Ancient DNA

Ancient DNA (aDNA) verwijst naar de studie van DNA dat is afgenomen van specimens die tientallen, honderden of soms duizenden jaren geleden zijn gestorven. Voorbeelden zijn de analyse van DNA uit archeologische vondsten, museumexemplaren, fossiele resten en andere ongewone specimens. In het algemeen zijn deze specimens niet bewaard gebleven voor genetisch en genomisch onderzoek. De technieken die worden gebruikt bij het extraheren van aDNA zijn toepasbaar op elke situatie waarin het DNA zodanig is gedegradeerd dat conventionele technieken voor het extraheren van vers DNA niet kunnen worden gebruikt. Praktisch gesproken heeft de term aDNA betrekking op de toestand van het DNA, niet noodzakelijk op de leeftijd.

Technieken

Er zijn verschillende technieken nodig om oud DNA te extraheren, en de extractie moet dan ook worden behandeld in een gespecialiseerd aDNA-laboratorium. Een vers DNA-monster kan in de orde van microgrammen zijn. Als het lab wordt blootgesteld aan lage niveaus van buitenaards DNA in de orde van nanogrammen of picogrammen, zal de verontreiniging niet tot uiting komen in de resultaten. Een aDNA-monster daarentegen is gewoonlijk in de orde van nanogrammen of zelfs picogrammen, zodat extra nanogrammen of picogrammen verontreiniging fataal kunnen zijn voor de analyse.

Het probleem met aDNA-extractie is eenvoudigweg dat DNA een zeer complexe structuur is die wordt afgebroken zodra het organisme sterft als gevolg van bacteriën die het lijk doen ontbinden. Dit wordt versneld als het DNA wordt blootgesteld aan “de elementen”, en door alle chemicaliën die aanwezig kunnen zijn (zoals balsemvloeistof). De oudste specimens die aDNA hebben opgeleverd, zijn meestal gevonden in koele, droge klimaten op grote hoogten die de bacteriële werking hielpen vertragen en het DNA weghielden van warmte en vocht.

Het Y-chromosoom is bijna 60 miljoen basenparen lang en er is er maar één per cel. DNA-analyse van het Y hangt af van het extraheren van voldoende DNA uit bepaalde regio’s binnen die 60 miljoen basenparen voor analyse. Bij sterk gedegradeerde overblijfselen is het hoogst onwaarschijnlijk dat er genoeg van het juiste Y overblijft voor analyse.

Er is een veel grotere kans dat er genoeg mitochondriaal DNA (mtDNA) wordt teruggevonden voor een identificatie. Dit maakt het voor het laboratorium gemakkelijker om bruikbaar DNA te extraheren, maar een stuk moeilijker voor de genealogen die op zoek zijn naar de familiereferentie, omdat je de vrouwelijke lijn moet volgen. Er zijn tot 1.000 mitochondriën per cel, elk met vijf tot tien kopieën van zijn eigen genoom van 16.569 basenparen. Er kunnen dus wel 10.000 kopieën per cel zijn van het mtDNA-genoom. Dit resulteert in een veel grotere kans om mtDNA terug te vinden uit ernstig aangetaste overblijfselen.

Embalseming schept nog meer problemen. De formaldehyde in de balsemvloeistof denatureert niet alleen het DNA, maar zorgt er ook voor dat DNA-strengen aan elkaar en aan andere DNA-strengen worden gekruist, net als een opgeplakte bal ducttape. De schade is blijvend. De formaldehyde oxideert tot paraformaldehyde, dat de proteïnase K kan remmen die tijdens de extractie wordt gebruikt. Bij gebalsemde stoffelijke overschotten moet bij de extractie van aDNA dus niet alleen het probleem van degradatie door bacteriën bij de ontbinding en degradatie door blootstelling aan de elementen worden opgelost, maar ook de remming van het extractieproces door de aanwezigheid van geoxideerd formaldehyde. Er zijn protocollen ontwikkeld om te trachten de door het formaldehyde gevormde cross-links te verbreken. Deze omvatten het microgolfen en temperatuurcycli van botpoeder. Helaas kan dit protocol bij zeer fragiele specimens ook het DNA vernietigen. Wat meer succes heeft, is het botpoeder te weken in een PBS-oplossing die het paraformaldehyde naar de top laat drijven, terwijl het botpoeder naar de bodem zinkt. Zodra de paraformaldehyde is verwijderd, wordt het resterende botpoeder opgelost door een demineralisatieproces, waarbij DNA vrijkomt dat diep in de botmatrix verborgen zit en niet door het balsemproces is aangetast. Dit kan de opbrengst van aDNA verdubbelen.

De beste plaats om naar aDNA te zoeken is in het rotsbeen. Tanden zijn ook favoriet voor oud DNA. Glazuur is de hardste substantie in het lichaam en hoewel het geen DNA bevat, biedt het fysieke bescherming aan het tandbeen erin en helpt het om het DNA in het tandbeen te beschermen. Elk ander dicht compact bot, zoals een dijbeen of een ander lang bot, kan ook worden gebruikt.

Methodologie

• Marx V (2017). Genetica: nieuwe verhalen uit oud DNA. Nature Methods 14: 771-774. Online gepubliceerd 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). Hoe te vertellen of een oud DNA-onderzoek legitiem is? Violent Metaphors blog, 7 februari 2014
• Rohland N en Hofreiter M (2007). Extractie van oud DNA uit botten en tanden. Nature Protocols 2 1756-1762.

Published online: 12 July 2007 | doi:10.1038/nprot.2007.247

• Gilbert, M TP; Bandelt H-J, Hofreiter M, Barnes I (2005). Beoordeling van oude 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 analyses van oud DNA. Annual Review of Genetics 38: 645-679. Bevat een overzicht van de criteria voor authenticiteit.
• Cooper, A and Poinar, HN (2000). Oud DNA: Doe het goed of doe het helemaal niet. Science; 289 1139.

Databases

• 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. Inleiding tot het antieke DNA (van het Internet Archive). De website Ancestral Journeys, onderhouden door wijlen Jean Manco. Bevat links naar tabellen met resultaten van verschillende oude DNA-studies, inclusief grafieken van mitochondriale en Y-chromosoom haplogroepen die uit historische en prehistorische menselijke overblijfselen zijn gehaald
• Een lijst van oude DNA Y-chromosoom studies van Dienekes’ blog

Nieuwsberichten

De Spitalfields Prinses

De “Spitalfields Prinses” werd gevonden op een Romeinse begraafplaats bij Spitalfields Market, Londen, Engeland, in 1999 en was het onderwerp van een BBC TV-programma “Meet the Ancestors”:

• Digging up the Romans: Discovering people at Spitalfields Market
• Girl power door Jenny Hall Classical Association News Nummer 24, juni 2001.
• Romeinse “yuppie” had Spaanse genen Steve Connor, The Independent, 2 augustus 1999.

Romeinse overblijfselen van Butt Road Cemetery, Colchester, Essex, Engeland

• Colchester Man
• Patricia Smith. “De geheimen van de genen van de Romano-Britten: Nieuwe gegevens uit oude botten”. The Colchester Archaeologist, Nummer 11, 1998, 18-19.
• Nina Crummy, Philip Crummy and Carl Cross. Opgravingen van Romeinse en latere begraafplaatsen, kerken en kloosterterreinen in Colchester, 1971-88 (46 megabytes)

Andere nieuwsberichten

• Eske Willerslev Is Rewriting History With DNA door Carl Zimmer, New York Times, 16 mei 2016.
• What’s old is new again door Bob Grant, The Scientist, 1 juni 2015.
• Ancient DNA tells a new human story door Matt Ridley, Wall Street Journal, 1 mei 2015.
• Menselijke evolutie: de Neanderthaler in de familie door Ewen Callaway, Nature News and Comment, 26 maart 2014
• Opschonen oud DNA
• Tand geeft oudste menselijke mtDNA prijs
• Uitgestorven holenbeer mtDNA gesequenced
• Genetische karakterisering van het lichaam toegeschreven aan de evangelist Lucas
• Ontrafeling van het mummie-mysterie -. met behulp van DNA
• De mitochondriale afstamming van Ötzi lijkt niet op die van andere Europeanen
• De familiegeheimen van koning Toet en de vloek van het DNA van de farao
• “Beter” DNA uit fossiele botten door Alison Ross, BBC News, 19 september 2005
• Oeroud haar geeft zijn DNA-geheimen prijs door Anna Salleh, ABC Science Online, 22 juni 2004

Wetenschappelijke artikelen

• Wagner JK et al (2020). Fostering responsible research on ancient DNA. American Journal of Human Genetics 107 (2): 183-195.
• Kivisild T (2017). De studie van menselijke Y-chromosoom variatie door middel van oud DNA. Menselijke Genetica. Online gepubliceerd 4 maart 2017. Een nuttig overzichtsartikel.
• Krause J, Pääbo S (2016). Genetisch tijdreizen. Genetica 203(1): 9-12.
• Van mammoeten tot Neandertalers, oud DNA ontsluit de mysteries van het verleden Een speciaal nummer van Science gewijd aan oud DNA, 23 juli 2015.
• Ancient DNA: the first three decades A discussion meeting issue of the Royal Society’s Philosophical Transactions B organised and edited by Erika Hagelberg, Michael Hofreiter and Christine Keyser
• Luca Ermini, Clio Der Sarkissian, Eske Willerslev, Ludovic Orlando. Grote overgangen in de menselijke evolutie revisited: Een eerbetoon aan oud DNA. Journal of Human Evolution (in druk). Online beschikbaar 19 december 2014. Een uitstekend, uitgebreid overzichtsartikel.
• Guido Brandt, Szécsényi-Nagy, Christina Roth, Kurt Werner Alt, Wolfgang Haak (2014). Human paleogenetics of Europe – The known knowns and the known unknowns. Journal of Human Evolution (in druk). Online beschikbaar 13 november 2014. Een overzichtsartikel dat zich vooral richt op oude DNA-bevindingen van mitochondriaal DNA en Y-DNA.
• Pickrell J, Reich D (2014). Naar een nieuwe geschiedenis en geografie van menselijke genen geïnformeerd door oud DNA. Trends in Genetics 2014; 30 (9): 377-389 (abonnement vereist). Beschikbaar als preprint bij BioRxiv.
• Ermanno Rizzi, Martina Lari, Elena Gigli, Gianluca De Bellis en David Caramelli. Oude DNA-studies: nieuwe perspectieven op oude stalen. Genetics Selection Evolution 2012, 44:21. Een zeer goed overzichtsartikel over de geschiedenis van oude DNA-studies.
• Christiane Maria Bauera, Martin Bodnera, Harald Niederstättera, Daniela Niederwiesera, Gabriela Hubera, Petra Hatzer-Grubwiesera, Karl Holubarb, Walther Parsona. Moleculair genetisch onderzoek naar Oostenrijks beschermheilige 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. Evidence of Authentic DNA from Danish Viking Age Skeletons Untouched by Humans for 1,000 Years. 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.

Projecten

• Romeins DNA Project
• Zwitsers Mummie Project

Verder lezen

• ISOGG pagina over beroemd mtDNA
• ISOGG pagina over oud mtDNA
• Wikipedia lijst met haplogroepen van historische en beroemde figuren
• Wikipedia artikel over oud DNA
• Hoe lang gaat DNA mee? door Forrest Wickman. Slate, 5 februari 2013.

Boeken

• Terry Brown en Kerry Brown. Biomoleculaire Archeologie: An Introduction. Wiley-Blackwell, februari 2011.
• Elizabeth Matisoo-Smith and K. Ann Horsburgh. DNA voor archeologen. Left Coast Press, november 2012.
• Svante Pääbo. Neanderthaler Man: In Search of Lost Genomes. Basic Books, New York, 2014.

Blogposts

• Graaf je voorouders op – citizen science meets ancient DNA door Maurice Gleeson, DNA and Family Tree Research, 11 augustus 2020.
• aDNA in the life door Tom Booth. Dag van de Archeologie website, 28 juli 2017.
• De hype cycle van oud DNA door Patrícia Pečnerová, The Molecular Ecologist, 20 april 2017.
• Petrous bone is the new black door Patrícia Pečnerová, The Molecular Ecologist, 22 februari 2016.
• Palaeogenomes – are they influencing us a bit too much? door Tom Gilbert, OpenQuaternary Discussions blog, 6 oktober 2014.
• Dag 1 op de Royal Society’s 2013 Ancient DNA meeting door Debbie Kennett, Cruwys News blog, 21 november 2013.
• Dag 2 op de Royal Society’s 2013 Ancient DNA meeting door Debbie Kennett, Cruwys News blog, 21 november 2013.

Forums en sociale media

• Facebook Ancient DNA Group
• Google+ Ancient DNA Community

Resources

• Ancient European ancient DNA Een Eupedia pagina met Y-DNA en mtDNA haplogroep frequenties in oude DNA monsters in Europa
• Kaart van oud DNA Een open source kaart die met een beschrijving en de locatie van alle tot nu toe gevonden oude DNA monsters toont.
• Online Ancient Genome Repository Een open access repository voor oude menselijke DNA-gegevens.
• Oude DNA-monsters op GedMatch Felix Immanuel heeft een aantal van de openbaar beschikbare ruwe bestanden van oud DNA verwerkt en naar hen geüpload GEDMatch voor vergelijkingsdoeleinden.

Zie ook

• Beroemd DNA: Inleiding
• Oeroud DNA
• DNA van beroemdheden
• Betwist of betwist DNA
• Mitochondriaal DNA
• Neanderthaler DNA
• Royaal DNA
• Amerikaans presidentieel DNA
• Y-chromosoom DNA