Войти
Археогенетика - это исследование древняя ДНК с использованием различных молекулярно-генетических методов и ресурсов ДНК. Эта форма генетического анализа может применяться к образцам людей, животных и растений. Древнюю ДНК можно извлечь из различных окаменелых образцов, включая кости, яичную скорлупу и искусственно сохраненные ткани в образцах человека и животных. У растений древнюю ДНК можно извлечь из семян, тканей и в некоторых случаях из фекалий. Археогенетика предоставляет нам генетические свидетельства миграций древних популяций, одомашнивания и эволюции растений и животных. Древняя ДНК, имеющая перекрестные ссылки с ДНК относительных современных генетических популяций, позволяет исследователям проводить сравнительные исследования, которые обеспечивают более полный анализ, когда древняя ДНК подвергается опасности.
Археогенетика получила свое название от греческого слова arkhaios, что означает «древний» ", и термин" генетика ", означающий" изучение наследственности ". Термин «археогенетика» был придуман археологом Колином Ренфрю.
Людвик Хиршфельд был польским микробиологом и серологом, который был президентом Секции групп крови Второго Интернационала Конгресс переливания крови. Он основал группу крови наследование вместе с Эрихом фон Дунгерн в 1910 году и внес большой вклад в это на протяжении всей своей жизни. Он изучал группы крови ABO. В одном из своих исследований в 1919 году Хиршфельд задокументировал группы крови ABO и цвет волос людей на македонском фронте, что привело к его открытию, что цвет волос и группа крови не имеют корреляции. В дополнение к этому он заметил уменьшение группы крови А из Западной Европы в Индию и наоборот для группы крови В. Он выдвинул гипотезу, что соотношение групп крови восток-запад происходит от двух групп крови, состоящих в основном из А или B мутирует из группы крови O и смешивается посредством миграции или смешивания. Большая часть его работы посвящена исследованию связи групп крови с полом, болезнями, климатом, возрастом, социальным классом и расой. Его работа привела его к открытию, что язвенная болезнь была более доминирующей в группе крови O, и что у матерей с группой крови AB было высокое соотношение рождаемости от мужчин к женщинам.
Артур Мурант был британским гематологом и химиком. Он получил множество наград, в первую очередь членство Королевского общества. Его работа включала систематизацию существующих данных о частотах генов группы крови и внесение значительного вклада в генетическую карту мира посредством его исследования групп крови во многих популяциях. Мурант обнаружил новую группу крови антигены систем Льюиса, Хеншоу, Келла и резус, и проанализировали ассоциацию групп крови и различных других заболеваний. Он также сосредоточил внимание на биологическом значении полиморфизмов. Его работа послужила основой для археогенетики, поскольку она способствовала разделению генетических свидетельств биологических отношений между людьми. Это генетическое свидетельство ранее использовалось для этой цели. Он также предоставил материал, который может быть использован для оценки теорий популяционной генетики.
Уильям Бойд был американским иммунохимиком и биохимик, прославившийся своими исследованиями в области генетики рас в 1950-х годах. В течение 1940-х годов Бойд и Карл О. Ренконен независимо друг от друга обнаружили, что лектины по-разному реагируют на разные группы крови, после того, как обнаружили, что сырые экстракты бобов лима и вики хохлатые агглютинировали эритроциты группы крови A, но не группы крови B или O. В конечном итоге это привело к обнаружению тысяч растений, содержащих эти белки. Для изучения расовых различий и моделей распределения и миграции различных расовых групп Бойд систематически собирал и классифицировал образцы крови со всего мира, что привело к его открытию, что группы крови не зависят от окружающей среды, и передаются по наследству. В своей книге «Генетика и расы человека» (1950) Бойд разделил население мира на 13 различных рас, основываясь на их разных профилях групп крови и его идее о том, что человеческие расы - это популяции с разными аллелями. Одним из наиболее обширных источников информации о наследственных чертах, связанных с расой, остается изучение групп крови.
Ископаемое извлечение начинается с выбора место раскопок. Возможные места раскопок обычно идентифицируются по минералогии местоположения и визуальному обнаружению костей в этом районе. Однако есть и другие способы обнаружения зон раскопок с использованием таких технологий, как портативная рентгеновская флуоресценция и плотная стерео реконструкция. Используемые инструменты включают ножи, кисти и заостренные шпатели, которые помогают удалять окаменелости с земли.
Чтобы избежать загрязнение древней ДНК, образцы обрабатываются в перчатках и хранятся при -20 ° C сразу после раскопок. Проведение анализа образца окаменелости в лаборатории, которая не использовалась для других анализов ДНК, также может предотвратить заражение. Кости измельчают до порошка и обрабатывают раствором перед процессом полимеразной цепной реакции (ПЦР). Образцы для амплификации ДНК не обязательно могут быть ископаемыми костями. Консервированная кожа, консервированная в соли или высушенная на воздухе, также может использоваться в определенных ситуациях.
Сохранение ДНК затруднено, поскольку кость окаменелость разрушается, а ДНК химически модифицируется, обычно на бактерии и грибки в почве. Лучшее время для извлечения ДНК из окаменелостей - это когда они только что извлечены из земли, поскольку они содержат в шесть раз больше ДНК по сравнению с сохраненными костями. Температура места экстракции также влияет на количество доступной ДНК, о чем свидетельствует снижение успешности амплификации ДНК, если ископаемое находится в более теплых регионах. Резкое изменение окружающей среды окаменелости также влияет на сохранение ДНК. Поскольку раскопки вызывают резкое изменение окружающей среды окаменелости, это может привести к физико-химическим изменениям в молекуле ДНК. Кроме того, на сохранение ДНК также влияют другие факторы, такие как обработка обнаруженных окаменелостей (например, стирка, чистка щеткой и сушка на солнце), pH, облучение, химический состав костей и почвы и гидрология.. Выделяют три диагенетических фазы персеверации. Первая фаза - бактериальное гниение, которое, по оценкам, вызывает 15-кратную деградацию ДНК. Фаза 2 - химическая деградация кости, в основном за счет депуринации. Третья фаза диагенеза наступает после раскопок и хранения окаменелости, когда деградация костной ДНК происходит наиболее быстро.
После того, как образец взят на археологическом участке, ДНК может быть извлеченным с помощью ряда процессов. В одном из наиболее распространенных методов используется диоксид кремния и преимущества полимеразной цепной реакции для сбора древней ДНК из образцов костей.
Есть несколько проблем, которые добавляют к трудность при попытке извлечь древнюю ДНК из окаменелостей и подготовить ее к анализу. ДНК непрерывно расщепляется. Пока организм жив, эти трещины восстанавливаются; однако, как только организм умирает, ДНК начинает разрушаться без восстановления. Это приводит к образцам, имеющим нити ДНК размером около 100 пар оснований в длину. Загрязнение - еще одна серьезная проблема на нескольких этапах процесса. Часто в исходном образце присутствует другая ДНК, такая как бактериальная ДНК. Чтобы избежать заражения, необходимо принять множество мер предосторожности, таких как отдельные системы вентиляции и рабочие места для работы по извлечению древней ДНК. Лучше всего использовать свежие окаменелости, так как небрежная промывка может привести к росту плесени. ДНК, полученная из окаменелостей, также иногда содержит соединение, подавляющее репликацию ДНК. Достижение консенсуса в отношении того, какие методы лучше всего подходят для решения проблем, также сложно из-за отсутствия повторяемости, вызванной уникальностью образцов.
Экстракция ДНК на основе диоксида кремния - это метод, используемый в качестве этапа очистки для извлечения ДНК из археологических костей артефактов и получить ДНК, которую можно амплифицировать с помощью методов полимеразной цепной реакции (ПЦР). Этот процесс основан на использовании диоксида кремния как средства связывания ДНК и отделения ее от других компонентов ископаемого процесса, которые ингибируют амплификацию ПЦР. Однако сам диоксид кремния также является сильным ингибитором ПЦР , поэтому необходимо принять осторожные меры, чтобы гарантировать удаление диоксида кремния из ДНК после экстракции. Общий процесс извлечения ДНК с использованием метода на основе диоксида кремния описывается следующим образом:
Одно из основных преимуществ экстракции ДНК на основе диоксида кремния заключается в том, что он относительно быстрый и эффективный, требует только базового лабораторного оборудования и химикатов. Он также не зависит от размера выборки, так как процесс можно масштабировать для соответствия большим или меньшим количествам. Еще одно преимущество заключается в том, что процесс можно проводить при комнатной температуре. Однако у этого метода есть некоторые недостатки. В основном экстракция ДНК на основе диоксида кремния может применяться только к образцам костей и зубов; их нельзя использовать на мягких тканях. Хотя они хорошо работают с множеством различных окаменелостей, они могут быть менее эффективными с окаменелостями, которые не являются свежими (например, обработанные окаменелости для музеев ). Кроме того, контаминация создает риск для всей репликации ДНК в целом, и этот метод может привести к неверным результатам, если его применить к загрязненному материалу.
Полимеразная цепная реакция - это процесс, который может амплифицировать сегменты ДНК и часто используется для извлечена древняя ДНК. Он состоит из трех основных этапов: денатурация, отжиг и удлинение. Денатурация расщепляет ДНК на две отдельные цепи при высоких температурах. Отжиг включает прикрепление праймерных цепей ДНК к одиночным цепям, что позволяет полимеразе Taq прикрепляться к ДНК. Удлинение происходит, когда Taq-полимераза добавляется к образцу и сопоставляет пары оснований, чтобы превратить две одиночные нити в две полные двойные нити. Этот процесс повторяется много раз и обычно повторяется большее количество раз при использовании с древней ДНК. Некоторые проблемы с ПЦР заключаются в том, что она требует перекрывающихся пар праймеров для древней ДНК из-за коротких последовательностей. Также может быть «скачкообразная ПЦР», которая вызывает рекомбинацию во время процесса ПЦР, что может затруднить анализ ДНК в неоднородных образцах.
ДНК, выделенная из ископаемых останков, в первую очередь секвенируется с использованием массивного параллельного секвенирования, что позволяет одновременно амплифицировать и секвенировать все сегменты ДНК в образце, даже когда он сильно фрагментирован и имеет низкую концентрацию. Он включает присоединение общей последовательности к каждой отдельной нити, с которой могут связываться общие праймеры, и, таким образом, амплифицируется вся присутствующая ДНК. Обычно это более затратно и требует много времени, чем ПЦР, но из-за трудностей, связанных с амплификацией древней ДНК, он дешевле и эффективнее. Один метод массивного параллельного секвенирования, разработанный Маргулисом и др., Использует эмульсию на основе гранул ПЦР и пиросеквенирование и оказался эффективным при анализе аДНК, потому что она предотвращает потенциальную потерю образца, конкуренцию субстрата за шаблоны и распространение ошибок при репликации.
Наиболее распространенный способ анализа последовательности аДНК - это сравнение ее с известной последовательностью из других источников, и это может быть делается по-разному для разных целей.
Идентичность останков окаменелостей можно установить путем сравнения их последовательностей ДНК с последовательностями ДНК известных видов с помощью программного обеспечения, такого как BLASTN. Этот археогенетический подход особенно полезен, когда морфология окаменелости неоднозначна. Кроме того, идентификация видов может быть осуществлена путем поиска конкретных генетических маркеров в последовательности аДНК. Например, коренное население Америки характеризуется специфическими митохондриальными RFLP и делециями, определенными Wallace et al.
сравнительное исследование аДНК также может раскрыть эволюционные отношения между двумя видами. Число базовых различий между ДНК древнего вида и ДНК близкородственного современного вида можно использовать для оценки времени дивергенции этих двух видов от их последнего общего предка. Этим методом была построена филогения некоторых вымерших видов, таких как австралийские сумчатые волки и американские наземные ленивцы. Митохондриальная ДНК животных и ДНК хлоропластов в растениях обычно используется для этой цели, потому что они имеют сотни копий на клетку и, следовательно, более доступны в древних окаменелостях.
Другой метод исследования взаимосвязи между двумя видами - Гибридизация ДНК. Сегментам одноцепочечной ДНК обоих видов позволяют образовывать комплементарные пары, связывающиеся друг с другом. Более близкородственные виды имеют более похожий генетический состав и, следовательно, более сильный сигнал гибридизации . Scholz et al. провели саузерн-блот-гибридизацию на неандертальце аДНК (извлеченной из ископаемых остатков W-NW и Krapina). Результаты показали слабую гибридизацию древнего человека и неандертальца и сильную гибридизацию древнего человека и современного человека. Гибридизация человека-шимпанзе и неандертальца-шимпанзе имеет одинаково слабую силу. Это говорит о том, что люди и неандертальцы не так тесно связаны, как два человека одного и того же вида, но они больше связаны друг с другом, чем с шимпанзе.
Были также некоторые попытки расшифровать аДНК, чтобы предоставить ценные фенотипическая информация древних видов. Это всегда делается путем картирования последовательности аДНК на кариотип хорошо изученных близкородственных видов, которые имеют множество сходных фенотипических признаков. Например, Green et al. сравнили последовательность аДНК из окаменелости Vi-80 неандертальца с последовательностями X- и Y-хромосом современного человека, и они обнаружили сходство в 2,18 и 1,62 оснований на 10 000 соответственно, предполагая, что образец Vi-80 был от мужчины. Другие аналогичные исследования включают обнаружение мутации, связанной с карликовостью у Arabidopsis в древнем нубийском хлопке, и исследование локуса восприятия горького вкуса у неандертальцев.
Считается, что современные люди появились в Африке по крайней мере 200 тыс. Лет назад, с некоторыми свидетельствами, предполагающими дату более 300 тыс. Лет назад. Исследование митохондриальной ДНК (мтДНК), ДНК Y-хромосомы и ДНК X-хромосомы показывает, что самое раннее население, покинувшее Африку, состояло примерно из 1500 мужчин и женщин. В различных исследованиях было высказано предположение, что население было географически «структурировано» до некоторой степени до экспансии из Африки; на это указывает древность общих линий мтДНК. Одно исследование 121 населения из разных мест по всему континенту обнаружило 14 генетических и лингвистических «кластеров», что свидетельствует о древней географической структуре африканского населения. В целом, генотипический и фенотипический анализ показал, что они «большие и разделенные на протяжении большей части их эволюционной истории».
Генетический анализ подтвердил археологические гипотезы о крупномасштабной миграции носителей языка банту в Южную Африку примерно за 5 тыс. Лет назад. Микросателлитная ДНК, однонуклеотидный полиморфизм (SNP) и инсерционный / делеционный полиморфизм (INDELS) показали, что население, говорящее на нило-сахарском языке, происходит из Судана. Кроме того, есть генетические свидетельства того, что потомки носителей языка нило-сахарского происхождения, говорящие на чадском языке, мигрировали из Судана в озеро Чад около 8 тысяч лет назад. Генетические данные также показали, что неафриканское население внесло значительный вклад в африканский генофонд. Например, африканские беджа из Сахары имеют высокий уровень ближневосточной, а также восточноафриканской кушитской ДНК.
Анализ мтДНК показывает, что Евразия была занята в результате единственного миграционного события между 60 и 70 тыс. Лет назад. Генетические данные показывают, что заселение Ближнего Востока и Европы произошло не ранее 50 тыс. Лет назад. Изучение гаплогруппы U показало отдельные расселения с Ближнего Востока как в Европу, так и в Северную Африку.
Большая часть работы, проделанной в археогенетике, сосредоточена на неолитическом переходе в Европе. Проведенный Кавалли-Сворза анализ генетико-географических закономерностей привел его к выводу, что в начале неолита имел место массовый приток ближневосточного населения в Европу. Эта точка зрения побудила его «сделать упор на расширение ранних фермеров за счет коренного населения мезолита, собирающего пищу». Однако анализ мтДНК в 1990-х годах противоречил этой точке зрения. М.Б. Ричардс подсчитал, что 10–22% существующих европейских мтДНК пришли из ближневосточного населения во время неолита. Большинство мтДНК были «уже установлены» среди существующих групп мезолита и палеолита. Большинство «родословных» современной европейской мтДНК восходит к основному событию повторного заселения Северной Европы к концу Последнего ледникового максимума (LGM). Одно исследование сохранившихся европейских мтДНК предполагает, что эта повторная оккупация произошла после окончания LGM, хотя другое предполагает, что это произошло раньше. Анализ гаплогрупп V, H и U5 поддерживает модель «пионерской колонизации» европейской оккупации с включением кормящихся популяций в прибывающие неолитические популяции. Кроме того, анализ древней ДНК, а не только сохранившейся ДНК, проливает свет на некоторые проблемы. Например, сравнение ДНК эпохи неолита и мезолита показало, что развитие молочного животноводства предшествовало широко распространенной толерантности к лактозе.
Южная Азия служила основным ранним коридором для географического расселения современного человека из-за пределов Африки. Основываясь на исследованиях линии М мтДНК, некоторые предположили, что первыми жителями Индии были австро-азиатские колонии, вступившие в нее примерно 45–60 тыс. Лет назад. В генофонд Индии внесены вклады первых поселенцев, а также популяций Западной и Центральной Азии, мигрировавших не ранее 8 тыс. Лет назад. Отсутствие вариации в линиях мтДНК по сравнению с линиями Y-хромосомы указывает на то, что в этих миграциях участвовали в основном самцы. Открытие двух подветвлений U2i и U2e линии U мтДНК, возникшей в Центральной Азии, «модулировало» представления о большой миграции из Центральной Азии в Индию, поскольку эти две ветви разошлись на 50 тысяч лет назад. Кроме того, U2e встречается в большом количестве в Европе, но не в Индии, и наоборот для U2i, подразумевая, что U2i является родным для Индии.
Анализ мтДНК и NRY (нерекомбинирующие области Y-хромосомы) показали, что первое крупное расселение из Африки произошло через Саудовскую Аравию и индийское побережье 50–100 тыс. лет назад, а второе крупное расселение произошло через 15–50 тыс. лет назад от Гималаев.
Была проделана большая работа по выявлению масштабов миграций с севера на юг и с юга на север в Восточной Азии. Сравнение генетического разнообразия северо-восточных групп с юго-восточными группами позволило археологам сделать вывод, что многие из северо-восточных азиатских групп пришли с юго-востока. Паназиатское исследование SNP (однонуклеотидный полиморфизм) обнаружило «сильную и весьма значимую корреляцию между разнообразием гаплотипов и широтой», что в сочетании с демографическим анализом подтверждает аргументы в пользу заселения Восточной Азии преимущественно с юга на север. Археогенетика также использовалась для изучения популяций охотников и собирателей в этом регионе, таких как айны из Японии и группы негрито на Филиппинах. Например, паназиатское исследование SNP показало, что популяции негрито в Малайзии и популяции негрито на Филиппинах были более тесно связаны с местными популяциями, не относящимися к негрито, чем друг с другом, что позволяет предположить, что популяции негрито и не негрито связаны одним входным событием. в Восточную Азию; хотя другие группы негрито имеют общие сходства, в том числе с австралийскими аборигенами. Возможное объяснение этого - недавнее смешение некоторых групп негрито с их местным населением.
Археогенетика использовалась для лучшего понимания заселения Америки из Азии. По оценкам, гаплогруппы мтДНК коренных американцев составляют от 15 до 20 тыс. Лет назад, хотя есть некоторые различия в этих оценках. Генетические данные использовались, чтобы предложить различные теории относительно того, как была колонизирована Америка. Хотя наиболее распространенная теория предполагает «три волны» миграции после LGM через Берингов пролив, генетические данные породили альтернативные гипотезы. Например, одна гипотеза предполагает миграцию из Сибири в Южную Америку на 20–15 тыс. Лет назад, а вторая миграция произошла после отступления ледников. Данные по Y-хромосоме привели некоторых к выводу, что произошла однократная миграция, начавшаяся из Горного Алтая в Сибири между 17,2–10,1 тыс. Лет назад после LGM. Анализ как мтДНК, так и ДНК Y-хромосомы обнаруживает свидетельства существования «небольших основателей». Изучение гаплогрупп привело некоторых ученых к выводу, что южная миграция в Америку из одной небольшой популяции была невозможна, хотя отдельный анализ показал, что такая модель возможна, если такая миграция произошла вдоль побережья.
Наконец, археогенетика использовалась для изучения оккупации Австралии и Новой Гвинеи. Аборигены Австралии и Новой Гвинеи фенотипически очень похожи, но мтДНК показала, что это связано с конвергенцией из-за проживания в одинаковых условиях. Некодирующие области mt-ДНК не показали «никакого сходства» между аборигенными популяциями Австралии и Новой Гвинеи. Более того, у этих двух популяций нет общих линий NRY. Высокая частота единственной линии NRY, уникальной для Австралии, в сочетании с «низким разнообразием гаплотипов коротких тандемных повторов Y-хромосомы, ассоциированных с клонами (Y-STR)», является свидетельством «недавнего основателя или узкого места» в Австралии. Но существует относительно большая вариация мтДНК, что означает, что эффект «бутылочного горлышка» затронул в первую очередь мужчин. В совокупности исследования NRY и мтДНК показывают, что событие расщепления между двумя группами было более 50 тыс. Лет назад, что ставит под сомнение недавнее общее происхождение между ними.
Археогенетика использовалась для понимания развитие одомашнивания растений и животных.
Сочетание генетических и археологических находок было использовано для отслеживания самых ранних признаков одомашнивания растений по всему миру. Однако, поскольку ядерный, митохондриальный и хлоропластный геномы, используемые для отслеживания момента происхождения одомашнивания, эволюционировали с разной скоростью, его использование для отслеживания генеалогии было несколько проблематичным. Ядерный ДНК специфично используется вместо митохондриальной и хлоропластной ДНК из-за более высокой скорости мутаций, а также из-за ее внутривидовой изменчивости из-за более высокой согласованности полиморфизма генетические маркеры. Данные по «генам одомашнивания» сельскохозяйственных культур (признаки, которые были специально отобраны за или против) включают
Благодаря изучению археогенетики одомашнивания растений можно также обнаружить признаки первой мировой экономики. Географическое распределение новых культур, тщательно отобранных в одном регионе, обнаруженных в другом, где они изначально не были бы интродуцированы, служит доказательством наличия торговой сети для производства и потребления легкодоступных ресурсов.
Археогенетика использовалась для изучения приручения животных. Анализируя генетическое разнообразие популяций домашних животных, исследователи могут искать генетические маркеры в ДНК, чтобы получить ценную информацию о возможных чертах видов-предков. Эти признаки затем используются, чтобы помочь различить археологические находки между дикими и одомашненными образцами. Генетические исследования также могут привести к идентификации предков домашних животных. Информация, полученная в результате генетических исследований нынешних популяций, помогает археологам в поисках документов этих предков.
Археогенетика использовалась для отслеживания одомашнивания свиней во всем Старом мире. Эти исследования также раскрывают данные о ранних земледельцах. Методы археогенетики также использовались для дальнейшего понимания развития одомашнивания собак. Генетические исследования показали, что все собаки являются потомками серого волка, однако в настоящее время неизвестно, когда, где и сколько раз приручили собак. Некоторые генетические исследования указали на множественные одомашнивания, а другие - нет. Археологические находки помогают лучше понять это сложное прошлое, предоставляя убедительные доказательства того, как происходило приручение собак. По мере того как первые люди приручили собак, археологические останки погребенных собак становились все более многочисленными. Это не только дает археологам больше возможностей для изучения останков, но и дает подсказки о ранней человеческой культуре.
Портал эволюционной биологии