Войти
Сшитая ДНК, извлеченная из 4000-летней печени древнеегипетского жреца Нехт-Анха. Древняя ДНК (aDN A) - это ДНК, выделенная из древних образцов. Из-за процессов деградации (включая перекрестное связывание, дезаминирование и фрагментацию ) древняя ДНК более разрушается по сравнению с современным генетическим материалом. Даже при наилучших условиях хранения существует верхняя граница в 0,4–1,5 миллиона лет для образца, содержащего ДНК, достаточную для технологий секвенирования. Генетический материал был извлечен из палео / археологических и исторических скелетных материалов, мумифицированных тканей, архивных коллекций незамороженных медицинских образцов, сохранившихся остатков растений, льда и кернов вечной мерзлоты, морских и озерные отложения и земляные грязи.
Первое исследование того, что впоследствии будет называться аДНК, было проведено в 1984 году, когда Расс Хигучи и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли сообщил, что следы ДНК из музейного образца Quagga не только остались в образце через 150 лет после смерти человека, но и могли быть извлечены и секвенированы. В течение следующих двух лет, исследуя естественные и искусственно мумифицированные образцы, Сванте Пяабо подтвердил, что это явление не ограничивается относительно недавними музейными образцами, но, очевидно, может быть воспроизведено в диапазоне мумифицированных образцы человека, датируемые несколькими тысячами лет.
Трудоемкие процессы, которые требовались в то время для секвенирования такой ДНК (посредством бактериального клонирования ), были эффективным тормозом для развития поля древней ДНК (аДНК). Однако с разработкой полимеразной цепной реакции (ПЦР) в конце 1980-х эта область стала быстро развиваться. ПЦР-амплификация аДНК с двойным праймером (ПЦР с прыжком) может приводить к сильно искаженным и неаутентичным артефактам последовательности. Множественные праймеры, вложенная стратегия ПЦР была использована для преодоления этих недостатков.
Эпоха пост-ПЦР ознаменовала волну публикаций, поскольку многочисленные исследовательские группы заявляли об успехе в выделении аДНК. Вскоре была опубликована серия невероятных открытий, в которых утверждалось, что подлинная ДНК может быть извлечена из образцов, которым миллионы лет, в области того, что Линдал (1993b) назвал допотопной ДНК. Большинство таких заявлений было основано на извлечении ДНК организмов, сохранившихся в янтаре. Считается, что насекомые, такие как безжалостные пчелы, термиты и лесные мошки, а также последовательности растений и бактерий были добыты из доминиканского янтаря, относящегося к олигоценовой эпохе. Еще более древние источники долгоносиков, заключенные в ливанский янтарь, относящиеся к эпохе мелового периода, по сообщениям, также дали подлинную ДНК. Заявления об извлечении ДНК не ограничивались янтарем.
Были опубликованы сообщения о нескольких сохранившихся в осадках остатках растений, относящихся к миоцену. Затем в 1994 году Woodward et al. сообщил о том, что на тот момент называлось самыми захватывающими результатами на сегодняшний день - последовательностями митохондриального цитохрома b, которые, по-видимому, были извлечены из костей динозавров, датируемых более 80 миллионами лет назад. Когда в 1995 году еще два исследования сообщили о последовательностях ДНК динозавров, извлеченных из мелового яйца, казалось, что эта область произведет революцию в знаниях об эволюционном прошлом Земли. Даже этот необычайный возраст был превышен заявленным извлечением последовательностей галобактерий возрастом 250 миллионов лет из галита.
По мере того, как в этой области стало лучше пониматься кинетика сохранения ДНК, риски загрязнения образцов и другие осложнения. Факторы, наряду с неудачей попыток воспроизвести многие выводы, все десятилетние утверждения об аДНК возрастом в несколько миллионов лет будут отклонены как недостоверные результаты.
Единичные Амплификация с удлинением праймера была введена в 2007 году для устранения посмертных повреждений, вызванных модификацией ДНК. С 2009 года в области исследований аДНК произошла революция с введением гораздо более дешевых исследовательских методов, что привело к новому пониманию миграции людей. Использование высокопроизводительных методов секвенирования следующего поколения (NGS) в области исследований древней ДНК было важным для реконструкции геномов древних или вымерших организмов. Метод подготовки библиотеки одноцепочечной ДНК (оцДНК) вызвал большой интерес у исследователей древней ДНК (аДНК).
В дополнение к этим техническим инновациям в начале десятилетия в этой области начали разрабатываться лучшие стандарты и критерии для оценки результатов ДНК, а также лучшее понимание потенциальных ловушек.
Из-за процессов деградации (включая перекрестное связывание, дезаминирование и фрагментация) древняя ДНК имеет более низкое качество по сравнению с современным генетическим материалом. Характеристики повреждений и способность аДНК выживать во времени ограничивают возможные анализы и устанавливают верхний предел возраста успешных образцов. Существует теоретическая корреляция между временем и деградацией ДНК, хотя различия в условиях окружающей среды усложняют ситуацию. Маловероятно, что образцы, подвергшиеся воздействию различных условий, предсказуемо соответствуют однородному соотношению возраст-деградация. Воздействие на окружающую среду может даже иметь значение после раскопок, поскольку скорость распада ДНК может увеличиваться, особенно при меняющихся условиях хранения. Даже при наилучших условиях хранения существует верхняя граница 0,4–1,5 миллиона лет для образца, содержащего достаточно ДНК для современных технологий секвенирования.
Исследование распада митохондрий и ядерная ДНК в костях Moa смоделировала деградацию митохондриальной ДНК до средней длины 1 пары оснований через 6 830 000 лет при температуре -5 ° C. Кинетика распада была измерена в экспериментах по ускоренному старению, что еще раз продемонстрировало сильное влияние температуры и влажности хранения на распад ДНК. Ядерная ДНК разлагается как минимум в два раза быстрее, чем мтДНК. Таким образом, ранние исследования, в которых сообщалось об извлечении гораздо более древней ДНК, например, из останков мелового динозавра, могли быть связаны с загрязнением образца.
Критический обзор древней литературы по ДНК посредством развития этой области подчеркивает, что немногие исследования после 2002 г. преуспели в амплификации ДНК из останков, возраст которых превышает несколько сотен тысяч лет. Повышенное понимание рисков загрязнения окружающей среды и исследования химической стабильности ДНК привели к обеспокоенности по поводу ранее опубликованных результатов. Позже выяснилось, что предполагаемая ДНК динозавра является человеческой Y-хромосомой, в то время как ДНК инкапсулированных галобактерий подверглась критике за ее сходство с современными бактериями, что указывает на контаминацию. Исследование 2007 года также предполагает, что эти образцы бактериальной ДНК, возможно, не сохранились с древних времен, но вместо этого могут быть продуктом долгосрочной низкоуровневой метаболической активности.
аДНК может содержать большое количество посмертных мутаций, увеличивающееся со временем. Некоторые области полинуклеотита более восприимчивы к этой деградации, поэтому данные последовательности могут обходить статистические фильтры, используемые для проверки достоверности данных. Из-за ошибок секвенирования следует проявлять большую осторожность при интерпретации размера популяции. Замены, возникающие в результате дезаминирования остатков цитозина, значительно преобладают в древних последовательностях ДНК. Ошибочное кодирование C в T и G в A является причиной большинства ошибок.
Другая проблема с Образцы древней ДНК загрязнены современной ДНК человека и микробной ДНК (большая часть которой также является древней). В последние годы появились новые методы предотвращения возможного загрязнения образцов аДНК, в том числе проведение экстракций в экстремальных стерильных условиях, использование специальных адаптеров для идентификации эндогенных молекул образца (по сравнению с молекулами, которые могли быть введены во время анализа) и применение биоинформатики к полученным результатам. последовательности, основанные на известных считываниях в порядке приблизительной скорости загрязнения.
Несмотря на проблемы, связанные с «допотопной» ДНК, в настоящее время имеется широкий и постоянно увеличивающийся диапазон последовательностей аДНК. были опубликованы для ряда животных и растений таксонов. Исследуемые ткани включают искусственно или естественным образом мумифицированные останки животных, кости, палеофекалии, образцы, консервированные спиртом, остатки грызунов, высушенные остатки растений и недавно полученные экстракты ДНК животных и растений непосредственно из образцов почвы.
В июне 2013 года группа исследователей, в которую входили Эске Виллерслев, Маркус Томас Пиус Гилберт и Орландо Людовик из Центра геогенетики, Музея естественной истории из Дании в Университете Копенгагена объявили, что они секвенировали ДНК лошади возрастом 560–780 тысяч лет, используя материал, извлеченный из кости ноги, найденной в вечной мерзлоте на территории Канады Юкон.
В 2013 году немецкая команда реконструировала митохондриальный геном Ursus deningeri возрастом более 300000 лет, доказывая, что подлинная древняя ДНК может сохраняться в течение сотен тысяч лет вне вечной мерзлоты.
В 2016 году исследователи измерили ДНК хлоропластов в морских ядра эдимента и обнаружена ДНК диатомовых водорослей, возраст которой составляет 1,4 миллиона лет. Эта ДНК имела период полураспада значительно дольше, чем в предыдущих исследованиях, до 15000 лет. Команда Киркпатрика также обнаружила, что ДНК распадалась только с периодом полураспада примерно до 100 тысяч лет, после чего она следовала более медленной, степенной скорости распада.
Из-за из-за значительного антропологического, археологического и общественного интереса, направленного на человеческие останки, они привлекли значительное внимание сообщества ДНК. Существуют также более серьезные проблемы загрязнения, поскольку образцы принадлежат к тому же виду, что и исследователи, собирающие и оценивающие образцы.
Из-за морфологической сохранности мумий во многих исследованиях 1990-х и 2000-х годов мумифицированная ткань использовалась как источник древней человеческой ДНК. Примеры включают как экземпляры, сохранившиеся естественным образом, например, сохранившиеся во льду, такие как Эци, ледяной человек, так и в результате быстрого высыхания, такие как высокогорные мумии из Анд, как а также различные источники искусственно сохраненных тканей (например, химически обработанные мумии Древнего Египта). Однако мумифицированные останки - ограниченный ресурс. Большинство исследований аДНК человека сосредоточено на извлечении ДНК из двух источников, которые гораздо чаще встречаются в археологических памятниках - кости и зубы. Кость, которая чаще всего используется для выделения ДНК, - это каменная кость, поскольку ее плотная структура обеспечивает хорошие условия для сохранения ДНК. Несколько других источников также обнаружили ДНК, в том числе палеофекалии и волосы. Загрязнение остается серьезной проблемой при работе с древним человеческим материалом.
Древний патоген ДНК была успешно извлечена из образцов, возраст которых превышает 5000 лет у людей и 17000 лет назад у других видов. В дополнение к обычным источникам мумифицированной ткани, костей и зубов, в таких исследованиях также был изучен ряд других образцов тканей, включая кальцинированную плевру, ткань, заключенную в парафин и фиксированная формалином ткань. Были разработаны эффективные вычислительные инструменты для анализа аДНК патогенов и микроорганизмов в малом (QIIME ) и большом (FALCON ) масштабе.
Приняв превентивные меры в своей процедуре против такого загрязнения, в исследовании 2012 года были проанализированы образцы костей группы неандертальцев в пещере Эль-Сидрон, что позволило потенциальное родство и генетическое разнообразие от аДНК. В ноябре 2015 года ученые сообщили об обнаружении 110000-летнего зуба, содержащего ДНК денисовского гоминина, вымершего вида человека в роду Homo.
Исследование внесло новую сложность в заселение Евразии. Он также раскрыл новую информацию о связях между предками выходцев из Центральной Азии и коренными народами Америки. В Африке более старая ДНК быстро деградирует из-за более теплого тропического климата, хотя в сентябре 2017 года были обнаружены образцы древней ДНК возрастом 8 100 лет.
Более того, древняя ДНК помогла исследователям оценить современное человеческое расхождение. Секвенировав африканские геномы трех охотников-собирателей каменного века (возраст 2000 лет) и четырех фермеров железного века (возраст 300-500 лет), Шлебуш и его коллеги смогли отодвинуть дату самого раннего расхождения между человеческими популяциями до 350000–260000 лет. тому назад.
