فیلوژنتیک از نئاندرتال‌ها تا انسان امروزی

   

 

دکتر شاهین اسعدی

(دکتری تخصصی ژنتیک پزشکی)

سوانت پابو از طریق تحقیقات پیشگامانه خود به چیزی به ظاهر غیرممکن دست یافت: تعیین توالی ژنوم نئاندرتال، یکی از خویشاوندان منقرض شده انسان امروزی. او همچنین کشف هیجان‌انگیز یک انسان‌زاده ناشناخته به نام دنیسوا را انجام داد. نکته مهم این است که پابو همچنین دریافت که انتقال ژن از این هومینین‌های منقرض شده به هومو‌ساپینس پس از مهاجرت به خارج از آفریقا در حدود 70000 سال پیش رخ داده است.  این فرآیند انتقال ژن‌های هومینین­ها به انسان‌های امروزی ارتباط فیزیولوژیکی دارد ، به عنوان مثال بر نحوه واکنش سیستم ایمنی بدن ما به عفونت‌ها تأثیر می‌گذارد.

بشریت همیشه شیفته ریشه‌های خود بوده است. ما از کجا آمده‌ایم و با کسانی که پیش از ما آمده‌اند چه نسبتی داریم؟ چه چیزی ما، هومو‌ساپینس‌ها را از سایر انسان‌ها متمایز می‌کند؟

تحقیقات اساسی پابو باعث ایجاد یک رشته علمی کاملاً جدید شد. فیلوژنتیک با آشکار کردن تفاوت‌های ژنتیکی که همه انسان‌های زنده را از انسان‌های منقرض شده متمایز می‌کند. اکتشافات او مبنایی را برای کشف آنچه ما را منحصراً انسان می‌سازد فراهم می‌کند.

ما از کجا آمده‌ایم؟

پرسش از منشأ ما و آنچه ما را منحصر به فرد می‌کند از زمان‌های قدیم بشریت را درگیر خود کرده است. دیرینه‌شناسی و باستان‌شناسی برای مطالعات تکامل انسان مهم هستند. تحقیقات شواهدی ارائه کرد که انسان از نظر آناتومیک مُدرن؛ هومو‌ساپینس، برای اولین بار در آفریقا تقریباً 300000 سال پیش ظاهر شد، در حالی که نزدیک‌ترین خویشاوندان شناخته شده ما، نئاندرتال‌ها، در خارج از آفریقا توسعه یافتند و از حدود 400،000 سال تا 30،000 سال پیش، در اروپا و آسیای غربی حضور داشتند که منقرض شده‌اند.

حدود 70000 سال پیش، گروه‌هایی از هومو‌ساپینس‌ها از آفریقا به خاورمیانه مهاجرت کردند و از آنجا به سایر نقاط جهان گسترش یافتند. انسان‌های خردمند و نئاندرتال‌ها به مدت ده‌ها هزار سال در بخش‌های وسیعی از اوراسیا همزیستی داشتند؛ اما در مورد رابطه خود با نئاندرتال‌های منقرض شده چه می‌دانیم؟ سرنخ‌ها ممکن است از اطلاعات ژنومی به دست آمده باشند. تا پایان دهه 1990، تقریباً کل ژنوم انسان توالی‌یابی شده بود. این یک دستاورد قابل توجه بود که به مطالعات بعدی در مورد رابطه ژنتیکی بین جمعیت‌های مختلف انسانی منجر شد. با این حال، مطالعات مربوط به رابطه بین انسان امروزی و نئاندرتال‌های منقرض شده به تعیین توالی DNA ژنومی بازیابی شده از نمونه‌های باستانی نیاز دارد.

یک کار به ظاهر غیرممکن

سوانت پابو در اوایل کار خود مجذوب امکان استفاده از روش‌های ژنتیکی مدرن برای مطالعه DNA نئاندرتال‌ها شد. با این حال، او به زودی متوجه چالش‌های فنی شدید شد، زیرا با گذشت زمان DNA از نظر شیمیایی تجزیه می‌شود و به قطعات کوتاه تبدیل می‌گردد. پس از هزاران سال، تنها مقدار کمی از DNA باقی مانده است و آن هم به طور گسترده با DNA باکتری‌ها و انسان‌های معاصر آلوده شده است (شکل 1). پابو به عنوان دانشجوی فوق دکترا با آلن ویلسون، پیشگام در زمینه زیست‌‌شناسی تکاملی، شروع به توسعه روش‌هایی برای مطالعه DNA از نئاندرتال‌ها کرد، تلاشی که چندین دهه به طول انجامید.

شکل 1: DNA در دو بخش مختلف در سلول قرار دارد. DNA هسته‌ای بیشتر اطلاعات ژنتیکی را در خود جای داده است، در حالی که ژنوم میتوکندری بسیار کوچک‌تر است و در هزاران نسخه وجود دارد. پس از مرگ، DNA در طول زمان تجزیه می‌شود و در نهایت فقط مقادیر کمی باقی می‌ماند. همچنین به DNA باکتری‌ها و انسان‌های معاصر آلوده می‌شود.

 

در سال 1990، پابو در دانشگاه مونیخ استخدام شد، جایی که به عنوان پروفسور تازه منصوب شده، کار خود را بر روی DNA باستانی ادامه داد. او تصمیم گرفت DNA میتوکندری نئاندرتال را تجزیه و تحلیل کند: اندامک‌هایی درون سلولی که حاوی DNA خاص خود (mtDNA) هستند. ژنوم میتوکندری کوچک است و تنها کسری از اطلاعات ژنتیکی سلول را شامل می‌شود، اما در هزاران نسخه وجود دارد و شانس موفقیت را افزایش می‌‌دهد. پابو با روش‌های دقیق خود موفق شد ناحیه‌ای از DNA میتوکندری را از یک قطعه استخوان 40000 ساله توالی‌یابی کند؛ بنابراین، برای اولین بار، ما به سکانسی از یک خویشاوند منقرض شده دسترسی داشتیم. مقایسه با انسان‌ها و شامپانزه‌های معاصر نشان داد که نئاندرتال‌ها از نظر ژنتیکی متمایز هستند.

تعیین توالی ژنوم نئاندرتال‌ها

از آنجایی که تجزیه و تحلیل ژنوم کوچک میتوکندری تنها اطلاعات محدودی به دست می‌دهد، به همین دلیل پابو چالش عظیم تعیین توالی ژنوم هسته نئاندرتال را بر عهده گرفت و به او این فرصت داده شد که مؤسسه انسان شناسی تکاملی ماکس پلانک در لایپزیگ آلمان را تأسیس کند و اکنون مدیر این موسسه است. در مؤسسه جدید، پابو و تیمش به طور پیوسته روش‌های جداسازی و تجزیه و تحلیل DNA از بقایای استخوان باستانی را بهبود بخشیدند.

تیم تحقیقاتی از پیشرفت‌های فنی جدید بهره‌برداری کردند که توالی‌یابی DNA را بسیار کارآمد کرد. Päabo همچنین چندین همکار مهم با تخصص در زمینه ژنتیک جمعیت و تجزیه و تحلیل توالی پیشرفته را درگیر کرد. تلاش‌های او موفقیت‌آمیز بود. پابو کاری به ظاهر غیرممکن را انجام داد و توانست اولین توالی ژنوم نئاندرتال را در سال 2010 منتشر کند. تجزیه و تحلیل‌های مقایسه‌ای نشان داد که جدیدترین جد مشترک نئاندرتال‌ها و انسان خردمند حدود 800000 سال پیش می‌زیسته است.

شکل 2: تصویر سمت چپ: پابو، DNA انسان‌های باستانی را از نمونه‌های استخوانی از هومینین‌های منقرض شده استخراج کرد. او ابتدا یک قطعه استخوان از نئاندرتال‌ها در آلمان به دست آورد، مکانی که نام نئاندرتال‌ها را به خود اختصاص داد. بعدها، او از استخوان انگشت انسان باستانی که در غار دنیسوا در جنوب سیبری یافت شده بود استفاده کرد، مکانی که نام دنیسووا را به خود اختصاص داد. تصویر سمت راست: درخت فیلوژنتیکی که تکامل و رابطه بین هومو‌ساپینس و هومینین‌های منقرض شده را نشان می‌دهد. درخت فیلوژنتیک همچنین جریان‌های ژنی کشف شده توسط پابو را نشان می‌دهد.

 

پابو و همکارانش اکنون می‌توانند رابطه بین نئاندرتال‌ها و انسان‌های امروزی از نقاط مختلف جهان را بررسی کنند. تحلیل‌های مقایسه‌ای نشان داد که توالی‌های DNA نئاندرتال‌ها بیشتر شبیه توالی‌های انسان‌های معاصر که از اروپا یا آسیا سرچشمه می‌گیرند تا انسان‌های معاصر با منشأ آفریقا هستند. این بدان معناست که نئاندرتال‌ها و هومو‌ساپینس‌ها در طول هزاره‌های همزیستی خود با هم آمیخته شدند. در انسان‌های امروزی با تبار اروپایی یا آسیایی، تقریباً 4-1 درصد ژنوم از نئاندرتال‌ها منشأ می‌گیرد (شکل 2).

یک کشف هیجان‌انگیز: دنیسوا

در سال 2008، یک قطعه 40000 ساله از استخوان انگشت انسان باستانی در غار Denisova در قسمت جنوبی سیبری کشف شد. این استخوان حاوی DNA فوق‌العاده‌ای بود که به خوبی حفظ شده بود که تیم پابو آن را توالی‌یابی کردند. نتایج باعث ایجاد یافته‌ای شگفت‌انگیز شد: توالی DNA در مقایسه با تمام توالی‌های شناخته شده نئاندرتال‌ها و انسان‌های امروزی منحصر به فرد بود. پابو یک هومینین ناشناخته را کشف کرده بود که نام دنیسوا را به آن داده بودند. مقایسه با توالی‌های انسان‌های معاصر از نقاط مختلف جهان نشان داد که جریان ژنتیکی بین دنیسوا و هومو‌ساپینس نیز رخ داده است. این رابطه برای اولین بار در جمعیت‌های ملانزیا و سایر بخش‌های آسیای جنوب شرقی مشاهده شد که در آن افراد تا 6 درصد DNA دنیسوا را حمل می‌کنند.

اکتشافات پابو درک جدیدی از تاریخ تکامل ما ایجاد کرده است. در زمانی که هومو‌ساپینس‌ها به خارج از آفریقا مهاجرت کردند، حداقل دو جمعیت منقرض شده هومینین در اوراسیا ساکن بودند. نئاندرتال‌ها در غرب اوراسیا زندگی می‌کردند، در حالی که دنیسوواها در بخش‌های شرقی قاره ساکن بودند. در طول گسترش هومو‌ساپین‌ها به خارج از آفریقا و مهاجرت آنها به شرق، آنها نه تنها با نئاندرتال‌ها و همچنین با دنیسووان‌ها برخورد کردند بلکه با آنها، فرزندآوری نیز کردند (شکل 3).

پالئوژنومیکس و ارتباط آن

سوانت پابو از طریق تحقیقات پیشگامانه خود یک رشته علمی کاملاً جدید به نام paleogenomics را پایه‌گذاری کرد. پس از اکتشافات اولیه، گروه او تجزیه و تحلیل چندین توالی ژنوم اضافی از انسان‌های منقرض شده را تکمیل کرده است. اکتشافات پابو منبع منحصر به فردی را ایجاد کرده است که به طور گسترده توسط جامعه علمی برای درک بهتر تکامل انسان و مهاجرت استفاده می‌شود. روش‌های قدرتمند جدید برای تجزیه و تحلیل توالی DNA نشان می‌دهد که هومینین‌های باستانی نیز ممکن است با هومو‌ساپینس‌ها در آفریقا مخلوط شده باشند. با این حال، هنوز هیچ ژنومی از هومینین‌های منقرض شده در آفریقا به دلیل تخریب سریع DNA باستانی در آب و هوای گرمسیری، توالی‌یابی نشده است.

به لطف اکتشافات Svante Pääbo، اکنون می‌دانیم که توالی‌های ژنومی باستانی از خویشاوندان منقرض شده ما بر فیزیولوژی انسان‌های امروزی تأثیر می‌گذارند. یکی از این نمونه‌ها، نسخه Denisovan ژن EPAS1 است که در بازوی کوتاه کروموزوم شماره 2 به‌ صورت 2p21 مستقر است و مزیتی برای بقا‌ در ارتفاعات بالا می‌دهد و در بین تبتی‌های امروزی رایج است. نمونه‌های دیگر، ژن‌های نئاندرتال هستند که بر پاسخ ایمنی ما به انواع مختلف عفونت‌ها تأثیر می‌گذارند.

شکل 3: اکتشافات پابو اطلاعات مهمی در مورد چگونگی جمعیت جهان در زمانی که انسان‌های خردمند از آفریقا مهاجرت کردند و به سایر نقاط جهان گسترش یافتند، ارائه کرده است. نئاندرتال‌ها در غرب و دنیسوواها در شرق در قاره اوراسیا زندگی می‌کردند. آمیختگی، زمانی اتفاق افتاد که هومو‌ساپینس در سراسر قاره گسترش یافت و ردپایی در DNA ما باقی ماند.

 

چه چیزی ما را انسان منحصر به فرد می‌کند؟

هومو‌ساپینس با ظرفیت منحصر به فرد خود برای ایجاد فرهنگ‌های پیچیده، نوآوری‌های پیشرفته و هنرهای فیگوراتیو و همچنین با توانایی عبور از آب‌های آزاد و گسترش به تمام نقاط سیاره ما مشخص می‌شود (شکل 4). نئاندرتال‌ها نیز به صورت گروهی زندگی می‌کردند و مغزهای بزرگی داشتند (شکل 4). آنها همچنین از ابزارهایی استفاده کردند، اما این ابزارها در طول صدها هزار سال بسیار کم توسعه یافتند. تفاوت‌های ژنتیکی بین انسان خردمند و نزدیک‌ترین خویشاوندان منقرض شده ما تا زمانی که از طریق کار اصلی پابو شناسایی نشدند، ناشناخته بود. تحقیقات مداوم و فشرده بر تجزیه و تحلیل پیامدهای عملکردی این تفاوت‌ها بر هدف نهایی توضیح آنچه ما را منحصراً انسان می‌سازد، متمرکز است.

شکل 4: کار اصلی پابو مبنایی برای توضیح آنچه ما را منحصراً انسان می‌سازد فراهم می‌کند

 

Svante Pääbo در سال 1955 در استکهلم، سوئد متولد شد. او در سال 1986 از تز دکترای خود در دانشگاه اوپسالا دفاع کرد و در مقطع فوق دکتری در دانشگاه زوریخ سوئیس و سپس در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، ایالات متحده آمریکا بود. او در سال 1990 در دانشگاه مونیخ آلمان استاد شد. در سال 1999 مؤسسه ماکس پلانک را برای انسان‌شناسی تکاملی در لایپزیگ آلمان تأسیس کرد که هنوز در آنجا فعال است. او همچنین به عنوان استاد کمکی در مؤسسه علم و فناوری اوکیناوای ژاپن، سمت دارد.

مجمع نوبل، متشکل از 50 استاد در مؤسسه کارولینسکا، جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی را اعطا می‌کند. کمیته نوبل نامزدها را ارزیابی می‌کند. از سال 1901 جایزه نوبل به دانشمندانی اعطا می‌شود که مهم‌ترین اکتشافات را به نفع بشریت انجام داده‌اند.

Reference:

MLA style: Press release: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2022. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2022. Wed. 5 Oct 2022. <https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2022/press-release/>