Forntida DNA

Ancient DNA (aDNA) avser studiet av DNA som utvunnits från exemplar som dött för flera decennier, hundratals eller ibland tusentals år sedan. Som exempel kan nämnas analys av DNA från arkeologiska fynd, museiföremål, fossila lämningar och andra ovanliga exemplar. I allmänhet har dessa exemplar inte bevarats för genetiska och genomiska studier. De tekniker som används för att extrahera aDNA kan användas i alla situationer där DNA har försämrats så mycket att konventionella tekniker för extraktion av färskt DNA inte kan användas. Praktiskt sett avser termen aDNA DNA:s tillstånd, inte nödvändigtvis dess ålder.

Tekniker

Det krävs olika tekniker för att extrahera gammalt DNA, och extraktionen måste därför hanteras vid ett specialiserat aDNA-laboratorium. Ett färskt DNA-prov kan vara i storleksordningen mikrogram. Om laboratoriet utsätts för låga nivåer av främmande DNA i storleksordningen nanogram eller pikogram kommer kontamineringen inte att synas i resultaten. Däremot är ett aDNA-prov vanligtvis i storleksordningen nanogram eller till och med pikogram, så att extra nanogram eller pikogram av kontaminering kan vara ödesdigert för analysen.

Problemet med aDNA-extraktion är helt enkelt att DNA är en mycket komplex struktur som bryts ner så snart organismen dör på grund av bakterier som får liket att förmultna. Detta påskyndas om DNA:t utsätts för ”elementen” och eventuella kemikalier som kan finnas närvarande (t.ex. balsameringsvätska). De äldsta exemplar som har gett aDNA tenderar att hittas i svala, torra klimat på hög höjd, vilket bidrog till att fördröja bakteriearbetet och hålla DNA:t borta från värme och fukt.

Y-kromosomen är nästan 60 miljoner baspar lång och det finns bara en per cell. DNA-analysen av Y- kromosomenet beror på att man måste extrahera tillräckligt med DNA från vissa regioner inom dessa 60 miljoner baspar för att kunna analysera det. För mycket nedbrutna kvarlevor är det mycket osannolikt att tillräckligt mycket av rätt Y överlever för analys.

Det finns en mycket större chans att återfå tillräckligt mycket mitokondrie-DNA (mtDNA) för en identifiering. Detta gör det lättare för laboratoriet att utvinna användbart DNA, men mycket svårare för släktforskarna som letar efter släktreferensen, eftersom man måste följa den kvinnliga linjen. Det finns upp till 1 000 mitokondrier per cell, var och en med fem till tio kopior av sitt eget arvsmassa på 16 569 baspar. Därför kan det finnas så många som 10 000 kopior per cell av mtDNA-genomet. Detta resulterar i en mycket högre sannolikhet att återfå mtDNA från allvarligt nedbrutna kvarlevor.

Embalmering skapar ytterligare problem. Den formaldehyd som finns i balsameringsvätska denaturerar inte bara DNA, utan får också DNA-strängar att korslänka sig själva och andra DNA-strängar, ungefär som en hoprullad boll av tejp. Skadan är permanent. Formaldehydet oxideras till paraformaldehyd, som kan hämma Proteinase K som används under extraktionen. När det gäller balsamerade kvarlevor måste extraktionen av aDNA alltså övervinna problemen med nedbrytning genom bakterier som är inblandade i nedbrytningen och nedbrytning på grund av exponering för elementen, förutom att extraktionsprocessen hämmas av närvaron av oxiderad formaldehyd. Det har utvecklats protokoll för att försöka bryta de tvärbindningar som bildas av formaldehyd. Dessa innebär mikrovågsugning och temperaturcykling av benpulver. Tyvärr kan detta protokoll för mycket ömtåliga exemplar också förstöra DNA:t. Det som har varit mer framgångsrikt är att blötlägga benpulvret i en PBS-lösning som gör att paraformaldehydet flyter upp till toppen och benpulvret sjunker till botten. När paraformaldehydet avlägsnas löses det återstående benpulvret upp med en demineraliseringsprocess, vilket frigör DNA som gömmer sig djupt i benmatrisen och som inte har påverkats av balsameringsprocessen. Detta kan fördubbla utbytet av aDNA.

Det bästa stället att leta efter aDNA är i petrusbenet. Tänder är också att föredra när det gäller forntida DNA. Emalj är den hårdaste substansen i kroppen och även om den inte innehåller DNA ger den ett fysiskt skydd för dentinet i den och bidrar till att skydda DNA i dentinet. Något annat tätt kompakt ben, till exempel ett lårben eller ett annat långt ben, kan också användas.

Metodik

• Marx V (2017). Genetik: nya berättelser från forntida DNA. Nature Methods 14: 771-774. Publicerad online 24 juli 2017. An overview of current ancient DNA methdology and findings.
• Hansen HH , Damgaard PB , Margaryan A et al (2017). Jämförelse av forntida DNA-bevarande i petrusben och tandcementum. PLOS One published online 27 January 2017.
• Orlando L, Gilbert MTP, Willerslev E (2015). Rekonstruktion av forntida genom och epigenom. Nature Reviews Genetics. Publicerad online 09 juni 2015.
• Raff, Jennifer (2014). Hur vet man om en forntida DNA-studie är legitim? Violent Metaphors blog, 7 februari 2014
• Rohland N and Hofreiter M (2007). Utvinning av forntida DNA från ben och tänder. Nature Protocols 2 1756-1762.

Publicerad online: 12 juli 2007 | doi:10.1038/nprot.2007.247

• Gilbert, M TP; Bandelt H-J, Hofreiter M, Barnes I (2005). Bedömning av gamla DNA-studier. 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). Genetiska analyser av gammalt DNA. Annual Review of Genetics 38: 645-679. Innehåller en översikt över kriterierna för äkthet.
• Cooper, A and Poinar, HN (2000). Ancient DNA: Do It Right or Not at All. Science; 289 1139.

Databaser

• 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. Introduktion till forntida DNA (från Internet Archive). Webbplats Ancestral Journeys som underhålls av den avlidne Jean Manco. Innehåller länkar till tabeller som dokumenterar resultat från olika forntida DNA-studier, inklusive tabeller över mitokondriella och Y-kromosomala haplogrupper som tagits fram från historiska och förhistoriska mänskliga kvarlevor
• En lista över antika DNA Y-kromosomala studier från Dienekes blogg

Nyhetsartiklar

The Spitalfields Princess

Den så kallade ”Spitalfields-prinsessan” hittades på en romersk kyrkogård vid Spitalfields Market, London, England, 1999 och var föremål för BBC:s TV-program ”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, 2 augusti 1999.

Romerska kvarlevor från Butt Road Cemetery, Colchester, Essex, England

• Colchester Man
• Patricia Smith. ”Romano-briternas hemligheter”: Nya uppgifter från gamla ben”. The Colchester Archaeologist, nummer 11, 1998, 18-19.
• Nina Crummy, Philip Crummy och Carl Cross. Excavations of Roman and later cemeteries, churches and monastic sites in Colchester, 1971-88 (46 megabytes)

Andra nyheter

• Eske Willerslev Is Rewriting History With DNA av Carl Zimmer, New York Times, 16 maj 2016.
• What’s old is new again av Bob Grant, The Scientist, 1 juni 2015.
• Ancient DNA tells a new human story av Matt Ridley, Wall Street Journal, 1 maj 2015.
• Människans utveckling: Neandertalaren i familjen av Ewen Callaway, Nature News and Comment, 26 mars 2014
• Sanering av forntida DNA
• Tand ger äldsta mänskliga mtDNA
• Extinkta grottbjörns mtDNA sekvenserat
• Genetisk karakterisering av den kropp som tillskrivs evangelisten Lukas
• Uppklarandet av mumiemysteriet – med hjälp av DNA
• Ötzis mitokondriella släktlinje är inte som andra européer
• King Tut’s family secrets and Curse of the Pharaoh’s DNA
• ”Bättre” DNA ur fossila ben av Alison Ross, BBC News, 19 september 2005
• Ancient hair gives up its DNA secrets av Anna Salleh, ABC Science Online, 22 juni 2004

Scientific papers

• Wagner JK et al (2020). Främjande av ansvarsfull forskning om gammalt DNA. American Journal of Human Genetics 107 (2): 183-195.
• Kivisild T (2017). Undersökning av mänsklig Y-kromosomvariation med hjälp av gammalt DNA. Human Genetics. Publicerad online 4 mars 2017. En användbar översiktsartikel.
• Krause J, Pääbo S (2016). Genetiska tidsresor. Genetics 203(1): 9-12.
• From mammoths to Neandertals, ancient DNA unlocks the mysteries of the past Ett specialnummer av Science ägnat åt forntida DNA, 23 juli 2015.
• Ancient DNA: the first three decades Ett diskussionsmötesnummer i Royal Society’s Philosophical Transactions B organiserat och redigerat av Erika Hagelberg, Michael Hofreiter och Christine Keyser
• Luca Ermini, Clio Der Sarkissian, Eske Willerslev, Ludovic Orlando. Viktiga övergångar i människans utveckling på nytt: En hyllning till gammalt DNA. Journal of Human Evolution (i tryck). Tillgänglig online den 19 december 2014. En utmärkt, omfattande översiktsartikel.
• 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 (i tryck). Tillgänglig online den 13 november 2014. En översiktsartikel som främst fokuserar på forntida DNA-fynd från mitokondrie-DNA och Y-DNA.
• Pickrell J, Reich D (2014). Mot en ny historia och geografi av mänskliga gener informerad av gammalt DNA. Trends in Genetics 2014; 30 (9): 377-389 (prenumeration krävs). Tillgänglig som ett preprint från BioRxiv.
• Ermanno Rizzi, Martina Lari, Elena Gigli, Gianluca De Bellis och David Caramelli. Studier av gammalt DNA: nya perspektiv på gamla prover. Genetics Selection Evolution 2012, 44:21. En mycket bra översiktsartikel om de gamla DNA-studiernas historia.
• Christiane Maria Bauera, Martin Bodnera, Harald Niederstättera, Daniela Niederwiesera, Gabriela Hubera, Petra Hatzer-Grubwiesera, Karl Holubarb, Walther Parsona. Molekylärgenetiska undersökningar av Österrikes skyddshelgon 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. Bevis på autentiskt DNA från danska vikingatida skelett som inte berörts av människor på 1 000 år. 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.

Projekt

• Roman DNA Project
• Swiss Mummy Project

Fortsatt läsning

• ISOGG-sida om berömda mtDNA
• ISOGG-sida om gammalt mtDNA
• Wikipedia-lista över haplogrupper hos historiska och kända personer
• Wikipedia-artikel om gammalt DNA
• Hur länge håller DNA? av Forrest Wickman. Slate, 5 februari 2013.

Böcker

• Terry Brown och Kerry Brown. Biomolekylär arkeologi: An Introduction. Wiley-Blackwell, februari 2011.
• Elizabeth Matisoo-Smith och 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.

Blogginlägg

• Digging up your ancestors – citizen science meets ancient DNA av Maurice Gleeson, DNA and Family Tree Research, 11 augusti 2020.
• aDNA in the life av Tom Booth. Arkeologidagens webbplats, 28 juli 2017.
• The hype cycle of ancient DNA av Patrícia Pečnerová, The Molecular Ecologist, 20 april 2017.
• Petrous bone is the new black av Patrícia Pečnerová, The Molecular Ecologist, 22 februari 2016.
• Palaeogenomes – are they influencing us a bit too much? av Tom Gilbert, OpenQuaternary Discussions blog, 6 oktober 2014.
• Day 1 at the Royal Society’s 2013 Ancient DNA meeting av Debbie Kennett, Cruwys News blog, 21 november 2013.
• Day 2 at the Royal Society’s 2013 Ancient DNA meeting av Debbie Kennett, Cruwys News blog, 21 november 2013.

Forum och sociala medier

• Facebook Ancient DNA Group
• Google+ Ancient DNA Community

Resurser

• Forntida europeiskt forntida DNA En Eupedia-sida som visar Y-.DNA och mtDNA haplogruppfrekvenser i antika DNA-prover i Europa
• Karta över antikt DNA En karta med öppen källkod som visar med en beskrivning och var alla antika DNA-prover som hittills hittats finns.
• Online Ancient Genome Repository Ett arkiv med öppen tillgång för data om forntida mänskligt DNA.
• Forntida DNA-prover på GedMatch Felix Immanuel har bearbetat några av de offentligt tillgängliga råfilerna för forntida DNA och laddat upp dem till dem GEDMatch för jämförelseändamål.

Se även

• Famous DNA: Introduktion
• Antika DNA
• Kelebritets-DNA
• Kontroversiellt eller diskutabelt DNA
• Mitokondrie-DNA
• Neanderthal-DNA
• Konungligt DNA
• DNA för USA:s presidenter
• Y-kromosom-DNA