Nauki o człowieku
Wykład nr 8
Paleogenetyka człowieka
Nauki o człowieku
Wykład nr 8
Paleogenetyka człowieka
Genetyka człowieka i archeologia
• Svante Pääbo (1985):
pierwsza analiza
starożytnego DNA
pochodzącego z mumii
• Metoda PCR
(łańcuchowa reakcja
polimerazy)
• Erika Hagelberg i Bryan
Sykes (1989): pierwsza
analiza starożytnego
DNA pochodzącego z
kości ludzkich
Paleogenetyka
badania genomu neandertalczyka
PCR i tradycyjne sekwencjonowanie
pirosekwencjonowanie oparte na reakcji
enzymatycznej prowadzącej do emisji
sygnału świetlnego
badania kopalnego mtDNA człowieka
badania kopalnego DNA jądrowego
człowieka
płeć, zróżnicowanie międzypopulacyjne
badania DNA współczesnych ludzi
Badania starożytnego DNA
stan zachowania DNA zależy od wielu
czyn-ników (wilgotność, czas itp.)
problem kontaminacji
kontaminacja podczas wykopalisk
kontaminacja w laboratorium
interpretacja wyników
porównania międzypopulacyjne
zmienność wewnątrzpopulacyjna
przypadki szczególne: choroby genetyczne
przypadki szczególne: choroby zakaźne
•
kontrolowane warunki podczas wykopalisk
•
analiza DNA wszystkich osób mających styczność z próbką
Kontaminacja na stanowisku
DNA zawarte jest
we fragmentach
naskórka, pocie i
ślinie; człowiek
może również
zanieszczyszczać
DNA bakteryjnym.
Kontaminacja w
laboratorium
Oryginalna próbka
10
4
-10
6
kopii
mtDNA/gram kości
Kontaminacja podczas PCR
PCR
10
12
-10
15
kopii w
10-50uL
kropelki aerozolu, w
każdej 10
5
-10
9
kopii
w całym laboratorium
ruch ludzi powoduje, że
fragmenty DNA
współczesnego i z
wcześniejszych analiz
są dosłownie wszędzie
1. izolacja procesu od środowiska
2. bramki UV i metody chemiczne
3. przygotowywanie próbki w innym laboratorium
Środki zaradcze
Zalecenia metodologiczne
•
Fizyczne odzielenie laboratorium od innych pracowni
•
Wielokrotna kontrola (ślepa próba, niezależna
weryfikacja w innym laboratorium, stosowanie kilku
procedur do jednej próbki)
•
Długość łańcucha adekwatna do warunków
•
Kontrola przypadkowych modyfikacji podczas
klonowania
•
Kontrola za pomocą danych biochemicznych (kolagen)
•
Kontrola za pomocą próbek pobranych z innych
organizmów z tego samego stanowiska (na przykład
DNA dobrze zidentyfikowanych zwierząt)
DNA jądrowe i mitochondrialne
najczęściej analizy DNA
mitochondrialnego, z
jądrowego głównie
chromosom Y
regiony o różnej zmienności,
w analizach starożytnego DNA
wykorzystywane dwa regiony
o najwyższej zmienności
zegar mole-
kularny
Zegar molekularny
• założenie równego tempa mutacji
• wykorzystanie genetyki do tworzenia i
weryfikowania systematyk oraz do
wykrywania ruchów ludności w pradziejach
• trzy najważniejsze zastosowania:
– pochodzenie człowieka i jego związki z
innymi naczelnymi
– pochodzenie ludzi współczesnych i ich
związki z neandertalczykami
– kwestia zasiedlenia Ameryki
Drzewa filogenetyczne
Algorytmy służące do wyznaczania takiego
drzewa, w którym różnica między
porównywanymi organizmami jest
wyjaśniana za pomocą minimalnej liczby
mutacji.
Kalibracja zegara molekularnego poprzez
porównanie z dalszym krewnym (szympansy w
przypadku ludzi).
Filogeneza człowieka
Porównanie chromosomów
7%
35%
95%
99+ %
99+ %
99+ %
mysz
kot
koczkodan zielony
orangutan
goryl
szympans
Zgodność genów jądrowych między ludźmi i
innymi gatunkami ssaków
Porównanie białek
Zróżnicowanie białek
odzwierciedla
zróżnico-wanie
genów.
Cytochrom c jest
białkiem kodowanym
przez mtDNA I
występuje u
wszystkich Eukaryota.
20/104 aminokwasy
są identyczne u
wszystkich Eukaryota.
Metody porównywania
hybrydyzacja i
policzenie niezgodności
porównanie sekwencji
Neandertalczycy i ludzie
współcześni
współczesny
Homo
sapiens
Homo
neandertalensis
przodkowie czy dalecy krewni?
jeśli przodkowie, to w jakim stopniu?
jeśli krewni, to jak dalecy?
Pionierskie badania zespołu M. Kringsa: kość
udowa neandertalczyka ze stanowiska
eponimicznego.
Sekwencja 377 bp porównana z CRS (Cambridge
reference sequence). Okazało się, że fragment
mtDNA neandertalczyka różni się od fragmentu
referencyjnego w 27 miejscach (24 podmiany, 2
transwersje, 1 delecja)
Neandertalczycy i ludzie
współcześni
Neandertalczycy i ludzie
współcześni
sekwencja neandertalska porównana z
994 sekwencjami ludzi współczesnych
różnica większa
niż współczesne
zróżnicowanie
wewnątrzgatun-
kowe
Neandertalczycy i ludzie
współcześni
dendrogram dla 986 współczesnych ludzi,
16 szympansów neandertalczyka
konkluzja: ludzie współ-
cześni nie są potomkami
neandertalczyków
krytyka: zdarza się, że
linie mtDNA wygasają i
z czasem zmienność
się zmniejsza
Neandertalczycy i ludzie
współcześni
badania są kontynuowane, zespół Svante
Pääbo uzyskuje sekwencje mtDNA
kolejnych neandertalczyków
w zeszłym roku uzyskano pierwsze
dłuższe sekwencje DNA jądrowego,
jednak wyniki wciąż są
przedmiotem dyskusji
możliwa kontaminacja
współczesnym DNA
Neandertalczycy i ludzie
współcześni
próba pozyskiwania próbek „brudnego”
DNA neandertalczyków z osadów w
jaskiniach
Haplogrupy i haplotypy
w przypadku mtDNA można wyróżnić dwa
poziomy zmienności:
stabilne obszary polimorficzne (utrwalona
zmienność z odległej przeszłości)
haplogrupy
zmienność ze względu na mutacje w tych
stabilnych obszarach
haplotypy
analiza frekwencji haplotypów i haplogrup
Mitochondrialna „Ewa”
porównanie 147 osobników z różnych miejsc
świata: Europa, Azja, Afryka, Australia
największe zróżnicowanie w Afryce
równikowej
interpretacja: stamtąd wywodzi się gatunek
Homo sapiens
zegar molekularny: wspólny przodek
wszystkich współczesnych haplogrup może
być datowany na 100-300 tys. lat temu
kalibracja zegara: ludzie <> szympansy
Cann et al., “Nature” 1987
Mitochondrialna „Ewa”
Mitochondrialna „Ewa”
Mitochondrialna „Ewa”
• co z wygasłymi
liniami mtDNA?
• wielu „genetycz-
nych Adamów”
• niezgodność
historii populacji
ludzkich rekon-
struowanych za
pomocą różnych
metod gene-
tycznych
Chromosom Y
dziedziczony tylko w linii
męskiej, relatywnie niskie
tempo mutacji
¾ współczesnych
haplogrup istniało w
Europie już w paleolicie,
jedna z nich (M173) może
być skojarzona z pierwszą
falą migracji Homo
sapiens
inne haplogrupy wskazują
na migracje z Bliskiego
Wschodu I zza Uralu
Migracje na terenie Europy
Ok. 80% współczesnej zmienności chromo-
somu Y związane z trzema grupami ludności,
które po ustąpieniu lodowca zasiedliły Europę
Ok. 20% zmienności przypada na grupę
ludności, która przybyła do Europy z Bliskiego
Wschodu
Europa 18.000 BP
Europa 12.000 BP
Europa 8.000 BP
Neolityzacja Europy
kontrowersje dotyczące przebiegu neolityzacji
migracja czy dyfusja kulturowa?
brak jednoznacznych danych genetycznych
dane archeologiczne
frekwencje 95 genów
w Europie (PCA)
trasy migracji
Przykład: Taforalt, 13.000 BP
Face basse et large
Forte arcade sourcilière
Orbites rectangulaires
Pommettes saillantes
Mâchoire massive
squelette robuste
avulsion des incisives
(Ferembach 1962-Camps 1989)
Homme de
Mechta El -Arbi
Taforalt
Afalou
Columnata
28 grobów
200 szkieletów
Jaskinia Taforalt
Pytanie
pochodzenie europejskie
pochodzenie bliskowschodnie
przybysze z Afryki sub-saharyjskiej
populacja miejscowa
badania mtDNA współczesnej populacji:
haplogrupa U6 paleolityczna
eurazjatyckie haplogrupy T, H, U, J (neolit?)
haplogrupa L z Afryki środkowej (współczesna?)
Wyniki analizy
Début et fin
de la séquence
Taf I
16054-16454
CRS
Taf II
16054-16454
CRS
Taf V 5
16054-16317
CRS
Taf V 7
16081-16404
CRS
Taf V 20
16054-16317
CRS
H ou U ?
Taf XVa
16054-16317
CRS
Taf XV0
16054-16317
CRS
Taf XVII
16054-16317
CRS
Taf XIXa
16054-16317
CRS
Taf XXI-6
16054-16317
CRS
Taf XXV
16190-16317
CRS
Taf 55-IB
16105-16317
16239 T
Taf VI-10
16054-16317
16124T/C-16239T
H ?
Taf V 26
16054-16317
16204C-16226T
Taf XVIa2-19
16054-16317
16189C-16261T
Taf 55-I
16054-16454
16126C-16355T
Taf V 18
16054-16317
16126C-16304C
JT
Taf XXV 3
16054-16317
16126 C
Taf XXIV
16054-16317
16126C-16172C-
16174T
U6
Taf VI9E
16054-16317
16172C-16174T
U6
Taf V 27
16054-16317
16298T/C
Taf XIX
16054-16317
16179T-16298T/C
Taf VIII
16054-16317
16223T
L3, M, ou N ?
Spécimens
Polymorphismes Haplogroupes
V
Struktura genetyczna Taforalt:
komponent eurazjatycki:
H, U, JT, V: 90,5%
komponent afrykański:
U6: 9,5%
42,8% (9/21) H lub
U
14,2% (3/21) JT
2 osobniki (9,5%) U6
współcześnie haplogrupa JT
poświadczona jedynie w
następujących populacjach:
1,6% Berberowie z
północnego Maroka
1,8% Sycylijczycy,
1,6% Włosi.
19% (4/21) H
2 osobniki (9,5%) V
Odpowiedź
komponent eurazjatycki: H, U, JT, V: 90,5%
komponent afrykański: U6: 9,5%
duże podobieństwo do współczesnych
Berberów
konkluzja: kontynu-
acja genetyczna od
schyłkowego paleo-
litu do czasów
współczesnych
Migracje Homo sapiens
Greenberg et al., 1986:
trzy fale migracji
•
dane językowe,
antropologiczne (cechy
niemetryczne zębów) I
genetyczne
•
trzy migracje
–
Amerindianie - ~11.000 BP
–
Na-Dene - ~9.000 BP
–
Eskimo-Aleuci - ~4.000 BP
Analiza mtDNA współczesnych
Indian
•
4 haplogrupy (A, B, C, D)
odpowiedzialne za niemal całą
zmienność
•
hipoteza, że każda z nich
związana z jedną falą migracyjną
•
piąta haplogrupa X znacznie
mniej liczebna, poświadczona
śladowo na Ałtaju (<0.4%)
•
Eskimo-Aleuci – A, D
Na-Dene – A, mało B
Amerindianie –
A, B, C, D
Dane z Panamy: jedna
migracja
•
Czibczowie należą do Amer-
indian, ale ich zmienność
genetyczna bardziej podobna
do Eskimo-Aleutów albo Na-
Dene
Kolman et al. 1995,
1997
Jedna migracja?
haplogrupy dominujące w Ameryce są
rzadkie w Azji Wschodniej, razem
występują tylko w okolicach Chin
Chromosom Y
•
Azja
północna
haplogrupa C średnio 28%
haplogrupa Q średnio 18%
•
Nowy Świat
haplogrupa C
średnio 5%
haplogrupa Q
średnio 76%
•
raczej jedna niż
trzy fale migracji
•
nieco inny obraz
zmienności mtDNA
oraz chromosomu Y
Gen kodujący laktazę
Przykłady zastosowania:
przed rokiem 2000
• migracje w obrębie doliny Nilu
• populacje Azji północno-wschodniej
• zróżnicowanie genetyczne mieszkańców
Europy
• liczba populacji, które zasiedliły Amerykę
• zasiedlenie Oceanii
• diagnostyka płci dzieci: Aszkelon