Un mini-cervello dal gene dei Neanderthal

Il Nobel 2022 per la Medicina va allo svedese Svante Pääbo “per le sue scoperte sul genoma di ominini estinti e sull’evoluzione umana”. Svante Pääbo, classe 1955, ha fondato una disciplina completamente nuova, la paleogenomica. Rivelando le differenze genetiche che separano tutti gli uomini viventi dagli ominini estinti, le sue scoperte hanno fornito le basi per esplorare le caratteristiche che ci rendono unicamente umani.

Quello di Pääbo non è il primo Nobel in famiglia: Svante è figlio del biochimico svedese Sune Karl Bergström, co-vincitore del Nobel per la medicina nel 1982 per gli studi sulle prostaglandine (mediatori chimici nei processi derivanti dalle infiammazioni). Ma ha assunto il cognome della madre, Karin Pääbo.

Eredità nascosta. Che cosa rende l’Homo sapiens unico rispetto agli altri ominini? Attraverso le sue pionieristiche ricerche di genetica evolutiva, Svante Pääbo ha fornito gli elementi fondamentali per provare a rispondere. Il biologo svedese è riuscito nell’impresa apparentemente impossibile di sequenziare il genoma del nostro “cugino” estinto, l’Uomo di Neanderthal; ha inoltre firmato una scoperta sensazionale, quella di un ominine a lungo sconosciuto – l’Uomo di Denisova.

Pääbo ha capito per primo che il trasferimento di geni da queste specie alla nostra è avvenuto dopo l’uscita dell’Homo sapiens dall’Africa, circa 70.000 anni fa. Questo antico passaggio di geni all’uomo moderno ha conseguenze fisiologiche rilevanti per la nostra salute: da qui la decisione di assegnare allo scienziato il Nobel per la Fisiologia o la Medicina. I geni ereditati da questi ominini estinti hanno per esempio effetti su come il sistema immunitario umano reagisce alle infezioni.

In cerca di risposte. Sappiamo che l’Homo sapiens apparve per la prima volta in Africa circa 300.000 anni fa e che i Neanderthal, i nostri più vicini parenti estinti, si diffusero in Europa e Asia occidentale a partire da 400.000 anni fa e fino alla loro definitiva estinzione, 30.000 anni fa. Circa 70.000 anni fa, alcuni gruppi di sapiens migrarono fuori dall’Africa verso il Medio Oriente prima di spargersi nel resto del mondo. Sapiens e Neanderthal sono quindi coesistiti in Eurasia per decine di migliaia di anni. Ma in che modo interagirono? La risposta oggi viene prevalentemente dalla paleogenomica, la scienza fondata da Svante Pääbo.

Il pezzo mancante del puzzle. Alla fine degli anni ’90 il genoma umano era stato quasi interamente sequenziato, ma per capire le relazioni tra umani moderni e Neanderthal estinti c’era bisogno di sequenziare il DNA di questi ominini arcaici. All’inizio della sua carriera, Svante Pääbo intuì l’affascinante possibilità di studiare il DNA Neanderthal con metodi genetici moderni, ma ne capì anche l’estrema difficoltà: con il tempo il DNA si modifica e degrada, si riduce in piccoli frammenti e contamina con batteri e geni dell’uomo moderno. Sotto la guida di Allan Wilson, pioniere degli studi di biologia evolutiva, l’allora post-doc Svante Pääbo iniziò a studiare metodi specifici per sequenziare il DNA dei Neanderthal, sfidando il tempo.

Una sfida impossibile (o quasi). Nel 1990 Pääbo, appena divenuto Professore all’Università di Monaco, decise di analizzare il DNA dei mitocondri dei Neanderthal. Il DNA mitocondriale contiene soltanto una frazione delle informazioni genetiche della cellula, ma è presente in migliaia di copie e questo aumenta le probabilità di successo “di lettura”. Grazie ai metodi appena sviluppati, Pääbo riuscì a sequenziare una regione del DNA mitocondriale a partire da un frammento di osso di Neanderthal vecchio 40.000 anni. Fu la prima sequenza genetica di un nostro parente estinto. Confrontandolo con il DNA di sapiens e di scimpanzé si vide chiaramente che i Neanderthal erano geneticamente diversi da noi (cioè che non sono nostri “avi”).

La differenza tra DNA nucleare e mitocondriale. Il secondo contiene informazioni limitate, ma in molte più copie.
© Nobel Prize

Un pezzo di Neanderthal in noi. Ma come dicevamo, le informazioni fornite dal DNA mitocondriale sono limitate. Bisognava riuscire a sequenziare il DNA nucleare, quello che si trova, cioè, non negli organelli cellulari chiamati mitocondri bensì nel nucleo delle cellule. Pääbo, nel frattempo approdato al Max Planck Institute di Lipsia (Germania) e circondato da esperti collaboratori, continuò a migliorare i metodi per isolarlo dai resti di ossa rinvenuti da archeologi e paleontologi. Fino al 2010, quando riuscì a pubblicare la prima sequenza genetica di Neanderthal: confrontandola con la nostra si vide che il più recente antenato comune tra sapiens e Neanderthal era vissuto circa 800.000 anni fa.

C’erano ormai gli strumenti per capire quale relazione avesse legato la nostra specie con quella di questi ominini estinti. Pääbo scoprì che il DNA Neanderthal che aveva sequenziato è più simile a quello dei sapiens moderni di origine europea e asiatica che a quello dei sapiens moderni di origine africana. Significa che Homo sapiens e Neanderthal si incrociarono durante la loro convinvenza fuori dall’Africa. E anche che l’uomo moderno ospita, nel suo DNA, una porzione pari all’1-4% di genoma Neanderthal.

L’uomo di Denisova. Nel 2008 nella grotta di Denisova, nel sud della Siberia, fu ritrovato il frammento di un osso di un dito contente DNA in un eccellente stato di conservazione. Pääbo non perse tempo e si mise a sequenziarlo, arrivando a una scoperta epocale: quel DNA non simigliava né a quello dell’uomo moderno né a quello Neanderthal. Si trattava del codice genetico di una nuova specie di ominine, che venne chiamata Uomo di Denisova. Anch’esso ci ha lasciato in eredità una parte di geni. Le popolazioni della Melanesia e di altre parti del sudest Asiatico ospitano fino al 6% di DNA denisoviano.

Homo sapiens, Neanderthal e Denisoviani. Migrazioni e incroci
© Nobel Prize

Migrazioni e fisiologia. La nostra comprensione della storia evolutiva e delle migrazioni dei sapiens si basa sulle scoperte di Pääbo. Uscito dall’Africa l’Homo sapiens si incrociò con almeno due popolazioni di ominini estinte, i Neanderthal in Eurasia e i Denosiviani in Asia orientale. Omini arcaici potrebbero essersi incrociati con i sapiens anche in Africa, ma non ne abbiamo le prove a causa della degradazione del DNA arcaico nei climi tropicali.

Ma le scoperte di Pääbo sono rilevanti anche per la comprensione della fisiologia dell’uomo moderno. Un esempio? La versione denisoviana del gene EPAS1, comune nelle odierne popolazioni tibetane, conferisce un vantaggio di sopravvivenza alle altitudini elevate.

Sapevate che…? Dal 1901 sono stati assegnati 112 Nobel per la Medicina o la Fisiologia a un totale di 224 scienziati. Il più giovane a riceverlo è stato Frederick G. Banting, che aveva 32 anni quando, nel 1923, fu premiato insieme a John James Rickard Macleod per la scoperta dell’insulina come cura contro il diabete. Il più anziano laureato invece è stato Peyton Rous, premiato nel 1966, a 87 anni, per la scoperta dei virus che inducono tumori. Soltanto 12 tra gli scienziati a cui è stato riconosciuto questo premio sono donne. Tra queste c’è l’italiana Rita Levi-Montalcini, insignita del Nobel nel 1986 per le sue scoperte sui fattori di crescita.

A condividere il Nobel per la Medicina sono state in un paio di casi due coppie: Carl Cori e Gerty Cori (1947), premiati per aver scoperto come il glicogeno (la riserva glucidica del corpo umano) viene risintetizzato dall’organismo; e più di recente May-Britt Moser e Edward Moser, per aver contribuito a chiarire come il cervello si orienta nello spazio.

VAI ALLA GALLERY

Fotogallery
Una famiglia da Nobel

Un team di ricercatori del Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology di Lipsia (l’istituto di ricerca tedesco fondato e diretto da Svante Pääbo, fresco vincitore del premio Nobel per la Fisiologia) ha condotto uno studio sulle affinità genetiche di un gruppo di Neanderthal, cercando le tracce di legami familiari, e ha ricostruito così i rapporti all’interno di una piccola comunità di questi ominini vissuta in Siberia. Il lavoro, che era stato anticipato in un simposio di archeologia nel 2021, è stato ora pubblicato su Nature.
Ricostruzione. Vale la pena ricordare che il primo sequenziamento di un DNA Neanderthal è del 2010 e da allora, la paziente ricostruzione del genoma di questi “cugini” dei sapiens (il lavoro che è valso il recente Nobel) ha permesso di sbirciare in alcuni frangenti della loro vita prima dell’estinzione. Ma al di là di quello che facevano durante il giorno, come vivevano, i Neanderthal? Qual era la composizione tipica della loro società, e com’era organizzata la loro struttura familiare?

Dove cercare. Il team guidato da Laurits Skov ha lavorato su resti di Neanderthal rinvenuti nelle caverne di Chagyrskaya e Okladnikov, a un centinaio di km dalla Grotta di Denisova, famosa per la scoperta dell’altra specie di ominine – l’Uomo di Denisova – che si sa aver interagito con la nostra specie. Questa zona della Siberia è ricca di tracce di una convivenza tra Neanderthal e Denisoviani durata centinaia di migliaia di anni: le due specie si frequentavano e incrociavano liberamente, come dimostra il recente ritrovamento dei frammenti ossei di una bambina con madre Neanderthal e padre denisoviano.

Moltissime tracce. Diversi gruppi di Neanderthal abitarono brevemente nelle due grotte attorno a 54.000 anni fa, lasciando abbondanti segni del loro passaggio. In 14 anni di scavi, gli archeologi dell’Accademia Russa delle Scienze hanno riportato alla luce centinaia di migliaia di ossa animali e utensili in pietra nonché più di 80 frammenti di ossa e denti di Neanderthal, mettendo insieme uno dei più ricchi depositi di fossili di ominini al mondo.

I Neanderthal di Chagyrskaya e Okladnikov cacciavano gli stambecchi, i cavalli e i bisonti nelle valli fluviali ai piedi delle caverne e raccoglievano la pietra grezza per i loro strumenti in località distanti decine di chilometri. Interagivano spesso tra loro ed erano geneticamente più affini ai Neanderthal europei che non ai gruppi di Neanderthal che abitavano tra i Monti Altai (in Siberia) 120.

000 anni fa.

Padre e figlia. I 17 resti analizzati appartenevano a 13 persone: 7 maschi e 6 femmine, 8 dei quali erano adulti e 5 erano bambini o ragazzi della prima adolescenza. Le parentele tra queste persone sono state ricostruite sfruttando l’eteroplasmia, la coesistenza di più varianti di DNA mitocondriale in una stessa cellula, una caratteristica genetica molto ben riconoscibile che persiste soltanto per un numero limitato di generazioni. Gli scienziati hanno trovato diversi eteroplasmi condivisi tra i Neanderthal studiati. Hanno inoltre scoperto che tra i resti c’erano quelli di un padre con la figlia adolescente, e quelli di un ragazzino con una parente di secondo grado (una cugina, una zia o una nonna). 

Migrazioni femminili. La presenza di queste parentele e delle varianti genetiche condivise suggerisce che i 13 Neanderthal studiati siano vissuti nello stesso periodo e che facessero parte, quindi, di una stessa comunità con vari vincoli familiari, per certi versi molto simile a quelle formate dall’Homo sapiens. Confrontando poi la diversità genetica dei vari cromosomi Y (quelli trasmessi da padre a figlio) con quella del DNA mitocondriale, che si trasmette sulla linea materna, il team ha trovato che il secondo era molto più diversificato rispetto ai primi. Significa che, in queste società Neanderthal, a spostarsi da una comunità all’altra nel corso della vita erano soprattutto le donne.

Vicini alla scomparsa. Un’altra caratteristica che salta all’occhio è la scarsa diversità genetica nella comunità studiata, molto più bassa di quella di una comunità umana antica o moderna delle stesse dimensioni, e paragonabile a quella delle popolazioni animali sull’orlo dell’estinzione. Con il senno di poi ne intuiamo il motivo.