Antike DNA

Antike DNA (aDNA) bezieht sich auf die Untersuchung von DNA, die aus Exemplaren gewonnen wird, die vor Jahrzehnten, Hunderten oder manchmal Tausenden von Jahren gestorben sind. Beispiele sind die Analyse von DNA, die aus archäologischen Funden, Museumsexemplaren, fossilen Überresten und anderen ungewöhnlichen Exemplaren gewonnen wurde. Im Allgemeinen wurden diese Exemplare nicht zum Zweck genetischer und genomischer Studien konserviert. Die Techniken zur Extraktion von aDNA sind überall dort anwendbar, wo die DNA so weit abgebaut ist, dass herkömmliche Techniken zur Extraktion frischer DNA nicht verwendet werden können. Praktisch gesehen bezieht sich der Begriff aDNA auf den Zustand der DNA, nicht unbedingt auf ihr Alter.

Techniken

Für die Extraktion alter DNA sind unterschiedliche Techniken erforderlich, weshalb die Extraktion in einem auf aDNA spezialisierten Labor durchgeführt werden muss. Eine frische DNA-Probe kann in der Größenordnung von Mikrogramm liegen. Wenn das Labor geringen Mengen fremder DNA in der Größenordnung von Nanogramm oder Pikogramm ausgesetzt ist, wird sich die Kontamination nicht in den Ergebnissen niederschlagen. Im Gegensatz dazu liegt eine aDNA-Probe in der Regel in der Größenordnung von Nanogramm oder sogar Pikogramm, so dass zusätzliche Nanogramm oder Pikogramm Verunreinigung für die Analyse fatal sein könnten.

Das Problem bei der aDNA-Extraktion ist einfach, dass die DNA eine sehr komplexe Struktur ist, die sich zersetzt, sobald der Organismus stirbt, und zwar aufgrund von Bakterien, die den Leichnam zersetzen. Dies wird noch beschleunigt, wenn die DNA den „Elementen“ und eventuell vorhandenen Chemikalien (wie Balsamierungsflüssigkeit) ausgesetzt ist. Die ältesten Exemplare, bei denen aDNA gefunden wurde, befanden sich in der Regel in kühlem, trockenem Klima in großer Höhe, was dazu beitrug, die bakterielle Wirkung zu verzögern und die DNA von Hitze und Feuchtigkeit fernzuhalten.

Das Y-Chromosom ist fast 60 Millionen Basenpaare lang und es gibt nur eines pro Zelle. Die DNA-Analyse des Y-Chromosoms hängt davon ab, dass aus bestimmten Regionen innerhalb dieser 60 Millionen Basenpaare genügend DNA für die Analyse extrahiert wird. Bei stark degradierten Überresten ist es höchst unwahrscheinlich, dass genügend des richtigen Y für eine Analyse übrig bleibt.

Es besteht eine viel größere Chance, genügend mitochondriale DNA (mtDNA) für eine Identifizierung zu gewinnen. Das macht es für das Labor einfacher, brauchbare DNA zu extrahieren, aber viel schwieriger für die Ahnenforscher, die nach dem Familienbezug suchen, da man der weiblichen Linie folgen muss. Es gibt bis zu 1.000 Mitochondrien pro Zelle, jedes mit fünf bis zehn Kopien seines eigenen Genoms mit 16.569 Basenpaaren. Daher kann es pro Zelle bis zu 10.000 Kopien des mtDNA-Genoms geben. Daraus ergibt sich eine viel höhere Wahrscheinlichkeit, mtDNA aus stark degradierten Überresten zu bergen.

Das Einbalsamieren schafft weitere Probleme. Das in der Einbalsamierungsflüssigkeit enthaltene Formaldehyd denaturiert nicht nur die DNA, sondern führt auch dazu, dass sich die DNA-Stränge mit sich selbst und anderen DNA-Strängen vernetzen, ähnlich wie ein zusammengeknüllter Klebebandball. Die Schäden sind dauerhaft. Das Formaldehyd oxidiert zu Paraformaldehyd, das die bei der Extraktion verwendete Proteinase K hemmen kann. Bei einbalsamierten sterblichen Überresten muss die Extraktion von aDNA also neben der Hemmung des Extraktionsprozesses durch das Vorhandensein von oxidiertem Formaldehyd auch die Probleme des Abbaus durch Bakterien, die an der Zersetzung beteiligt sind, und des Abbaus aufgrund der Exposition gegenüber den Elementen überwinden. Es wurden Protokolle entwickelt, um zu versuchen, die vom Formaldehyd gebildeten Vernetzungen aufzubrechen. Dabei wird Knochenpulver in der Mikrowelle erhitzt und Temperaturschwankungen ausgesetzt. Leider kann dieses Protokoll bei sehr zerbrechlichen Proben auch die DNA zerstören. Erfolgreicher ist es, das Knochenpulver in einer PBS-Lösung einzuweichen, in der das Paraformaldehyd nach oben schwimmt und das Knochenpulver nach unten sinkt. Sobald das Paraformaldehyd entfernt ist, wird das verbleibende Knochenpulver durch einen Demineralisierungsprozess aufgelöst, wodurch die DNA freigesetzt wird, die tief in der Knochenmatrix verborgen ist und durch den Einbalsamierungsprozess nicht beeinträchtigt wurde. Auf diese Weise kann die Ausbeute an aDNA verdoppelt werden.

Die beste Stelle für die Suche nach aDNA ist der Felsenknochen. Auch Zähne sind für alte DNA besonders geeignet. Der Zahnschmelz ist die härteste Substanz im Körper, und obwohl er keine DNA enthält, bietet er dem darin befindlichen Dentin physischen Schutz und hilft, die DNA im Dentin zu schützen. Jeder andere dichte, kompakte Knochen, wie ein Oberschenkelknochen oder ein anderer langer Knochen, kann ebenfalls verwendet werden.

Methodik

• Marx V (2017). Genetik: neue Geschichten aus alter DNA. Nature Methods 14: 771-774. Veröffentlicht online am 24. Juli 2017. An overview of current ancient DNA methdology and findings.
• Hansen HH , Damgaard PB , Margaryan A et al (2017). Comparing ancient DNA preservation in petrous bone and tooth cementum. PLOS One published online 27 January 2017.
• Orlando L, Gilbert MTP, Willerslev E (2015). Reconstructing ancient genomes and epigenomes. Nature Reviews Genetics. Published online 09 June 2015.
• Raff, Jennifer (2014). Woran erkennt man, ob eine alte DNA-Studie seriös ist? Violent Metaphors blog, 7 February 2014
• Rohland N and Hofreiter M (2007). Antike DNA-Extraktion aus Knochen und Zähnen. Nature Protocols 2 1756-1762.

Online veröffentlicht: 12. Juli 2007 | doi:10.1038/nprot.2007.247

• Gilbert, M TP; Bandelt H-J, Hofreiter M, Barnes I (2005). Assessing ancient DNA studies. Trends in Ecology and Evolution 20 (10): 541-544.
• Pääbo S. Poinar H, Serre D, Jaenicke-Despres V, Hebler J, Rohland N, Kuch M, Vigilant L, Hofreiter M (2004). Genetische Analysen aus alter DNA. Annual Review of Genetics 38: 645-679. Enthält einen Überblick über die Kriterien für die Authentizität.
• Cooper, A und Poinar, HN (2000). Ancient DNA: Do It Right or Not at All. Science; 289 1139.

Datenbanken

• BODIES – The British and Irish On-line Database Index to Excavated human remainS
• Evidence of the past: a map and status of ancient remains in the USA
• Jean Manco. Einführung in die antike DNA (aus dem Internet Archive). Ancestral Journeys Website, die von dem verstorbenen Jean Manco unterhalten wird. Enthält Links zu Tabellen, die Ergebnisse verschiedener alter DNA-Studien dokumentieren, einschließlich Tabellen mit mitochondrialen und Y-Chromosom-Haplogruppen, die aus historischen und prähistorischen menschlichen Überresten extrahiert wurden
• Eine Liste alter DNA-Y-Chromosom-Studien aus dem Blog von Dienekes

Neuigkeiten

Die Spitalfields-Prinzessin

Die „Spitalfields-Prinzessin“ wurde 1999 in einem römischen Friedhof am Spitalfields Market gefunden, London, England, im Jahr 1999 gefunden und war Gegenstand der BBC-Fernsehsendung „Meet the Ancestors“:

• Digging up the Romans: Discovering people at Spitalfields Market
• Girl power by Jenny Hall Classical Association News Number 24, June 2001.
• Roman „yuppie“ had Spanish Genes Steve Connor, The Independent, 2nd August 1999.

Roman remains from Butt Road Cemetery, Colchester, Essex, England

• Colchester Man
• Patricia Smith. „Die Geheimnisse der Gene der Romano-Briten: New data from old bones“. The Colchester Archaeologist, Nummer 11, 1998, 18-19.
• Nina Crummy, Philip Crummy und Carl Cross. Excavations of Roman and later cemeteries, churches and monastic sites in Colchester, 1971-88 (46 megabytes)

Other news stories

• Eske Willerslev Is Rewriting History With DNA von Carl Zimmer, New York Times, 16. Mai 2016.
• Was alt ist, ist wieder neu von Bob Grant, The Scientist, 1. Juni 2015.
• Antike DNA erzählt eine neue menschliche Geschichte von Matt Ridley, Wall Street Journal, 1. Mai 2015.
• Human evolution: Der Neandertaler in der Familie von Ewen Callaway, Nature News and Comment, 26. März 2014
• Aufräumen mit alter DNA
• Zahn gibt älteste menschliche mtDNA preis
• MtDNA eines ausgestorbenen Höhlenbären sequenziert
• Genetische Charakterisierung der Leiche, die dem Evangelisten Lukas zugeschrieben wird
• Das Rätsel der Mumie entschlüsseln – mit Hilfe der DNA
• Die mitochondriale Abstammung von Ötzi ist nicht wie bei anderen Europäern
• König Tut’s Familiengeheimnisse und der Fluch der DNA des Pharaos
• „Bessere“ DNA aus fossilen Knochen von Alison Ross, BBC News, 19. September 2005
• Antikes Haar gibt seine DNA-Geheimnisse preis von Anna Salleh, ABC Science Online, 22. Juni 2004

Wissenschaftliche Arbeiten

• Wagner JK et al (2020). Fostering responsible research on ancient DNA. American Journal of Human Genetics 107 (2): 183-195.
• Kivisild T (2017). Das Studium der menschlichen Y-Chromosom-Variation durch alte DNA. Human Genetics. Published online 4 March 2017. Ein nützlicher Übersichtsartikel.
• Krause J, Pääbo S (2016). Genetic time travel. Genetics 203(1): 9-12.
• From mammoths to Neandertals, ancient DNA unlocks the mysteries of the past A special issue of Science devoted to ancient DNA, 23 July 2015.
• Ancient DNA: the first three decades Eine Diskussionsveranstaltung in den Philosophical Transactions B der Royal Society, organisiert und herausgegeben von Erika Hagelberg, Michael Hofreiter und Christine Keyser
• Luca Ermini, Clio Der Sarkissian, Eske Willerslev, Ludovic Orlando. Major Transitions in Human Evolution revisited: A tribute to ancient DNA. Journal of Human Evolution (im Druck). Online verfügbar am 19. Dezember 2014. Ein ausgezeichneter, umfassender Übersichtsartikel.
• Guido Brandt, Szécsényi-Nagy, Christina Roth, Kurt Werner Alt, Wolfgang Haak (2014). Humanpaläogenetik in Europa – The knowns and the known unknowns. Journal of Human Evolution (im Druck). Online verfügbar am 13. November 2014. Ein Übersichtsartikel, der sich hauptsächlich auf alte DNA-Funde aus mitochondrialer DNA und Y-DNA konzentriert.
• Pickrell J, Reich D (2014). Towards a new history and geography of human genes informed by ancient DNA. Trends in Genetics 2014; 30 (9): 377-389 (Abonnement erforderlich). Verfügbar als Preprint von BioRxiv.
• Ermanno Rizzi, Martina Lari, Elena Gigli, Gianluca De Bellis und David Caramelli. Antike DNA-Studien: neue Perspektiven auf alte Proben. Genetics Selection Evolution 2012, 44:21. Ein sehr guter Übersichtsartikel über die Geschichte der antiken DNA-Studien.
• Christiane Maria Bauera, Martin Bodnera, Harald Niederstättera, Daniela Niederwiesera, Gabriela Hubera, Petra Hatzer-Grubwiesera, Karl Holubarb, Walther Parsona. Molekulargenetische Untersuchungen zu Österreichs Schutzpatron Leopold III. Forensic Science International Genetics, 8 November 2012.
• Haak W, Balanovsky O, Sanchez JJ et al. Ancient DNA from European Early Neolithic Farmers Reveals Their Near Eastern Affinities PLoS Biol 2010 8(11): e1000536. doi:10.1371/journal.pbio.1000536.
• Melchior L, Kivisild T, Lynnerup N, Dissing J, 2008. Nachweis von authentischer DNA aus dänischen Skeletten aus der Wikingerzeit, die 1.000 Jahre lang von Menschen unberührt waren. PLoS ONE 3(5): e2214.
• Kemp BM, Malhi RS, McDonough J et al. Genetic analysis of early holocene skeletal remains from Alaska and its implications for the settlement of the Americas. Am J Phys Anthropol 2007 Apr;132(4):605-21.

Projekte

• Römisches DNA-Projekt
• Schweizer Mumienprojekt

Weitere Informationen

• ISOGG-Seite über berühmte mtDNA
• ISOGG-Seite über alte mtDNA
• Wikipedia-Liste der Haplogruppen historischer und berühmter Persönlichkeiten
• Wikipedia-Artikel über alte DNA
• How long does DNA last? by Forrest Wickman. Slate, 5. Februar 2013.

Bücher

• Terry Brown und Kerry Brown. Biomolecular Archaeology: An Introduction. Wiley-Blackwell, Februar 2011.
• Elizabeth Matisoo-Smith und K. Ann Horsburgh. DNA for Archaeologists. Left Coast Press, November 2012.
• Svante Pääbo. Neanderthal Man: In Search of Lost Genomes. Basic Books, New York, 2014.

Blogbeiträge

• Digging up your ancestors – citizen science meets ancient DNA von Maurice Gleeson, DNA and Family Tree Research, 11. August 2020.
• aDNA in the life von Tom Booth. Tag der Archäologie Website, 28. Juli 2017.
• Der Hype-Zyklus der antiken DNA von Patrícia Pečnerová, The Molecular Ecologist, 20. April 2017.
• Petrous bone is the new black von Patrícia Pečnerová, The Molecular Ecologist, 22. Februar 2016.
• Palaeogenomes – are they influencing us a bit too much? von Tom Gilbert, OpenQuaternary Discussions blog, 6. Oktober 2014.
• Day 1 at the Royal Society’s 2013 Ancient DNA meeting by Debbie Kennett, Cruwys News blog, 21 November 2013.
• Day 2 at the Royal Society’s 2013 Ancient DNA meeting by Debbie Kennett, Cruwys News blog, 21 November 2013.

Foren und soziale Medien

• Facebook Ancient DNA Group
• Google+ Ancient DNA Community

Resources

• Ancient European ancient DNA A Eupedia page showing Y-DNA- und mtDNA-Haplogruppenhäufigkeiten in alten DNA-Proben in Europa
• Karte der alten DNA Eine Open-Source-Karte mit einer Beschreibung und dem Standort aller bisher gefundenen alten DNA-Proben.
• Online Ancient Genome Repository Ein Open-Access-Repository für antike menschliche DNA-Daten.
• Antike DNA-Proben auf GedMatch Felix Immanuel hat einige der öffentlich zugänglichen antiken DNA-Rohdateien verarbeitet und zu Vergleichszwecken auf GEDMatch hochgeladen.

Siehe auch

• Famous DNA: Einführung
• Alte DNA
• Promi-DNA
• Umstrittene oder umstrittene DNA
• Mitochondriale DNA
• Neandertaler-DNA
• Royale DNA
• US-Präsidenten-DNA
• Y-Chromosomen-DNA