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