Starożytne DNA

Starożytne DNA (aDNA) odnosi się do badania DNA wyekstrahowanego z okazów, które zmarły dziesiątki, setki, a czasem tysiące lat temu. Przykłady obejmują analizę DNA odzyskanego ze znalezisk archeologicznych, okazów muzealnych, szczątków kopalnych i innych niezwykłych okazów. Na ogół okazy te nie były konserwowane dla celów badań genetycznych i genomicznych. Techniki stosowane w ekstrakcji aDNA mają zastosowanie w każdej sytuacji, w której DNA uległo degradacji w stopniu uniemożliwiającym zastosowanie konwencjonalnych technik ekstrakcji świeżego DNA. Praktycznie rzecz biorąc, termin aDNA odnosi się do stanu DNA, niekoniecznie do jego wieku.

Techniki

Do ekstrakcji starożytnego DNA wymagane są różne techniki, a zatem ekstrakcja musi być przeprowadzana w specjalistycznym laboratorium aDNA. Świeża próbka DNA może być rzędu mikrogramów. Jeśli laboratorium jest narażone na niskie poziomy obcego DNA rzędu nanogramów lub pikogramów, skażenie nie będzie widoczne w wynikach. Natomiast próbka aDNA jest zazwyczaj rzędu nanogramów lub nawet pikogramów, więc dodatkowe nanogramy lub pikogramy skażenia mogą być fatalne dla analizy.

Problem z ekstrakcją aDNA polega po prostu na tym, że DNA jest bardzo złożoną strukturą, która ulega degradacji, gdy tylko organizm umiera z powodu bakterii, które powodują rozkład zwłok. Jest to przyspieszone, jeśli DNA jest wystawione na działanie „żywiołów” i wszelkich substancji chemicznych, które mogą być obecne (takich jak płyn balsamujący). Najstarsze okazy, które dały aDNA mają tendencję do znajdowania się w chłodnym, suchym klimacie na dużych wysokościach, które pomogły opóźnić działanie bakterii i utrzymywały DNA z dala od ciepła i wilgoci.

Chromosom Y jest prawie 60 milionów par zasad długi i jest tylko jeden na komórkę. Analiza DNA z Y zależy od wyodrębnienia wystarczającej ilości DNA z określonych regionów w obrębie tych 60 milionów par zasad do analizy. Dla wysoce zdegradowanych szczątków, jest wysoce nieprawdopodobne, że wystarczająca ilość właściwego Y przetrwa do analizy.

Jest znacznie większa szansa na odzyskanie wystarczającej ilości mitochondrialnego DNA (mtDNA) do identyfikacji. To sprawia, że łatwiej jest laboratorium wyodrębnić użyteczne DNA, ale o wiele trudniej genealogom poszukującym odniesienia do rodziny, ponieważ trzeba podążać za linią żeńską. W każdej komórce znajduje się do 1000 mitochondriów, z których każde posiada od pięciu do dziesięciu kopii własnego genomu o długości 16 569 par zasad. Dlatego na jedną komórkę może przypadać aż 10 000 kopii genomu mtDNA. Powoduje to znacznie większe prawdopodobieństwo odzyskania mtDNA z silnie zdegradowanych szczątków.

Embalming stwarza dalsze problemy. Formaldehyd znajdujący się w płynie do balsamowania nie tylko denaturuje DNA, ale również powoduje, że nici DNA łączą się ze sobą i z innymi niciami DNA, podobnie jak zwinięta kulka taśmy klejącej. Uszkodzenie jest trwałe. Formaldehyd utlenia się do paraformaldehydu, który może zahamować działanie proteinazy K używanej podczas ekstrakcji. Tak więc w przypadku zabalsamowanych szczątków, ekstrakcja aDNA musi przezwyciężyć problemy związane z degradacją przez bakterie biorące udział w rozkładzie i degradacją spowodowaną ekspozycją na czynniki zewnętrzne, oprócz hamowania procesu ekstrakcji przez obecność utlenionego formaldehydu. Opracowano protokoły mające na celu próbę zerwania wiązań krzyżowych utworzonych przez formaldehyd. Polegają one na poddawaniu proszku kostnego działaniu mikrofal i cyklicznym zmianom temperatury. Niestety, w przypadku bardzo delikatnych okazów, protokół ten może zniszczyć również DNA. Bardziej skuteczne jest moczenie sproszkowanych kości w roztworze PBS, co pozwala paraformaldehydowi unosić się na powierzchni, a sproszkowanym kościom opadać na dno. Po usunięciu paraformaldehydu pozostały proszek kostny zostaje rozpuszczony w procesie demineralizacji, uwalniając DNA ukryte głęboko w macierzy kostnej, która nie została naruszona w procesie balsamowania. To może podwoić wydajność aDNA.

Najlepszym miejscem do szukania aDNA jest kość petrous. Zęby są również preferowane dla starożytnego DNA. Emalia jest najtwardszą substancją w organizmie i chociaż nie zawiera DNA, zapewnia fizyczną ochronę zębiny w jej obrębie i pomaga chronić DNA w zębinie. Każda inna gęsta kość zwarta, taka jak kość udowa lub inna kość długa, również może być użyta.

Metodologia

• Marx V (2017). Genetyka: nowe opowieści ze starożytnego DNA. Nature Methods 14: 771-774. Opublikowano online 24 lipca 2017 r. 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 stycznia 2017.
• Orlando L, Gilbert MTP, Willerslev E (2015). Reconstructing ancient genomes and epigenomes. Nature Reviews Genetics. Published online 09 czerwca 2015.
• Raff, Jennifer (2014). Jak stwierdzić, czy badanie starożytnego DNA jest prawomocne? Violent Metaphors blog, 7 lutego 2014
• Rohland N i Hofreiter M (2007). Ekstrakcja starożytnego DNA z kości i zębów. Nature Protocols 2 1756-1762.

Published online: 12 lipca 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). Analizy genetyczne na podstawie starożytnego DNA. Annual Review of Genetics 38: 645-679. Zawiera przegląd kryteriów autentyczności.
• Cooper, A i Poinar, HN (2000). Ancient DNA: Do It Right or Not at All. Science; 289 1139.

Bazy danych

• BODIES – The British and Irish On-line Database Index to Excavated human remainsS
• Evidence of the past: a map and status of ancient remains in the USA
• Jean Manco. Wprowadzenie do starożytnego DNA (z Archiwum Internetowego). Strona Ancestral Journeys prowadzona przez zmarłego Jeana Manco. Zawiera linki do tabel dokumentujących wyniki różnych badań starożytnego DNA, w tym wykresy haplogrup mitochondrialnych i Y-chromosomowych wyekstrahowanych z historycznych i prehistorycznych szczątków ludzkich
• Lista starożytnych badań DNA Y-chromosomowego z bloga Dienekesa

Nowe historie

Księżniczka ze Spitalfields

„Księżniczka ze Spitalfields” została znaleziona na rzymskim cmentarzu przy Spitalfields Market, Londyn, Anglia, w 1999 roku i była tematem programu telewizyjnego BBC „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. „Tajemnice genów Romano-Brytyjczyków: Nowe dane ze starych kości”. The Colchester Archaeologist, Number 11, 1998, 18-19.
• Nina Crummy, Philip Crummy i Carl Cross. Excavations of Roman and later cemeteries, churches and monastic sites in Colchester, 1971-88 (46 megabajtów)

Other news stories

• Eske Willerslev Is Rewriting History With DNA by Carl Zimmer, New York Times, 16 May 2016.
• What’s old is new again by Bob Grant, The Scientist, 1 czerwca 2015 r.
• Ancient DNA tells a new human story by Matt Ridley, Wall Street Journal, 1 maja 2015 r.
• Ewolucja człowieka: neandertalczyk w rodzinie przez Ewen Callaway, Nature News and Comment, 26 marca 2014
• Czyszczenie starożytnego DNA
• Ząb oddaje najstarsze ludzkie mtDNA
• Extinct cave bear mtDNA sequenced
• Genetyczna charakterystyka ciała przypisywanego ewangeliście Łukaszowi
• Unravelling the mummy mystery -… z wykorzystaniem DNA
• Rodowód mitochondrialny Ötziego nie jest taki jak innych Europejczyków
• Rodzinne tajemnice króla Tuta i klątwa DNA faraona
• „Lepsze” DNA z kości kopalnych autorstwa Alison Ross, BBC News, 19 września 2005
• Starożytne włosy zdradzają swoje sekrety DNA by Anna Salleh, ABC Science Online, 22 czerwca 2004

Prace naukowe

• Wagner JK et al (2020). Wspieranie odpowiedzialnych badań nad starożytnym DNA. American Journal of Human Genetics 107 (2): 183-195.
• Kivisild T (2017). Badanie zmienności ludzkiego chromosomu Y za pomocą starożytnego DNA. Human Genetics. Opublikowano online 4 marca 2017 r. Przydatny artykuł przeglądowy.
• Krause J, Pääbo S (2016). Genetyczne podróże w czasie. Genetics 203(1): 9-12.
• Od mamutów do neandertalczyków, starożytne DNA odblokowuje tajemnice przeszłości Specjalny numer Science poświęcony starożytnemu DNA, 23 lipca 2015 r.
• Ancient DNA: the first three decades A discussion meeting issue of the Royal Society’s Philosophical Transactions B organized and edited by Erika Hagelberg, Michael Hofreiter and 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 (w druku). Dostępny online 19 grudnia 2014. Doskonały, wyczerpujący artykuł przeglądowy.
• Guido Brandt, Szécsényi-Nagy, Christina Roth, Kurt Werner Alt, Wolfgang Haak (2014). Human paleogenetics of Europe – The knowns and the known unknowns. Journal of Human Evolution (w druku). Dostępny online 13 listopada 2014. Artykuł przeglądowy skupiający się głównie na starożytnych odkryciach DNA z mitochondrialnego DNA i Y-DNA.
• 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 (wymagana subskrypcja). Available as a preprint from BioRxiv.
• Ermanno Rizzi, Martina Lari, Elena Gigli, Gianluca De Bellis and David Caramelli. Ancient DNA studies: new perspectives on old samples. Genetics Selection Evolution 2012, 44:21. Bardzo dobry artykuł przeglądowy na temat historii starożytnych badań DNA.
• Christiane Maria Bauera, Martin Bodnera, Harald Niederstättera, Daniela Niederwiesera, Gabriela Hubera, Petra Hatzer-Grubwiesera, Karl Holubarb, Walther Parsona. Molekularne badania genetyczne nad patronem Austrii Leopoldem 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.

Projekty

• Roman DNA Project
• Swiss Mummy Project

Dalsza lektura

• StronaISOGG na temat słynnego mtDNA

.

• Strona ISOGG na temat starożytnego mtDNA
• Wikipedia lista haplogrup postaci historycznych i sławnych
• Wikipedia artykuł na temat starożytnego DNA
• Jak długo trwa DNA? autorstwa Forresta Wickmana. Slate, 5 lutego 2013.

Książki

• Terry Brown i Kerry Brown. Biomolecular Archaeology: An Introduction. Wiley-Blackwell, February 2011.
• Elizabeth Matisoo-Smith i K. Ann Horsburgh. DNA dla archeologów. Left Coast Press, listopad 2012.
• Svante Pääbo. Neanderthal Man: In Search of Lost Genomes (Człowiek neandertalski: w poszukiwaniu zaginionych genomów). Basic Books, New York, 2014.

Blog posts

• Digging up your ancestors – citizen science meets ancient DNA by Maurice Gleeson, DNA and Family Tree Research, 11 sierpnia 2020.
• aDNA in the life by Tom Booth. Day of Archaeology website, 28 lipca 2017.
• The hype cycle of ancient DNA by Patrícia Pečnerová, The Molecular Ecologist, 20 kwietnia 2017.
• Petrous bone is the new black by Patrícia Pečnerová, The Molecular Ecologist, 22 lutego 2016.
• Palaeogenomy – czy wpływają na nas trochę za bardzo? by Tom Gilbert, blog OpenQuaternary Discussions, 6 października 2014.
• Day 1 at the Royal Society’s 2013 Ancient DNA meeting by Debbie Kennett, blog Cruwys News, 21 listopada 2013 r.
• Day 2 at the Royal Society’s 2013 Ancient DNA meeting by Debbie Kennett, blog Cruwys News, 21 listopada 2013 r.

Forumy i media społecznościowe

• Facebook Ancient DNA Group
• Google+ Ancient DNA Community

Resources

• Starożytne europejskie starożytne DNA A Eupedia page showing Y-.DNA i częstotliwości haplogrup mtDNA w starożytnych próbkach DNA w Europie
• Mapa starożytnego DNA Mapa open source pokazująca z opisem i lokalizacją wszystkie starożytne próbki DNA znalezione do tej pory.
• Online Ancient Genome Repository Otwarte repozytorium dostępu do danych starożytnego ludzkiego DNA.
• Starożytne próbki DNA w GedMatch Felix Immanuel przetworzył niektóre z publicznie dostępnych surowych plików starożytnego DNA i przesłał do nich GEDMatch w celach porównawczych.

Zobacz także

• Słynne DNA: Introduction
• Ancient DNA
• Celebrity DNA
• Contested or debatable DNA
• Mitochondrial DNA
• Neanderthal DNA
• Royal DNA
• US Presidential DNA
• Y-chromosome DNA

.