В фильме «Парк Юрского периода» ученым удалось воскресить вымерших динозавров, выделив молекулы их ДНК из ископаемых остатков и пересадив эти молекулы в яйцеклетку лягушки. Еще 3-4 года назад прочтение полного генома вымершего животного казалось невозможным. Но технологии работы с ДНК быстро развиваются и сегодня подобные проекты становятся реальностью.
Профессор МГУ имени Ломоносова и Университета Массачусетса Евгений Иванович Рогаев со своими коллегами опубликовал в журнале PloS Biology статью о прочтении митохондриального генома мамонта (Complete Mitochondrial Genome and Phylogeny of Pleistocene Mammoth Mammuthus primigenius).
Александр Марков: Вообще надо сказать, что еще три-четыре года назад восстановление полного генома ископаемых животных казалось абсолютно невыполнимой задачей. Несколько лет назад в Соединенных Штатах была выставка скелетов динозавров из Московского Палеонтологичеcкого музея. И мне приходилось отвечать на вопросы посетителей. Так вот самым часто задаваемым вопросом был вопрос о том, можно ли воссоздать динозавра или хотя бы мамонта, если выделить из костей ДНК и потом клонировать животное, как это было проделано в фильме Спилберга «Парк Юрского периода». И в то время мы, сотрудники Палеонтологического музея с полной уверенностью отвечали, что это абсолютно невозможно, потому что в лучшем случае сохраняются крохотные фрагменты ДНК, маленькие обрывки, по которым абсолютно невозможно восстановить целый геном.
— Евгений Иванович, скажите, пожалуйста, действительно ли это нереальная задача или сегодня появились новые методы, которые позволяют продвинуться в этом направлении чуть дальше, чем прочтение митохондриальной хромосомы, которую, как мы знаем, сейчас достаточно хорошо научились выделять, ее легче всего прочесть?
— В клетке содержится два типа геномов. Один в ядре, и это подавляющее большинство генов, которые ответственны за все признаки, и второй – это митохондрия в энергетической машине клеток. Она кольцевая, и намного меньше чем ядерная. У мамонта она 17 тысяч нуклеотидов, у человека — чуть меньше. У млекопитающих она примерно одного размера - от 15 тысяч до 17 тысяч нуклеотидов. Для сравнения: ядерный геном человека – это порядка трех миллиардов.
Обычно работают именно с митохондриальной ДНК и в судебной медицине, и в палеогеномике. Это потому, что число копий митохондриального генома, как правило, велико. Скажем, мышца, с которой мы имели дело у мамонта, содержала около тысячи копий на клетку, естественно, работать с этим проще. Работа имела достаточно большой резонанс, потому что она продемонстрировала, что можно выделить и определить последовательность ДНК без ошибок. Собственно, в этом и состоит достоинство нашей работы. И второе: мы определили полноразмерный митохондриальный геном мамонта (Mitochondrial Genome), а это не сто нуклеотидов и не двести, а более 16 тысяч нуклеотидов, что само по себе представляет существенный интерес.
— Но ведь ДНК разрушается, изменяется за те тысячи, десятки тысяч лет, которые останки лежат в вечной мерзлоте. Как можно реконструировать истинную последовательность?
— Я попробую обозначить, какие проблемы существуют в анализе древней ДНК или криминалистической ДНК, возраст которой многие десятки лет. Кроме очевидных проблем деградации ДНК, существуют и другие проблемы: после смерти, если те или иные образцы находится долго в неблагоприятных условиях, а на протяжении 30 тысяч лет обязательно такие факторы существуют, возникают постмортальные искусственные мутации в ДНК, то есть ДНК химически модифицируется, некоторые позиции нуклеотидов — знаков, из которых состоит ДНК — на самом деле изменяются. И мы читаем уже другой код, например, вместо Т читаем С. И это действительно трудная проблема. Дело в том, что сами по себе фрагменты ДНК мамонта были раньше выделены, и была определена их структура. Но если внимательно посмотреть на эти последовательности, то на самом деле они все содержат ошибки, вызванные мутациями о которых я уже говорил. Задача состояла в том, чтобы идентифицировать такие мутации и исключить их.
И я думаю, нам это удалось. Та митохондриальная последовательность, которая сейчас представлена в геномных базах данных (National Center for Biotechnology Information), мы полагаем, не содержит особых ошибок.
Мы использовали такой подход: мы определяли структуру сразу в очень многих молекулах ДНК, а тогда вы видите как бы уже усредненную картину. Поскольку мутация не может одновременно произойти в одной и то же позиции во всех молекулах, мы может определить именно те позиции, где она случилась. Преимущество нашей работы в том, что в наших руках была ДНК из мышцы, она была поставлена нашими коллегами из Магадана, Борис Малярчук и его коллеги добыли такие образцы. И нам удалось выделить фрагменты, не разрушенные — около тысячи или 1800 нуклеотидов, что тоже крайне удивительно, потому что обычно в молекуле сто, двести, пятьсот нуклеотидов можно выделять в благоприятных условиях, а для неандертальца такие непрерывные отрезки составляют от 50 до 200 нуклеотидов.
Наш мамонт удивительно хорошо сохранился. И более того, мы видели ядра и окрашенные ДНК в ядрах.
— А ядерный геном когда-нибудь смогут ученые расшифровать для ископаемых животных? Тогда получился бы полный геном.
— Могу сказать, что такие результаты уже получены на ДНК мамонта канадской группой. Они действительно показали, что достаточно много фрагментов ядерных ДНК можно определить. Проблема в том, что они не могли исключать ошибки — те, о которых я говорил. А ведь задача в том, чтобы суметь определять структуру ядерного генома и исключить ошибки, которые вносят посмертные мутации. И такая работа сейчас как раз начата у нас в сотрудничестве с калифорнийскими коллегами, у которых имеются огромные возможности секвенирования, у нас, соответственно, опыт по выделению анализа древней ДНК. И помимо мамонта, мамонт - это разминка, на очереди человек, в первую очередь неандерталец.
— Вы имеете в виду полный геном, потому что митохондриальная ДНК неандертальцев уже выделена.
— Во-первых, выделен не митохондриальный геном, а опять же только маленькие участки. Митохондриального генома для неандертальца еще нет. Но, во-первых, я знаю, есть уже, готовятся к печати данные по секвенированию фрагментов ДНК неандертальца, и ядерные, и митохондриальные, чтобы продемонстрировать, что это вообще возможно. Если бы три года назад об этом сказали, даже те люди, которые работают сейчас в этой области, сказали бы, что это невозможно. Сейчас ситуация изменилась, я просто был в Калифорнии в той лаборатории, где сделан предварительный анализ, такая работа уже проведена. То есть существует большой объем данных по фрагментам ядерного ДНК неандертальцев. Это не полный геном - это случайные фрагменты, но их много.
— А почему так важно расшифровать геном неандертальца?
— Во-первых, мы можем действительно уточнить эволюцию человека с точки зрения того, когда возник как вид homo sapiens. С другой стороны, чтобы строить те или иные эволюционные теории, в том числе в отношении функциональных генов, то есть чтобы сравнивать человека с шимпанзе, необходимо промежуточное звено, а этого явно не хватает. Неандерталец, как вид более родственный человеку, и очень важен для таких сравнений, в том числе и для генов, которые определяют устойчивость или чувствительность к различного рода заболеваниям.
— Если будет прочтен полностью геном мамонта и полностью геном неандертальцев, то их можно будет тогда восстановить?
— Нет. Дело в том, что мы не можем сделать что-то подобное и на организмах, которые живут в настоящее время. Мы не можем вставлять куда-то геном или изымать откуда-то геном, нет таких технологий, кроме клонирования, происходящего на уровне клеток, а не на уровне генома.
Но действительно можно выделять полноразмерные функциональные гены. То есть речь идет не обо всем геноме, а о каком-то конкретном гене, который представляет определенный интерес. Его можно клонировать в различных модельных системах, необязательно его вставлять в человека, можно вставлять и в животных и исследовать, как он будет функционировать на модельных животных. То есть, зная структуру гена, можно попробовать заставить его функционировать в какой-то модельной системе — вот это действительно можно, это просто реально. Например, фермент обнаруживается у неандертальца, и он давно не работает у человека. Если мы знаем последовательность гена, то можем вставить этот ген в живые клеточные системы и посмотреть, как он функционирует. То есть мы можем попытаться вставлять интересные гены вымерших животных в живые организмы — вот что интересно.