Археогенетика — это изучение древней ДНК с использованием различных молекулярно-генетических методов и ресурсов ДНК. Эта форма генетического анализа может применяться к образцам человека, 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 и тканей. Археогенетика предоставляет нам генетические доказательства миграций древних групп населения, [1] событий одомашнивания и эволюции растений и животных. [2] Древняя ДНК, перекрестно связанная с ДНК относительно современных генетических популяций, позволяет исследователям проводить сравнительные исследования, которые обеспечивают более полный анализ, когда древняя ДНК подвергается риску. [3]
Археогенетика получила свое название от греческого слова archaios , что означает «древний», и термина genetics , что означает «изучение наследственности». [4] Термин археогенетика был придуман археологом Колином Ренфрю . [5]
В феврале 2021 года ученые сообщили, что старейшая из когда-либо секвенированных ДНК была успешно извлечена из мамонта , возраст которого превышает миллион лет. [6] [7]
Людвик Хиршфельд был польским микробиологом и серологом , который был президентом секции групп крови Второго международного конгресса по переливанию крови. Он основал наследование групп крови вместе с Эрихом фон Дунгерном в 1910 году и вносил в него большой вклад на протяжении всей своей жизни. [8] 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 его к открытию того, что цвет волос и группа крови не имеют никакой корреляции. В дополнение к этому он заметил, что наблюдалось снижение группы крови A от Западной Европы до Индии и противоположное для группы крови B. Он выдвинул гипотезу, что соотношение групп крови с востока на запад произошло из-за двух групп крови, состоящих в основном из A или B, мутировавших из группы крови O, и смешивающихся посредством миграции или смешивания. [8] Большая часть его работы была посвящена исследованию связей групп крови с полом, болезнями, климатом, возрастом, социальным классом и расой. Его работа привела его к открытию того, что язвенная болезнь чаще встречается у людей с группой крови O, а у матерей с группой крови AB наблюдается более высокое соотношение рождаемости мальчиков и девочек. [9]
Артур Мурант был британским гематологом и химиком . Он получил множество наград, наиболее заметной из которых была стипендия Королевского общества . Его работа включала организацию существующих данных о частотах генов групп крови и значительный вклад в генетическую карту мира посредством его исследования групп крови во многих популяциях. Мурант открыл новые антигены групп крови систем Льюиса , Хеншоу , Келла и Резуса и проанализировал связь групп крови и различных других заболеваний. Он также сосредоточился на биологическом значении полиморфизмов . Его работа заложила основу для археогенетики, поскольку она способствовала разделению генетических доказательств биологических отношений между людьми. Эти генетические доказательства ранее использовались для этой цели. Они также предоставили материал, который можно было использовать для оценки теорий популяционной генетики . [10]
Уильям Бойд был американским иммунохимиком и биохимиком , который прославился своими исследованиями генетики расы в 1950-х годах. [11] В 1940-х годах Бойд и Карл О. Ренконен независимо друг от друга открыли, что лектины по-разному реагируют на различные группы крови, после того как обнаружили, что сырые экстракты лимской фасоли и вики хохлатой агглютинируют эритроциты с группой крови A, но не с группами крови B или O. Это в конечном итоге привело к раскрытию тысяч растений, содержащих эти белки. [12] Чтобы изучить расовые различия, а также закономерности распределения и миграции различных расовых групп, Бойд систематически собирал и классифицировал образцы крови со всего мира, что привело его к открытию того, что группы крови не зависят от окружающей среды и наследуются. В своей книге «Генетика и расы человека» (1950) Бойд разделил население мира на 13 различных рас, основываясь на их различных профилях групп крови и своей идее о том, что человеческие расы — это популяции с различными аллелями . [13] [14] Одним из наиболее обширных источников информации относительно наследуемых признаков, связанных с расой, остается изучение групп крови. [14]
Поиск ископаемых начинается с выбора места раскопок . Потенциальные места раскопок обычно определяются по минералогии местоположения и визуальному обнаружению костей в этом районе. Однако есть и другие способы обнаружения зон раскопок с использованием таких технологий, как полевая портативная рентгеновская флуоресценция [15] и плотная стереореконструкция. [16] Используемые инструменты включают ножи , щетки и заостренные мастерки , которые помогают в извлечении ископаемых из земли. [17]
Чтобы избежать загрязнения древней ДНК , образцы обрабатываются в перчатках и хранятся при температуре -20 °C сразу после извлечения. Обеспечение анализа ископаемого образца в лаборатории, которая не использовалась для другого анализа ДНК , также может предотвратить загрязнение. [17] [18] Кости измельчаются до порошка и обрабатываются раствором перед процессом полимеразной цепной реакции (ПЦР). [18] Образцы для амплификации ДНК не обязательно должны быть ископаемыми костями. В определенных ситуациях также может использоваться консервированная кожа, консервированная солью или высушенная на воздухе. [19]
Сохранение ДНК затруднено, поскольку окаменелость кости деградирует, а ДНК химически модифицируется, как правило, бактериями и грибками в почве. Лучшее время для извлечения ДНК из окаменелости — когда она только что извлечена из земли, так как она содержит в шесть раз больше ДНК по сравнению с хранящимися костями. Температура места извлечения также влияет на количество получаемой ДНК, что подтверждается снижением успешности амплификации ДНК, если окаменелость найдена в более теплых регионах. Резкое изменение среды обитания окаменелости также влияет на сохранение ДНК. Поскольку раскопки вызывают резкое изменение среды обитания окаменелости, это может привести к физико-химическим изменениям в молекуле ДНК. Более того, на сохранение ДНК также влияют другие факторы, такие как обработка выкопанной окаменелости (например, мытье, чистка и сушка на солнце), pH , облучение , химический состав кости и почвы и гидрология . Существует три диагенетические фазы персеверации. Первая фаза — бактериальное гниение , которое, как оценивается, вызывает 15-кратную деградацию ДНК. Фаза 2 — это когда кость химически деградирует, в основном путем депуринизации . Третья диагенетическая фаза наступает после того, как ископаемое выкапывается и хранится, в течение которой деградация костной ДНК происходит наиболее быстро. [18]
После того, как образец собран на археологическом объекте, ДНК может быть извлечена с помощью ряда процессов. [20] Один из наиболее распространенных методов использует кремний и полимеразную цепную реакцию для сбора древней ДНК из образцов костей. [21]
Есть несколько проблем, которые усложняют попытки извлечь древнюю ДНК из окаменелостей и подготовить ее для анализа. ДНК постоянно разделяется. Пока организм жив, эти разделения восстанавливаются; однако после смерти организма ДНК начнет разрушаться без восстановления. Это приводит к тому, что образцы имеют нити ДНК длиной около 100 пар оснований . Загрязнение является еще одной значительной проблемой на нескольких этапах процесса. Часто в исходном образце присутствует другая ДНК, например, бактериальная ДНК. Чтобы избежать загрязнения, необходимо принять множество мер предосторожности, таких как отдельные системы вентиляции и рабочие пространства для работы по извлечению древней ДНК. [22] Лучшими образцами для использования являются свежие окаменелости, поскольку неосторожное мытье может привести к росту плесени . [20] ДНК, полученная из окаменелостей, также иногда содержит соединение, которое подавляет репликацию ДНК. [23] Прийти к консенсусу относительно того, какие методы лучше всего подходят для смягчения проблем, также сложно из-за отсутствия повторяемости, вызванной уникальностью образцов. [22]
Извлечение ДНК с помощью кремния — это метод, используемый в качестве этапа очистки для извлечения ДНК из археологических костных артефактов и получения ДНК, которая может быть амплифицирована с использованием методов полимеразной цепной реакции (ПЦР) . [23] Этот процесс работает с использованием кремния в качестве средства для связывания ДНК и отделения ее от других компонентов ископаемого процесса, которые ингибируют амплификацию ПЦР . Однако сам кремний также является сильным ингибитором ПЦР , поэтому необходимо принять тщательные меры для обеспечения удаления кремния из ДНК после извлечения. [24] Общий процесс извлечения ДНК с использованием метода на основе кремния описан следующим образом: [21]
Одним из главных преимуществ извлечения ДНК на основе кремния является то, что оно относительно быстрое и эффективное, требующее только базовой лабораторной установки и химикатов. Оно также не зависит от размера образца, поскольку процесс можно масштабировать для обработки больших или меньших количеств. Еще одним преимуществом является то, что процесс можно выполнять при комнатной температуре. Однако этот метод имеет некоторые недостатки. В основном извлечение ДНК на основе кремния можно применять только к образцам костей и зубов; его нельзя использовать на мягких тканях . Хотя они хорошо работают с различными окаменелостями, они могут быть менее эффективными для ископаемых, которые не являются свежими (например, обработанные окаменелости для музеев ). Кроме того, загрязнение представляет риск для всей репликации ДНК в целом, и этот метод может привести к вводящим в заблуждение результатам, если применяется к загрязненному материалу. [21]
Полимеразная цепная реакция — это процесс, который может амплифицировать сегменты ДНК и часто используется на извлеченной древней ДНК. Он состоит из трех основных этапов: денатурация , отжиг и удлинение. Денатурация расщепляет ДНК на две отдельные нити при высоких температурах. Отжиг включает присоединение праймерных цепей ДНК к отдельным цепям, что позволяет полимеразе Taq прикрепиться к ДНК. Удлинение происходит, когда полимераза Taq добавляется к образцу и сопоставляет пары оснований, чтобы превратить две отдельные нити в две полные двойные нити. [20] Этот процесс повторяется много раз, и обычно повторяется большее количество раз при использовании с древней ДНК . [25] Некоторые проблемы с ПЦР заключаются в том, что для древней ДНК требуются перекрывающиеся пары праймеров из-за коротких последовательностей. Также может быть «прыгающая ПЦР», которая вызывает рекомбинацию во время процесса ПЦР, что может затруднить анализ ДНК в неоднородных образцах.
ДНК, извлеченная из ископаемых останков, в первую очередь секвенируется с помощью массового параллельного секвенирования [ 26], которое позволяет одновременно амплифицировать и секвенировать все сегменты ДНК в образце, даже если он сильно фрагментирован и имеет низкую концентрацию. [25] Он включает присоединение общей последовательности к каждой отдельной нити, с которой могут связываться общие праймеры, и, таким образом, вся присутствующая ДНК амплифицируется. Это, как правило, более затратно и требует больше времени, чем ПЦР, но из-за трудностей, связанных с амплификацией древней ДНК, это дешевле и эффективнее [25] Один из методов массового параллельного секвенирования , разработанный Маргулисом и соавторами, использует эмульсионную ПЦР на основе бусинок и пиросеквенирование [27] и оказался эффективным при анализе ДНК, поскольку позволяет избежать потенциальной потери образца, конкуренции субстрата за шаблоны и распространения ошибок при репликации. [28]
Наиболее распространенным способом анализа последовательности ДНК является ее сравнение с известной последовательностью из других источников, и это можно сделать разными способами для разных целей.
Идентификация окаменелости может быть раскрыта путем сравнения ее последовательности ДНК с последовательностями известных видов с использованием программного обеспечения, такого как BLASTN. [28] Этот археогенетический подход особенно полезен, когда морфология окаменелости неоднозначна. [29] Помимо этого, идентификация вида может быть также выполнена путем поиска определенных генетических маркеров в последовательности ДНК. Например, для коренного населения Америки характерны определенные митохондриальные RFLP и делеции , определенные Уоллесом и др. [30]
Сравнительное исследование ДНК также может выявить эволюционные отношения между двумя видами. Количество различий в основаниях между ДНК древнего вида и близкородственного существующего вида может быть использовано для оценки времени расхождения этих двух видов от их последнего общего предка . [26] Филогения некоторых вымерших видов, таких как австралийские сумчатые волки и американские наземные ленивцы , была построена этим методом. [26] Митохондриальная ДНК у животных и хлоропластная ДНК у растений обычно используются для этой цели, поскольку они имеют сотни копий на клетку и, таким образом, более легкодоступны в древних окаменелостях. [26]
Другой метод исследования взаимоотношений между двумя видами — это гибридизация ДНК . Одноцепочечные сегменты ДНК обоих видов могут образовывать комплементарную пару связей друг с другом. Более близкородственные виды имеют более схожий генетический состав и, следовательно, более сильный сигнал гибридизации . Шольц и др. провели гибридизацию саузерн-блоттинга на ДНК неандертальцев (извлеченной из ископаемых останков W-NW и Krapina). Результаты показали слабую гибридизацию древнего человека и неандертальца и сильную гибридизацию древнего человека и современного человека. Гибридизация человека и шимпанзе и неандертальца и шимпанзе имеет такую же слабую силу. Это говорит о том, что люди и неандертальцы не так тесно связаны, как две особи одного вида, но они более связаны друг с другом, чем с шимпанзе. [18]
Также были некоторые попытки расшифровать aDNA, чтобы получить ценную фенотипическую информацию о древних видах. Это всегда делается путем картирования последовательности aDNA на кариотип хорошо изученного близкородственного вида, который имеет много схожих фенотипических признаков. [28] Например, Грин и др. сравнили последовательность aDNA из ископаемого неандертальца Vi-80 с последовательностью современных человеческих X и Y хромосом, и они обнаружили сходство в 2,18 и 1,62 оснований на 10 000 соответственно, что предполагает, что образец Vi-80 был от особи мужского пола. [28] Другие похожие исследования включают обнаружение мутации , связанной с карликовостью у Arabidopsis в древнем нубийском хлопке , [29] и исследование локуса восприятия горького вкуса у неандертальцев. [31]
Считается, что современные люди появились в Африке по крайней мере 200 тыс. лет назад [32] , а некоторые данные указывают на возраст более 300 тыс. лет назад [33] . Исследование митохондриальной ДНК (мтДНК), ДНК Y-хромосомы и ДНК X-хромосомы показывает, что самая ранняя популяция, покинувшая Африку, состояла примерно из 1500 мужчин и женщин [32] . Различные исследования предполагают, что популяции были географически «структурированы» в некоторой степени до экспансии из Африки; это подтверждается древностью общих линий мтДНК [32] . Одно исследование 121 популяции из разных мест по всему континенту обнаружило 14 генетических и лингвистических «кластеров», что предполагает древнюю географическую структуру африканских популяций. [32] В целом, генотипический и фенотипический анализ показал «большие и подразделенные на протяжении большей части их эволюционной истории». [32]
Генетический анализ подтвердил археологические гипотезы о крупномасштабных миграциях носителей языка банту в Южную Африку примерно 5 тыс. лет назад. [32] Микросателлитная ДНК, полиморфизмы отдельных нуклеотидов (SNP) и полиморфизмы вставок/делеций (INDELS) показали, что говорящие на нило-сахарском языке популяции происходят из Судана. [32] Кроме того, есть генетические доказательства того, что говорящие на чадском языке потомки носителей нило-сахарского языка мигрировали из Судана в озеро Чад примерно 8 тыс. лет назад. [32] Генетические доказательства также показали, что неафриканские популяции внесли значительный вклад в африканский генофонд. [32] Например, у сахарского африканского народа беджа высокий уровень ближневосточной, а также восточноафриканской кушитской ДНК. [32]
Анализ мтДНК показывает, что современные люди заселили Евразию в ходе одного миграционного события между 60 и 70 тыс. лет назад. [1] Генетические данные показывают, что заселение Ближнего Востока и Европы произошло не ранее 50 тыс. лет назад. [1] Изучение гаплогруппы U показало раздельное расселение с Ближнего Востока как в Европу, так и в Северную Африку. [1]
Большая часть работы, проделанной в области археогенетики, фокусируется на неолитическом переходе в Европе. [34] Анализ генетико-географических закономерностей Кавалли-Сворца привел его к выводу, что в начале неолита в Европу произошел массовый приток ближневосточного населения. [34] Эта точка зрения привела его к «усилению акцента на расширении ранних земледельцев за счет коренных мезолитических популяций, занимающихся добычей пропитания». [34] Однако анализ мтДНК в 1990-х годах противоречил этой точке зрения. М. Б. Ричардс подсчитал, что 10–22% существующих европейских мтДНК произошли от ближневосточных популяций во время неолита. [34] Большинство мтДНК были «уже установлены» среди существующих мезолитических и палеолитических групп. [34] Большинство «линий контрольных регионов» современной европейской мтДНК прослеживаются до основополагающего события повторного заселения северной Европы к концу последнего ледникового максимума (LGM). [1] Одно исследование сохранившихся европейских мтДНК предполагает, что это повторное заселение произошло после окончания LGM, хотя другое предполагает, что это произошло раньше. [1] [34] Анализ гаплогрупп V, H и U5 поддерживает модель «пионерской колонизации» европейского заселения с включением популяций собирателей в прибывающие неолитические популяции. [34] Более того, анализ древней ДНК, а не только сохранившейся ДНК, проливает свет на некоторые вопросы. Например, сравнение неолитической и мезолитической ДНК показало, что развитие молочного животноводства предшествовало широкому распространению толерантности к лактозе. [34]
Южная Азия служила основным ранним коридором для географического расселения современных людей из Африки. [35] Основываясь на исследованиях линии мтДНК M, некоторые предположили, что первыми жителями Индии были носители австро-азиатского языка, которые прибыли туда около 45–60 тыс. лет назад. [35] Индийский генофонд имеет вклад от самых ранних поселенцев, а также западно-азиатских и центральноазиатских популяций, которые мигрировали не ранее 8 тыс. лет назад. [35] Отсутствие вариаций в линиях мтДНК по сравнению с линиями Y-хромосомы указывает на то, что в этих миграциях в основном участвовали мужчины. [35] Открытие двух подветвей U2i и U2e линии мтДНК U, которая возникла в Центральной Азии, «скорректировало» взгляды на большую миграцию из Центральной Азии в Индию, поскольку две ветви разошлись 50 тыс. лет назад. [35] Кроме того, U2e в большом процентном соотношении встречается в Европе, но не в Индии, а для U2i — наоборот, что подразумевает, что U2i является родным для Индии. [35]
Анализ последовательностей мтДНК и NRY (нерекомбинирующей области хромосомы Y) показал, что первое крупное расселение из Африки прошло через Саудовскую Аравию и побережье Индии 50–100 тыс. лет назад, а второе крупное расселение произошло 15–50 тыс. лет назад к северу от Гималаев. [36]
Большая работа была проделана для выяснения масштабов миграций с севера на юг и с юга на север в Восточной Азии. [36] Сравнение генетического разнообразия северо-восточных групп с юго-восточными группами позволило археологам сделать вывод, что многие северо-восточные азиатские группы пришли с юго-востока. [36] Паназиатское исследование SNP (полиморфизма одиночных нуклеотидов) обнаружило «сильную и весьма значимую корреляцию между разнообразием гаплотипов и широтой», что в сочетании с демографическим анализом подтверждает версию о преимущественном заселении Восточной Азии с юга на север. [36] Археогенетика также использовалась для изучения популяций охотников-собирателей в регионе, таких как айны из Японии и группы негритосов на Филиппинах. [36] Например, исследование паназиатских однонуклеотидных полиморфизмов показало, что популяции негритосов в Малайзии и популяции негритосов на Филиппинах были более тесно связаны с местными популяциями негритосов, чем друг с другом, что предполагает, что популяции негритосов и негритосов связаны одним событием въезда в Восточную Азию; хотя другие группы негритосов действительно имеют общие черты, в том числе с коренными австралийцами . [36] Возможным объяснением этого является недавнее смешение некоторых групп негритосов с их местными популяциями.
Археогенетика использовалась для лучшего понимания заселения Америки из Азии. [37] По оценкам, гаплогруппы мтДНК коренных американцев существуют от 15 до 20 тыс. лет назад, хотя в этих оценках есть некоторые различия. [37] Генетические данные использовались для предложения различных теорий относительно того, как была колонизирована Америка. [37] Хотя наиболее широко распространенная теория предполагает «три волны» миграции после LGM через Берингов пролив, генетические данные породили альтернативные гипотезы. [37] Например, одна из гипотез предполагает миграцию из Сибири в Южную Америку 20–15 тыс. лет назад и вторую миграцию, которая произошла после отступления ледника. [37] Данные Y-хромосомы привели некоторых к мнению, что была одна миграция, начавшаяся с Алтайских гор в Сибири между 17,2 и 10,1 тыс. лет назад после LGM. [37] Анализ мтДНК и ДНК Y-хромосомы выявил доказательства существования «небольших популяций-основателей». [37] 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 осуществима, если такая миграция происходила вдоль побережий. [37]
Наконец, археогенетика использовалась для изучения заселения Австралии и Новой Гвинеи. [38] Коренные народы Австралии и Новой Гвинеи фенотипически очень похожи, но мтДНК показала, что это связано с конвергенцией, вызванной проживанием в схожих условиях. [38] Некодирующие области мтДНК не показали «сходства» между аборигенными популяциями Австралии и Новой Гвинеи. [38] Более того, ни одна из основных линий NRY не является общей для двух популяций. Высокая частота единственной линии NRY, уникальной для Австралии, в сочетании с «низким разнообразием гаплотипов Y-хромосомных коротких тандемных повторов (Y-STR), связанных с линией», свидетельствует о «недавнем событии основателя или бутылочного горлышка» в Австралии. [38] Но существует относительно большая вариация в мтДНК, что подразумевает, что эффект бутылочного горлышка в первую очередь повлиял на мужчин. [38] В совокупности исследования NRY и мтДНК показывают, что разделение между двумя группами произошло более 50 тыс. лет назад, что ставит под сомнение недавнее общее происхождение этих двух групп. [38]
Археогенетика использовалась для понимания развития одомашнивания растений и животных.
Сочетание генетики и археологических находок использовалось для отслеживания самых ранних признаков одомашнивания растений по всему миру. Однако, поскольку ядерные, митохондриальные и хлоропластные геномы, используемые для отслеживания момента происхождения одомашнивания, развивались с разной скоростью, их использование для отслеживания генеалогии было несколько проблематичным. [39] Ядерная ДНК в частности используется вместо митохондриальной и хлоропластной ДНК из-за ее более высокой скорости мутаций, а также ее внутривидовой изменчивости из-за более высокой согласованности генетических маркеров полиморфизма . [39] Находки в «генах одомашнивания» сельскохозяйственных культур (признаки, которые были специально отобраны за или против) включают
Изучая археогенетику одомашнивания растений, можно также обнаружить признаки первой глобальной экономики. Географическое распределение новых культур, тщательно отобранных в одном регионе, найденных в другом, где они изначально не были бы введены, служит доказательством торговой сети для производства и потребления легкодоступных ресурсов. [39]
Археогенетика использовалась для изучения одомашнивания животных. [40] Анализируя генетическое разнообразие в популяциях одомашненных животных, исследователи могут искать генетические маркеры в ДНК, чтобы получить ценную информацию о возможных признаках видов-предшественников. [40] Эти признаки затем используются для различения археологических останков между дикими и одомашненными образцами. [40] Генетические исследования также могут привести к идентификации предков одомашненных животных. [40] Информация, полученная в результате генетических исследований современных популяций, помогает археологам направлять поиски для документирования этих предков. [40]
Археогенетика использовалась для отслеживания одомашнивания свиней по всему старому миру. [41] Эти исследования также раскрывают данные о подробностях ранних фермеров. [41] Методы археогенетики также использовались для дальнейшего понимания развития одомашнивания собак. [42] Генетические исследования показали, что все собаки являются потомками серого волка, однако в настоящее время неизвестно, когда, где и сколько раз собаки были одомашнены. [42] Некоторые генетические исследования указали на множественное одомашнивание, а другие — нет. [42] Археологические находки помогают лучше понять это сложное прошлое, предоставляя убедительные доказательства о прогрессе одомашнивания собак. [42] По мере того, как ранние люди одомашнивали собак, археологические останки захороненных собак становились все более многочисленными. [42] Это не только дает археологам больше возможностей для изучения останков, но и дает подсказки о ранней человеческой культуре. [42]
Портал эволюционной биологии Исторический портал
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )