sekwencjami pochodzącymi od neandertalczyków i współczesnych ludzi. Pääbo odkrył nieznanego wcześniej hominina, któremu nadano imię Denisowianian. Porównania z sekwencjami pochodzącymi od współczesnych ludzi z różnych części świata wykazały, że przepływ genów nastąpił również pomiędzy Denisova a Homo sapiens. Związek ten po raz pierwszy zaobserwowano w populacjach z Melanezji i innych części Azji Południowo-Wschodniej, gdzie osobnicy noszą do 6% DNA Denisowianina.

Odkrycia Pääbo wygenerowały nowe zrozumienie naszej historii ewolucyjnej. W czasie, gdy Homo sapiens wyemigrował z Afryki, co najmniej dwie wymarłe populacje homininów zamieszkiwały Eurazję. Neandertalczycy żyli w zachodniej Eurazji, podczas gdy Denisowianie zamieszkiwali wschodnią część kontynentu. Podczas ekspansji Homo sapiens poza Afrykę i ich migracji na wschód, nie tylko napotkali oni i krzyżowali się z neandertalczykami, ale także z Denisowianinami.

Paleogenomika i jej znaczenie

Dzięki swoim przełomowym badaniom Svante Pääbo ustanowił zupełnie nową dyscyplinę naukową - paleogenomikę. Po pierwszych odkryciach jego grupa zakończyła analizy kilku dodatkowych sekwencji genomów wymarłych homininów. Odkrycia Pääbo ustanowiły unikalny zasób, który jest szeroko wykorzystywany przez społeczność naukową do lepszego zrozumienia ewolucji i migracji człowieka. Nowe potężne metody analizy sekwencji wskazują, że archaiczne homininy mogły również mieszać się z Homo sapiens w Afryce. Jednak żadne genomy wymarłych homininów z Afryki nie zostały jeszcze zsekwencjonowane z powodu przyspieszonej degradacji archaicznego DNA w tropikalnym klimacie.

Dzięki odkryciom Svante Pääbo rozumiemy teraz, że archaiczne sekwencje genów od naszych wymarłych krewnych wpływają na fizjologię współczesnych ludzi. Jednym z takich przykładów jest denisowska wersja genu EPAS1, która daje przewagę w przetrwaniu na dużych wysokościach i jest powszechna wśród dzisiejszych Tybetańczyków. Innym przykładem są geny neandertalskie, które wpływają na naszą odpowiedź immunologiczną na różne rodzaje infekcji.

Co czyni nas wyjątkowo ludzkimi?

Homo sapiens charakteryzuje się wyjątkową zdolnością do tworzenia złożonych kultur, zaawansowanych innowacji i sztuki figuratywnej, a także zdolnością do przekraczania otwartych wód i rozprzestrzeniania się we wszystkich częściach naszej planety. Neandertalczycy również żyli w grupach i mieli duże mózgi (Rysunek 4). Używali również narzędzi, ale te rozwinęły się bardzo słabo w ciągu setek tysięcy lat. Różnice genetyczne między Homo sapiens a naszymi najbliższymi wymarłymi krewnymi były nieznane, dopóki nie zostały zidentyfikowane dzięki przełomowej pracy Pääbo. Intensywne badania koncentrują się na analizie funkcjonalnych implikacji tych różnic, a ich ostatecznym celem jest wyjaśnienie, co różni nas od przodków.

Źródło: https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2022/press-release/

Krystyna Knypl

Życiorys Svante Pääbo https://www.eva.mpg.de/genetics/staff/paabo/

GdL 10/2022