Eldgammelt DNA - Ancient DNA

Tverrbundet DNA ekstrahert fra den 4000 år gamle leveren til den gamle egyptiske presten Nekht-Ankh.

Ancient DNA (aDNA) er DNA isolert fra gamle prøver . På grunn av nedbrytningsprosesser (inkludert tverrbinding , deaminering og fragmentering ) blir eldgamle DNA mer nedbrutt i sammenligning med samtids genetisk materiale. Selv under de beste bevaringsforholdene er det en øvre grense på 0,4–1,5 millioner år for at en prøve skal inneholde tilstrekkelig DNA for sekvenseringsteknologier. Genetisk materiale er gjenvunnet fra paleo/arkeologisk og historisk skjelettmateriale, mumifiserte vev, arkivsamlinger av ikke-frosne medisinske prøver, bevarte planterester, is og fra permafrostkjerner , sedimenter fra sjø og innsjøer og utgravningsskitt .

Historien om gamle DNA -studier

1980 -tallet

Den første studien av det som skulle bli kalt aDNA ble utført i 1984, da Russ Higuchi og kolleger ved University of California, Berkeley rapporterte at spor av DNA fra et museumsprøve av Quagga ikke bare forble i prøven over 150 år etter individets død, men kan trekkes ut og sekvenseres. I løpet av de neste to årene, gjennom undersøkelser av naturlige og kunstig mumifiserte prøver, bekreftet Svante Pääbo at dette fenomenet ikke var begrenset til relativt nylige museumseksemplarer, men tilsynelatende kunne replikeres i en rekke mumifiserte menneskelige prøver som dateres så langt tilbake som flere tusen år .

De arbeidskrevende prosessene som var nødvendige på den tiden for å sekvensere slikt DNA (gjennom bakteriell kloning ) var en effektiv brems for utviklingen av feltet for gammelt DNA (aDNA). Imidlertid, med utviklingen av Polymerase Chain Reaction (PCR) på slutten av 1980 -tallet, begynte feltet å gå raskt. Dobbel primer PCR-forsterkning av aDNA (jumping-PCR) kan produsere svært skjevt og ikke-autentisk sekvensartefakter. Flere primer, nestet PCR -strategi ble brukt for å overvinne disse manglene.

1990 -tallet

Post-PCR-tiden varslet en bølge av publikasjoner da mange forskergrupper hevdet suksess med å isolere aDNA. Snart hadde en rekke utrolige funn blitt publisert, som hevdet at autentisk DNA kunne hentes ut fra eksemplarer som var millioner av år gamle, inn i rikene til det Lindahl (1993b) har merket antediluviansk DNA. Flertallet av slike påstander var basert på gjenfinning av DNA fra organismer bevart i rav . Insekter som stingless bier, termitter og tremusk, samt plante- og bakteriesekvenser ble sagt å ha blitt hentet fra dominikansk rav fra Oligocene -epoken. Likevel eldre kilder til libanesiske rav-innkapslet biller , datert til i kritt epoke, angivelig også gitt autentisk DNA. Påstander om gjenfinning av DNA var ikke begrenset til rav.

Det ble publisert rapporter om flere sedimentbevarede planterester som dateres til mycen . Så i 1994, Woodward et al. rapporterte det som den gang ble kalt de mest spennende resultatene til dags dato - mitokondrielle cytokrom b -sekvenser som tilsynelatende hadde blitt trukket ut fra dinosaurben som dateres til mer enn 80 millioner år siden. Da i 1995 to ytterligere studier rapporterte dinosaur -DNA -sekvenser ekstrahert fra et krittegg, så det ut til at feltet ville revolusjonere kunnskapen om jordens evolusjonære fortid. Selv disse ekstraordinære alderene ble toppet av den påståtte hentingen av 250 millioner år gamle halobakteriesekvenser fra halitt .

Utviklingen av en bedre forståelse av kinetikken for DNA -bevaring, risikoen for kontaminering av prøver og andre kompliserende faktorer førte til at feltet så mer skeptisk på disse resultatene. Mange forsiktige forsøk klarte ikke å gjenskape mange av funnene, og alle tiårets påstander om multi-millioner år gammel aDNA ville bli avvist som uautentiske.

2000 -tallet

Enkel primerforlengelsesforsterkning ble introdusert i 2007 for å håndtere skader etter endring av DNA -modifikasjon. Siden 2009 har feltet aDNA-studier blitt revolusjonert med introduksjonen av mye billigere forskningsteknikker. Bruken av High-throughput Next Generation Sequencing (NGS) teknikker innen gammel DNA-forskning har vært avgjørende for å rekonstruere genomene til gamle eller utdødde organismer. En metode for forberedelse av enkeltstrenget DNA (ssDNA) bibliotek har vekket stor interesse blant gamle DNA-forskere (aDNA).

I tillegg til disse tekniske innovasjonene, begynte begynnelsen av tiåret å utvikle bedre standarder og kriterier for evaluering av DNA -resultater, samt en bedre forståelse av de potensielle fallgruvene.

Problemer og feil

Nedbrytningsprosesser

På grunn av nedbrytningsprosesser (inkludert tverrbinding, deaminering og fragmentering) er eldgammelt DNA av lavere kvalitet sammenlignet med moderne genetisk materiale. Skadeegenskapene og evnen til aDNA til å overleve gjennom tid begrenser mulige analyser og setter en øvre grense for alderen til vellykkede prøver. Det er en teoretisk sammenheng mellom tid og DNA -nedbrytning, selv om forskjeller i miljøforhold kompliserer ting. Det er usannsynlig at prøver som utsettes for forskjellige forhold forutsigbart stemmer overens med et enhetlig aldersforringelsesforhold. Miljøeffektene kan til og med ha betydning etter utgraving, ettersom DNA -forfallshastigheten kan øke, spesielt under svingende lagringsforhold. Selv under de beste bevaringsforholdene er det en øvre grense på 0,4–1,5 millioner år for at en prøve skal inneholde tilstrekkelig DNA for moderne sekvenseringsteknologier.

Forskning på forfall av mitokondrielt og kjernefysisk DNA i Moa -bein har modellert mitokondriell DNA -nedbrytning til en gjennomsnittlig lengde på 1 basepar etter 6 830 000 år ved -5 ° C. Forfallskinetikken er målt ved akselererte aldringseksperimenter som ytterligere viser den sterke innflytelsen fra lagringstemperatur og fuktighet på DNA -forfall. Nukleært DNA brytes ned minst dobbelt så raskt som mtDNA. Som sådan, tidlige studier som rapporterte utvinningen av mye eldre DNA, for eksempel fra kritt dinosaur rester, kan ha stammet fra forurensing av prøven.

Aldersgrense

En kritisk gjennomgang av gammel DNA -litteratur gjennom utviklingen av feltet fremhever at få studier etter ca 2002 har lyktes i å forsterke DNA fra levninger eldre enn flere hundre tusen år. En større forståelse for risikoen for miljøforurensning og studier av den kjemiske stabiliteten til DNA har resultert i bekymring over tidligere rapporterte resultater. Det påståtte dinosaur-DNA ble senere avslørt for å være menneskelig Y-kromosom , mens DNA rapportert fra innkapslede halobakterier har blitt kritisert på grunn av dets likhet med moderne bakterier, som antyder forurensning. En studie fra 2007 antyder også at disse bakterielle DNA-prøvene kanskje ikke har overlevd fra gammel tid, men i stedet kan være et produkt av langvarig metabolsk aktivitet på lavt nivå .

aDNA kan inneholde et stort antall postmortem mutasjoner , som øker med tiden. Noen områder av polynukleotid er mer utsatt for denne nedbrytningen, så sekvensdata kan omgå statistiske filtre som brukes til å kontrollere gyldigheten av data. På grunn av sekvenseringsfeil bør det utvises stor forsiktighet ved tolkning av populasjonsstørrelse. Substitusjoner som følge av deaminering av cytosinrester er sterkt overrepresentert i de gamle DNA-sekvensene. Miskoding av C til T og G til A står for de fleste feilene.

Forurensning

Et annet problem med gamle DNA -prøver er forurensning av moderne menneskelig DNA og av mikrobielt DNA (hvorav de fleste også er eldgamle). Nye metoder har dukket opp de siste årene for å forhindre mulig forurensning av aDNA -prøver, inkludert gjennomføring av ekstraksjoner under ekstreme sterile forhold, ved bruk av spesielle adaptere for å identifisere endogene molekyler av prøven (over de som kan ha blitt introdusert under analysen), og bruke bioinformatikk på resulterende sekvenser basert på kjente lesninger for omtrentlige forurensningshastigheter.

Ikke-menneskelig aDNA

Til tross for problemene knyttet til 'antediluviansk' DNA, har et bredt og stadig økende utvalg av aDNA-sekvenser nå blitt publisert fra en rekke dyre- og plantetaxa . Vev undersøkt inkluderer kunstig eller naturlig mumifiserte dyrerester, bein, paleofaeces, alkoholkonserverte prøver, gnagermiddler, tørkede planterester og nylig ekstraksjoner av dyre- og plante -DNA direkte fra jordprøver .

I juni 2013 kunngjorde en gruppe forskere, inkludert Eske Willerslev , Marcus Thomas Pius Gilbert og Orlando Ludovic fra Center for Geogenetics , Natural History Museum of Denmark ved University of Copenhagen , at de hadde sekvensert DNA på 560–780 tusen år gammel hest, ved hjelp av materiale hentet fra et beinbein funnet begravet i permafrost i Canadas Yukon -territorium. Et tysk team rapporterte også i 2013 det rekonstruerte mitokondrielle genomet til en bjørn, Ursus deningeri , mer enn 300 000 år gammel, og beviste at autentisk gammelt DNA kan bevares i hundretusenvis av år utenfor permafrost. DNA-sekvensen til enda eldre kjernefysisk DNA ble rapportert i 2021 fra de permafrostbevarte tennene til to sibirske mammutter , begge over en million år gamle.

Forskere i 2016 målte kloroplast -DNA i marine sedimentkjerner og fant kiselgur -DNA som går tilbake til 1,4 millioner år. Dette DNA hadde en halveringstid betydelig lengre enn tidligere forskning, på opptil 15 000 år. Kirkpatricks team fant også ut at DNA bare forfallet langs en halveringstid til omtrent 100 tusen år, da det fulgte en langsommere forfallshastighet for maktloven.

Menneskelig aDNA

Kart over menneskelige fossiler med en alder på minst ~ 40 000 år som ga genomomfattende data

På grunn av den betydelige antropologiske , arkeologiske og offentlige interessen rettet mot menneskelige levninger, har de fått betydelig oppmerksomhet fra DNA -samfunnet. Det er også mer dype kontaminasjonsproblemer, siden prøvene tilhører samme art som forskerne samler og evaluerer prøvene.

Kilder

På grunn av den morfologiske bevaringen hos mumier brukte mange studier fra 1990- og 2000 -tallet mumifisert vev som en kilde til gammelt menneskelig DNA. Eksempler inkluderer både naturlig bevarte prøver, for eksempel de som er bevart i is, for eksempel Ötzi ismannen , eller gjennom rask uttørking , slik som mumier i stor høyde fra Andesfjellene, samt forskjellige kilder til kunstig bevart vev (for eksempel kjemisk behandlede mumier fra det gamle Egypt). Imidlertid er mumifiserte levninger en begrenset ressurs. Flertallet av menneskelige aDNA -studier har fokusert på å trekke ut DNA fra to kilder som er mye mer vanlig i den arkeologiske opptegnelsen - bein og tenner . Benet som oftest brukes til DNA -ekstraksjon er petroleumsbenet , siden dets tette struktur gir gode betingelser for DNA -bevaring. Flere andre kilder har også gitt DNA, inkludert paleofaeces og hår . Forurensning er fortsatt et stort problem når man arbeider med gammelt menneskelig materiale.

Eldgammelt patogen -DNA har blitt vellykket hentet fra prøver som er mer enn 5000 år gamle hos mennesker og for så lenge som 17 000 år siden hos andre arter. I tillegg til de vanlige kildene til mumifisert vev, bein og tenner, har slike studier også undersøkt en rekke andre vevsprøver, inkludert forkalket pleura , vev innebygd i parafin og formalinfiksert vev. Effektive beregningsverktøy er utviklet for aDNA -analyser av patogener og mikroorganismer i liten (QIIME) og stor skala (FALCON).

Resultater

Men ved å ta forebyggende tiltak i sin prosedyre mot slik forurensning, analyserte en studie fra 2012 beinprøver av en neandertalergruppe i El Sidrón -grotten, og fant ny innsikt om potensielt slektskap og genetisk mangfold fra aDNA. I november 2015 rapporterte forskere å finne en 110 000 år gammel tann som inneholder DNA fra homo denisova hominin , en utdødd art av menneske i slekten Homo .

Forskningen har lagt ny kompleksitet til befolkningen i Eurasia. Den har også avslørt ny informasjon om forbindelser mellom forfedrene til sentralasiater og urbefolkningen i Amerika. I Afrika nedbrytes eldre DNA raskt på grunn av det varmere tropiske klimaet, selv om det i september 2017 er rapportert om gamle DNA -prøver, så gamle som 8.100 år gamle.

Videre har gammelt DNA hjulpet forskere med å estimere moderne menneskelig divergens. Ved å sekvensere afrikanske genomer fra tre steinalderjegersamlere (2000 år) og fire jernalderbønder (300 til 500 år gamle), var Schlebusch og kolleger i stand til å skyve datoen for den tidligste divergensen mellom menneskelige befolkninger tilbake til 350 000 til 260 000 år siden.

Fra 2021 er de eldste fullstendig rekonstruerte menneskelige genomene ~ 45 000 år gamle . Slike genetiske data gir innsikt i migrasjon og genetisk historie - f.eks . I Europa - inkludert om interbreeding mellom arkaiske og moderne mennesker som en vanlig blanding mellom første europeiske moderne mennesker og neandertalere.

Forskere som spesialiserer seg på gammelt DNA

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker