Секвенирование древней ДНК: различия между версиями

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Интерактивная навигация по истории
[непроверенная версия][непроверенная версия]
← Предыдущая правкаСледующая правка →
Содержимое удалено Содержимое добавлено
ВизуальныйВики-текст
→‎ДНК древних людей: иллюстрация, введения к подразделам про неандертальцев и денисовцев
Нет описания правки
Строка 7: Строка 7:
Исследования древней ДНК (дДНК) начались в 1984 году с секвенирования фрагмента [[Митохондриальная ДНК|митохондриальной ДНК]] [[Квагга|квагги]]<ref>{{статья|автор=Higuchi R. et al.|заглавие=DNA sequences from the quagga, an extinct member of the horse family|ссылка=|язык=en|издание=Nature|тип=|год=1985|номер=5991|pages=282-284|volume=312|doi=10.1038/312282a0|pmid=6504142}}</ref>, подвида [[Бурчеллова зебра|бурчелловой зебры]], вымершего во второй половине XIX века. Было обнаружено, что ДНК не только сохраняется на протяжении более полутора века, но также может быть частично выделена и секвенирована. Вскоре после этого [[Сванте Паабо]] секвенировал образцы, полученные из человеческих мумий.<ref>{{статья|автор=Pääbo S.|заглавие=Molecular cloning of Ancient Egyptian mummy DNA|ссылка=|язык=en|издание=Nature|тип=|год=1985|номер=6062|pages=644-645|volume=314|doi=10.1038/314644a0|pmid=3990798}}</ref><ref>{{статья|автор=Pääbo S.|заглавие=Molecular genetic investigations of ancient human remains|ссылка=|язык=en|издание=Cold Spring Harb Symp Quant Biol|тип=|год=1986|номер=Pt 1|pages=441-446|volume=51|doi=|pmid=3107879}}</ref>
Исследования древней ДНК (дДНК) начались в 1984 году с секвенирования фрагмента [[Митохондриальная ДНК|митохондриальной ДНК]] [[Квагга|квагги]]<ref>{{статья|автор=Higuchi R. et al.|заглавие=DNA sequences from the quagga, an extinct member of the horse family|ссылка=|язык=en|издание=Nature|тип=|год=1985|номер=5991|pages=282-284|volume=312|doi=10.1038/312282a0|pmid=6504142}}</ref>, подвида [[Бурчеллова зебра|бурчелловой зебры]], вымершего во второй половине XIX века. Было обнаружено, что ДНК не только сохраняется на протяжении более полутора века, но также может быть частично выделена и секвенирована. Вскоре после этого [[Сванте Паабо]] секвенировал образцы, полученные из человеческих мумий.<ref>{{статья|автор=Pääbo S.|заглавие=Molecular cloning of Ancient Egyptian mummy DNA|ссылка=|язык=en|издание=Nature|тип=|год=1985|номер=6062|pages=644-645|volume=314|doi=10.1038/314644a0|pmid=3990798}}</ref><ref>{{статья|автор=Pääbo S.|заглавие=Molecular genetic investigations of ancient human remains|ссылка=|язык=en|издание=Cold Spring Harb Symp Quant Biol|тип=|год=1986|номер=Pt 1|pages=441-446|volume=51|doi=|pmid=3107879}}</ref>
Эти исследования использовали [[клонирование ДНК|бактериальное клонирование]] для амплификации фрагментов ДНК. Оказалось, что большая часть ДНК в образцах имеет бактериальное или грибное происхождение, а поддающаяся амплификации эндогенная ДНК состоит в основном из коротких повреждённых фрагментов многокопийных локусов (например, [[мтДНК]]) и составляет малую часть исследованной ДНК. Изобретение [[Полимеразная цепная реакция|ПЦР]] позволило амплифицировать даже немногочисленные сохранившиеся фрагменты ДНК и дало толчок к развитию этой области, однако также увеличило чувствительность результатов к контаминации<ref name="r2005" />.
Эти исследования использовали [[клонирование ДНК|бактериальное клонирование]] для амплификации фрагментов ДНК. Оказалось, что большая часть ДНК в образцах имеет бактериальное или грибное происхождение, а поддающаяся амплификации эндогенная ДНК состоит в основном из коротких повреждённых фрагментов многокопийных локусов (например, [[мтДНК]]) и составляет малую часть исследованной ДНК. Изобретение [[Полимеразная цепная реакция|ПЦР]] позволило амплифицировать даже немногочисленные сохранившиеся фрагменты ДНК и дало толчок к развитию этой области, однако также увеличило чувствительность результатов к контаминации<ref name="r2005" />.

== Области применения ==
Исследование древней ДНК имеет важное значение для таких областей науки как [[генетика]], [[палеозоология]], [[палеоэпидемология]], [[антропология]] (особенно [[палеоантропология]]) и [[археология]]. От последней развилась отдельная отрасль науки - [[палеогенетика]].

С точки зрения генетики, интерес представляют родственные связи между организмами, все из которых связаны наличием общего предка. Анализ древней ДНК может использоваться для оценки их биологической близости на основе генетического материала. Особое внимание здесь уделяется областям высокой изменчивости - участкам ДНК, где мутации происходят часто. В частности, это [[Микросателлиты|короткие тандемные повторы]] (STR) и [[SNP|однонуклеотидные полиморфизмы]] (SNP).<ref name=":0">{{Статья|автор=Ermanno Rizzi, Martina Lari, Elena Gigli, Gianluca De Bellis, David Caramelli|заглавие=Ancient DNA studies: new perspectives on old samples|ссылка=https://gsejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/1297-9686-44-21|язык=En|издание=Genetics Selection Evolution|год=2012/12|том=44|выпуск=1|страницы=21|issn=1297-9686|doi=10.1186/1297-9686-44-21}}</ref>.

Особенно перспективным является анализ [[Митохондриальная ДНК|митохондриальной ДНК]], так как она имеет гораздо большее количество копий по сравнению с ядерной ДНК (около 1000 копий митохондриальных ДНК и 2 копии ядерной ДНК на клетку). Однако [[Митохондрия|митохондрии]] передаются только по материнской линии, и анализировать их можно только по ней<ref name=":0" />.

Анализ древней ДНК также позволяет устанавливать половую принадлежность скелетных останков представителей видов, женские и мужские особи которых отличаются набором половых хромосом, когда другие методы, на пример [[антропометрия]], не могут дать точного ответа<ref>{{Статья|автор=Pontus Skoglund, Jan Storå, Anders Götherström, Mattias Jakobsson|заглавие=Accurate sex identification of ancient human remains using DNA shotgun sequencing|ссылка=http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0305440313002495|издание=Journal of Archaeological Science|том=40|выпуск=12|страницы=4477–4482|doi=10.1016/j.jas.2013.07.004}}</ref>.

Значимый интерес вызывает дДНК в контексте палеоэпидемологии. Диагностику заболеваний по скелетным останкам и изучение древних пандемий почти невозможно проводить без анализа ДНК [[Патоген|возбудителей]], сохранившейся в останках больных, что стало возможно только в 1990 годах. В ближайшие годы основное внимание будет уделяться обнаружению возможных вымерших инфекционных бактериальных [[Штамм|штаммов]], а также сопоставлению детектируемых по останкам симптомов болезни с современными знаниями о конкретном заболевании. С увеличением количества данных изучение дДНК может внести важный вклад в историческую эпидемиологию в будущем<ref>{{Статья|автор=Adrian M. Whatmore|заглавие=Ancient-Pathogen Genomics: Coming of Age?|ссылка=http://mbio.asm.org/content/5/5/e01676-14|язык=en|издание=mBio|год=2014-10-31|том=5|выпуск=5|страницы=e01676–14|issn=2150-7511|doi=10.1128/mbio.01676-14}}</ref>.


== Технические сложности ==
== Технические сложности ==

Версия от 00:48, 21 апреля 2018

ДНК, выделенная из древнеегипетской мумии возрастом 4,000 лет

Древняя ДНК (aDNA, дДНК) — это ДНК, извлечённая из древних биологических образцов, таких как палеонтологические и археологические находки, мумифицированные останки, засохшие остатки растений, копролиты. В широком смысле под древней ДНК понимается любая частично деградировавшая ДНК, извлечённая из образцов, длительное время подвергавшихся воздействию среды. Исследования древней ДНК позволяют устанавливать филогенетические отношения между видами и проверять гипотезы о связи изменений в окружающей среде и эволюционных изменений популяций, а также предоставляют информацию для калибровки молекулярных часов[1].

При работе с дДНК исследователи сталкиваются со множеством проблем, связанных с сохранностью образцов. ДНК может деградировать с течением времени, химически модифицироваться. Такие методы как секвенирование нового поколения и обогащение ДНК-библиотек путем гибридизации позволяют заметно увеличить количество получаемых из образцов информации. В настоящее время возможно извлечение и анализ ДНК таких давно вымерших биологических видов, как, например, мамонты, древние люди или даже патогенные бактерии.

История

Исследования древней ДНК (дДНК) начались в 1984 году с секвенирования фрагмента митохондриальной ДНК квагги[2], подвида бурчелловой зебры, вымершего во второй половине XIX века. Было обнаружено, что ДНК не только сохраняется на протяжении более полутора века, но также может быть частично выделена и секвенирована. Вскоре после этого Сванте Паабо секвенировал образцы, полученные из человеческих мумий.[3][4] Эти исследования использовали бактериальное клонирование для амплификации фрагментов ДНК. Оказалось, что большая часть ДНК в образцах имеет бактериальное или грибное происхождение, а поддающаяся амплификации эндогенная ДНК состоит в основном из коротких повреждённых фрагментов многокопийных локусов (например, мтДНК) и составляет малую часть исследованной ДНК. Изобретение ПЦР позволило амплифицировать даже немногочисленные сохранившиеся фрагменты ДНК и дало толчок к развитию этой области, однако также увеличило чувствительность результатов к контаминации[5].

Области применения

Исследование древней ДНК имеет важное значение для таких областей науки как генетика, палеозоология, палеоэпидемология, антропология (особенно палеоантропология) и археология. От последней развилась отдельная отрасль науки - палеогенетика.

С точки зрения генетики, интерес представляют родственные связи между организмами, все из которых связаны наличием общего предка. Анализ древней ДНК может использоваться для оценки их биологической близости на основе генетического материала. Особое внимание здесь уделяется областям высокой изменчивости - участкам ДНК, где мутации происходят часто. В частности, это короткие тандемные повторы (STR) и однонуклеотидные полиморфизмы (SNP).[6].

Особенно перспективным является анализ митохондриальной ДНК, так как она имеет гораздо большее количество копий по сравнению с ядерной ДНК (около 1000 копий митохондриальных ДНК и 2 копии ядерной ДНК на клетку). Однако митохондрии передаются только по материнской линии, и анализировать их можно только по ней[6].

Анализ древней ДНК также позволяет устанавливать половую принадлежность скелетных останков представителей видов, женские и мужские особи которых отличаются набором половых хромосом, когда другие методы, на пример антропометрия, не могут дать точного ответа[7].

Значимый интерес вызывает дДНК в контексте палеоэпидемологии. Диагностику заболеваний по скелетным останкам и изучение древних пандемий почти невозможно проводить без анализа ДНК возбудителей, сохранившейся в останках больных, что стало возможно только в 1990 годах. В ближайшие годы основное внимание будет уделяться обнаружению возможных вымерших инфекционных бактериальных штаммов, а также сопоставлению детектируемых по останкам симптомов болезни с современными знаниями о конкретном заболевании. С увеличением количества данных изучение дДНК может внести важный вклад в историческую эпидемиологию в будущем[8].

Технические сложности

Деградация ДНК

Обычно после смерти организма ДНК расщепляется эндогенными нуклеазами. Этого не происходит, если нуклеазы оказываются быстро разрушены или инактивированы, например, вследствие обезвоживания останков, низких температур или большой концентрации соли.[9] Даже в этом случае ДНК со временем повреждается в результате случайного гидролиза или окисления. К гидролитическим повреждениям относятся разрушение фосфатного остова цепи, шаблон не поддерживает такой синтаксис (соответствующая позиция остается без азотистого основания) и дезаминирование. Чаще происходит дезаминирование цитозина в урацил, метилированный цитозин (5-метил-цитозин) дезаминируется в тимин; реже аденин превращается в гипоксантин, который комплементарен цитозину, а не тимину, что ведет к неправильному прочтению при секвенировании. Эти повреждения происходят и в живых клетках, однако там они устраняются в процессе репарации. Кроме того, возникают поперечные сшивки между цепями спирали ДНК из-за алкилирования или сшивки ДНК с различными молекулами в результате реакции Майяра. Как и разрывы цепи, поперечные сшивки мешают амплификации при ПЦР[9][5]. Перед секвенированием древнюю ДНК подвергают специальной обработке, чтобы удалить продукты дезаминирования и поперечные сшивки. Средняя длина амплифицируемых фрагментов древней ДНК часто не превосходит 100 п.н., причём для находок из одного места раскопок средняя длина фрагментов убывает с увеличением возраста находки. Современные протоколы секвенирования дДНК учитывают эту особенность; в частности, вместо отжига праймеров на фрагменты ДНК к концам фрагментов присоединяются адаптеры, а праймерами служат олигонуклеотиды, комплементарные адаптерам[10].

При низких температурах деградация ДНК идет медленнее, что обеспечивает хорошую сохранность ДНК в образцах, найденных в районе вечной мерзлоты. Однако считается, что даже в идеальных условиях ДНК не может сохраняться на протяжении более 1 млн лет[9][5].

Контаминация

Под контаминацией понимается попадание в образец чужеродной ДНК во время захоронения, при извлечении, хранении или исследовании. Часто вследствие контаминации лишь малая доля ДНК в образце имеет эндогенное происхождение. Лучшие в этом отношении образцы содержат до 90 % эндогенной ДНК.[1]

Археологические образцы всегда содержат некоторое количество ДНК бактерий и грибов, которые колонизируют останки, пока те лежат в земле. Кроме того, в процессе исследования древней ДНК в образец может попасть человеческая или микробная ДНК, присутствующая в любой лаборатории. В отличие от древней ДНК современная хорошо амплифицируется при ПЦР. Продукты ПЦР, содержащие амплифицированную современную ДНК, могут распространиться по лаборатории и увеличить таким образом степень контаминации[1][5]. Для профилактики лабораторной контаминации рекомендуется продолжительная обработка оборудования ультрафиолетом или кислотой и соблюдение требований протокола работы в ПЦР-лабораториях. Исследование древней ДНК не должно проводиться в лаборатории, где ранее изучались современные образцы, особенно близких видов. Хорошим способом убедиться (и убедить научное сообщество) в истинности результатов является повторение исследования в другой лаборатории[5]. Многие археологические образцы, особенно найденные давно, подверглись контаминации в процессе извлечения и исследования. Если образец был найден несколько десятилетий назад, человеческая ДНК, которой он загрязнен, может обладать всеми признаками древней ДНК. Кости и зубы имеют пористую поверхность, что делает проблематичной их очистку от современной ДНК. Волосы оказываются в этом отношении предпочтительнее: содержащаяся в них ДНК малодоступна для бактерий, а гидрофобная поверхность позволяет очистить их перед извлечением ДНК[1]. В этом случае совпадение последовательностей, полученных в результате независимого исследования разных частей образца (например, бедра и зубов) в разных лабораториях свидетельствует в пользу истинности результата[5].

В случае человеческих останков контаминация современной человеческой ДНК может приводить к ошибкам при исследовании филогении и популяционной генетики. Существует статистический метод, позволяющий отличать древнюю ДНК от современной по паттерну дезаминирования[11]. Если известно, что образец ДНК принадлежит женщине, можно картировать отсеквенированные последовательности на Y-хромосому и детектировать таким образом попадание в образец мужской ДНК[12]. Если исследуется ДНК нечеловеческого происхождения, очевидным способом проверки на контаминацию является картирование полученных при секвенировании чтений на человеческий геном, а также на геномы других организмов в случае, если они могли быть источниками контаминации. При секвенировании древней бактериальной ДНК проблема состоит также в том, что известны геномы далеко не всех существующих ныне бактерий, так что из того, что полученная последовательность не входит в известные бактериальные геномы, нельзя заключить, что она принадлежит древней бактерии, а не получена в результате контаминации[5].

Вставки мтДНК и хпДНК в хромосомах

Вставки митохондриальной и пластидной ДНК часто встречаются в ядерной ДНК. При исследовании древних образцов ДНК нельзя выделить ДНК органелл, поэтому эти вставки могут быть источником ошибок, так как их не всегда легко отличить по последовательности от настоящей мтДНК или хпДНК. Если такие вставки будут приняты за ДНК органелл, это может исказить результаты исследования филогении или популяционной генетики[5].

Методы обработки древней ДНК

В качестве источника дДНК часто стараются использовать сохранившиеся части тела, не представляющие большого интереса с точки зрения анатомического строения. Из-за описанных выше процессов в большинстве древних образцов содержание интересующей исследователей дДНК очень мало - всего около 1%. Это количество сильно варьирует в зависимости от природы образца. Последние исследования показывают, что значительно больший выход эндогенной ДНК из останков предков человека достигается при выделении материала из зубов и каменистой части височной кости.[13]

Первым шагом является измельчение образца и выделение ДНК. В случае костных остатков используют пескоструйные пистолеты или специализированные дрели для первичной фрагментации. Далее частицы еще более измельчаются(до порошкообразного состояния) на перемешивающих мельницах. Порошок последовательно обрабатывается набором реагентов и подвергается центрифугированию для очистки ДНК от минералов и прочих примесей[14].

Следующий этап - изготовление ДНК-библиотек для последующего прочтения путем секвенирования нового поколения. Одним из последних заметных улучшений данного этапа является обогащение библиотек путем гибридизации[15].

В 2012 году в статье журнала Methods of Molecular Biology были представлены возможные методы выделения дДНК из сохранившихся растительных образцов. Как и в случае с дДНК животных, палеорастительные образцы доходят в сохранном виде до нашего времени зачастую из-за охлаждения во время масштабных оледенений [16].

«Допотопная» ДНК

«Допотопной» (англ. antediluvian) была названа ДНК старше 1 миллиона лет. Название было предложено в 1993 году Томасом Линдалом (Tomas Lindahl) в обзоре в Nature[17]. В 90-е годы появились сообщения о секвенировании ДНК, сохранившейся на протяжении миллионов лет в ископаемых остатках растений, костях динозавров и инклюзах в янтаре. Некоторые из этих результатов с большой вероятностью являются следствием контаминации, другие оказались невоспроизводимы.[9][5] Например, в ответ на публикацию в Science о секвенировании фрагмента митохондриальной ДНК из кости динозавра мелового периода (80 млн лет назад), вышли заметки, в одной из которых было указано, что при построении филогенетического дерева последовательность из кости динозавра кластеризуется с человеческой, а не с ортологичным участком из мтДНК птиц или крокодила, что свидетельствует о большой вероятности контаминации[18]; в другой заметке высказывалось предположение[19], что последовательность, приписанная динозавру, — это на самом деле древняя вставка мтДНК в человеческой хромосоме, попавшей в образец[20].

ДНК животных плейстоцена

Хорошо сохранившиеся образцы позволяют частично, а в некоторых случаях даже полностью секвенировать ядерный геном. В 2008 году была секвенирована ДНК, полученная из шерсти двух мамонтов, умерших около 20 и 59 тысяч лет назад. Картирование на черновую сборку генома африканского слона позволило оценить долю эндогенной ДНК в этих образцах в 90 % и 58 % соответственно; большую часть загрязнения в обоих случаях составили бактериальная ДНК и последовательности, происхождение которых определить не удалось. Полученные данные позволили оценить время расхождения между мамонтом и африканским слоном в 7,5 млн лет, а время расхождения между двумя линиями мамонта, для которых были взяты образцы, — в 1,5-2 млн лет. При этом секвенированная ДНК мамонтов совпадает со слоновьей на 99,41 % на нуклеотидном уровне и 99,78 % на аминокислотном уровне (то есть различие составляет примерно 1 остаток на белок). Принадлежность М4 и М25 к разным кладам была установлена ранее на основе секвенирования митохондриальной ДНК, и новая оценка на время расхождения согласуется с оценкой по мтДНК и уточняет последнюю. Одной из целей секвенирования мамонта было определение функционально важных аминокислотных различий между мамонтом и слоном. Были отобраны 92 различия между этими видами, которые могут иметь функциональное значение, и часть из которых, возможно, находилась под положительным отбором[21].

В одном из более ранних исследований в качестве образцов были взяты хорошо сохранившиеся при низких температурах останки восьми мамонтов из Музея мамонта в Хатанге. Для лучшего образца 45,4 % фрагментов ДНК выравнивались на сборку генома слона, при этом сходство между ДНК слона и мамонта составило 98,55 % без поправки на увеличение числа различий из-за дезаминации[22].

В 2013 году была получена черновая версия генома древней лошади[23]. Возраст образца оценивается в 560—780 тысяч лет. По состоянию на конец 2013 года это самый древний полный ядерный геном. Также были секвенированы ДНК лошади из позднего плейстоцена (~43 тысячи лет назад), пяти современных пород лошадей, лошади Пржевальского и осла. Филогенетический анализ показал, что последний общий предок всего рода Лошади жил 4-4,5 миллиона лет назад, что оказалось вдвое больше принятой до того оценки; популяции предков лошади Пржевальского и домашней лошади разошлись 38-72 тысячи лет назад. В том же году была восстановлена последовательность митохондриальной ДНК пещерного медведя из испанской пещеры шаблон не поддерживает такой синтаксис, жившего в среднем плейстоцене, 179—680 тыс. лет назад, причём техника подготовки дДНК к секвенированию была оптимизирована для лучшего прочтения коротких (30-50 пн) фрагментов[10]. По состоянию на октябрь 2013-го, древний геном отсеквенирован с покрытием больше единицы только для таких позвоночных, как человек, белый медведь и лошадь.

ДНК древних людей

Неандертальцы

На данный момент в европейской части Евразии найдено множество останков неандертальцев. Первым шагом в изучении их генетического материала была работа с митохондриальной ДНК, выделенной из костей, которые были обнаружены в 1856 году в долине реки Неандерталь (Германия). В 2006 году был начат проект по секвенированию полного генома неандертальца. В работе использовалась ДНК останков из пещеры Виндия в Хорватии, а также из некоторых других костей. Выравнивание полученного генома вместе с геномом современного человека и геномом шимпанзе, позволило грубо оценить время расхождения современного человека и неандертальца в 270—440 тыс. лет в предположении, что человек и шимпанзе разошлись 6,5 млн лет назад[24]. Геномы неандертальцев из шаблон не поддерживает такой синтаксис (Испания), шаблон не поддерживает такой синтаксис (Германия), Мезмайской пещеры (Россия) незначительно отличаются от первого.

Секвенирование ДНК древних людей даёт надежду установить функциональные геномные мутации, которые отличают древнего человека от обезьяны, а также проследить отличия современного человека от древних людей. Исследование выявило удивительно малое количество зафиксировавшихся замен в геноме за довольно долгое время. Было найдено всего лишь 5 генов, в которых у современного человека зафиксировалось больше одной замены, меняющей структуру белка (по сравнению с неандертальцем, который в этих локусах совпал с шимпанзе): шаблон не поддерживает такой синтаксис, SPAG17, CAN15, шаблон не поддерживает такой синтаксис и PCD16.

Сравнение разнообразия SNP для неандертальцев и современного человека позволяет локализовать мишени положительного отбора в геноме. Самый обширный такой участок генома, выявленный анализом различий SNP, принадлежит гену шаблон не поддерживает такой синтаксис, и SNP в ближайшем его окружении ассоциированы с диабетом 2 типа, а экспрессия этого гена существенно различается для больных диабетом и здоровых людей. В этом же регионе была обнаружена вставка 9 нуклеотидов в геноме человека, которая отсутствует у всех известных геномов от мыши до приматов и у неандертальца. Также SNP в других регионах ассоциируются с шизофренией, синдромом Дауна, аутизмом. Интерес представляет ген шаблон не поддерживает такой синтаксис, который является единственным известным на данный момент геном, связанным с развитием ключично-черепного дизостоза. Анализ SNP также выявляет примесь генетического материала неандертальцев в ДНК неафриканцев, что подтверждает теорию о скрещивании неандертальцев с современными людьми, произошедшем после выхода популяции последних из Африки.

Денисовцы

Именно анализ дДНК позволил обнаружить данную группу вымерших людей - изначально считалось, что найденные в Денисовой пещере фрагменты скелета (две фаланги пальцев и три коренных зуба) принадлежат неандертальцам. Секвенирование митохондриальной ДНК останков опровергло эту теорию и показало, что они принадлежат отдельной группе древних людей. Различие денисовцев и современных людей в 2 раза превышает различие неандертальцев и современных людей, однако для ядерной ДНК эти различия имеют одинаковый порядок. Возможное объяснение состоит в том, что денисовцы и неандертальцы происходят от общего предка, который ранее отделился от ветви будущего современного человека. Эту гипотезу подтвердило сравнение двух геномов древних людей (денисовец, неандерталец) и пяти геномов современных людей (представителей Франции, Китая, Папуа — Новой Гвинеи, африканских народностей Йоруба и Бушменов), а также выравнивание геномов денисовцев, неандертальцев и африканцев Йоруба на геном шимпанзе. Помимо этого, исследование показало, что денисовцы и неандертальцы являются сестринскими группами. Также было показано, что денисовцы, как и неандертальцы, скрещивались с некоторыми неафриканскими популяциями современных людей: примесь ДНК неандертальцев присутствует во всех неафриканских группах, а примесь денисовцев - у папуасов и меланезийцев.[12].

Филогенетические выводы по данным ядерной и митохондриальной ДНК расходятся. Это может объясняться, во-первых, тем, что мтДНК денисовцев представлена смешением других древних видов, данные по которым пока отсутствуют. Во-вторых, возможно, мтДНК денисовцев происходит из некой древней линии, которая не прижилась в неандертальцах и современных людях. Большой размер древних популяций делает более правдоподобной вторую гипотезу, хотя для однозначного ответа на этот вопрос данных пока недостаточно.

Гейдельбергский человек

Анализ практически полного митохондриального генома гейдельбергского человека из шаблон не поддерживает такой синтаксис позволил оценить возраст находки в 150—640 тысяч лет и показал, что митохондриальные геномы более схожи для гейдельбергского человека и денисовцев, чем для указанных видов и неандертальца, хотя по морфологическим признакам люди из Сима де лос Уэсос близки к неандертальцам. Есть несколько возможных объяснений. Люди из Сима де лос Уэсос могут представлять группу, отличную и от неандертальцев, и от денисовцев, которая внесла вклад в денисовскую мтДНК, но эта версия не объясняет морфологических черт неандертальцев у вида, напрямую с ними не связанного. Второе возможное объяснение состоит в том, что гейдельбергские люди относятся к общим предкам неандертальцев и денисовцев, однако эта версия предполагает существование в этой группе двух сильно разошедшихся линий мтДНК, предковых для неандертальцев и денисовцев. В третьих, не исключено влияние малоисследованных подвидов человека, которые могли сделать вклад в мтДНК гейдельберских людей и денисовцев. Анализ ядерной ДНК может прояснить картину[25].

Древняя эпигенетика

Информация о метилировании цитозинов в шаблон не поддерживает такой синтаксис может быть восстановлена непосредственно по данным секвенирования[26]. При дезаминировании, которое происходит случайно с течением времени, неметилированный цитозин превращается в урацил, а метилированный — в тимин. Протокол секвенирования древней ДНК предполагает обработку ДНК урацил-ДНК-гликозилазой и эндонуклеазой VIII, в результате которой урацил удаляется и молекула ДНК раскусывается в соответствующем месте с удалением поврежденного нуклеотида[27]. В результате при секвенировании для тех позиций, где цитозин был метилирован, будет получен большой процент чтений с Т, а неметилированный цитозин прочитается как C по тем молекулам, где дезаминирование в этом месте не произошло.

По последовательности ДНК, извлечённой из волос 4000-летних останков палеоэскимоса удалось построить полногеномную карту расположения нуклеосом и метилирования[28], причём профиль метилирования оказался близок к тому, что наблюдается в волосах современного человека.

Также восстановлена карта метилирования для неандертальцев и денисовцев[26][29]. Их метилом оказался похож на метилом современного человека, особенно в районе генов «домашнего хозяйства», однако найдено около 2000 областей со значимыми отличиями в метилировании. В частности, у древних людей найдены заметилированные участки в кластере HOXD, задействованном в регуляции развития конечностей, что может объяснять такие анатомические различия между ними и современными людьми, как менее длинные конечности, крупные кисти, широкие локтевые и коленные суставы[26][29].

Патогены

Современные методы экстракции и секвенирования дДНК позволяют проводить исследования патогенов, полученных из останков давно умерших от болезни людей. Филогенетический анализ полученных образцов позволяет восстанавливать эволюцию болезнетворных организмов. Секвенированы средневековые штаммы чумной палочки и палочки Хансена, а также штамм палочки Коха XIX-го века.

Чумная палочка

Исследования дДНК чумной палочки (Yersinia pestis), полученных из лондонских захоронений жертв «Чёрной смерти» установили, что чумная палочка того времени, если не считать возможных геномных перестроек, характерных для этого вида, и ограничиться однонуклеотидными полиморфизмами, мало отличалась от современных штаммов. Более того, для всех полиморфизмов, отличающих ее от современного штамма, в ней присутствовал вариант предка чумной палочки — Y. pseudotuberculosis. Эти данные позволяют предполагать, что генотип древней чумной палочки не являлся главной причиной её высокой вирулентности в то время и, возможно, его вклад был наравне с вкладом таких факторов, как генетически обусловленная восприимчивость носителей, климат, социальные условия, взаимодействия с другими болезнями. При помощи филогенетического анализа был установлен временной интервал, в который жил последний общий предок всех современных патогенных для человека штаммов чумной палочки: 1282—1343 года, причём древняя бактерия оказалась ближе всего к предковому узлу филогенетического дерева[30].

Фитофтора

В 2013 году было опубликовано показательное исследование в области секвенирования старых патогенов, посвященное не существующим ныне штаммам фитофторы (Phytophthora infestans), которые вызвали Великий Картофельный Голод в Ирландии в середине XIX века. Генетический материал этих патогенов был выделен из сохраненных листьев картофеля и томата разного времени. До настоящего времени, ввиду отсутствия методов секвенирования, анализ данных был невозможен. Ученые провели анализ разных штаммов патогенов, выделив родственные штаммы из растений в Ирландии, Северной Америки и Европы. Исследования показали, что группа штаммов вызвавшая вышеупомянутый голод (HERB-1) и Северо-Американская группа (US-1) имели последнего общего предка предположительно на территории Мексики на рубеже XVIII и XIX веков.

Даже если это исследование не столь интересно с точки зрения результатов, оно, тем не менее, полезно с точки зрения подходов к анализу дДНК возбудителей прошедших эпидемий как животных, так и растений. Данная область находится на раннем этапе своего развития, однако в случае систематического создания Биологических Банков, может послужить ключом к ускоренному поиску противомикробных препаратов в ближайшем будущем, в случае возникновения эпидемий, вызванных родственными возбудителями[31].

См. также

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 4 B. Shapiro, M. Hofreiter (24 January 2014). "A Paleogenomic Perspective on Evolution and Gene Function: New Insights from Ancient DNA". Science. 343 no. 6169: 3–16. doi:10.1126/science.1236573.
  2. ↑ Higuchi R. et al. DNA sequences from the quagga, an extinct member of the horse family (англ.) // Nature. — 1985. — Vol. 312, no. 5991. — P. 282-284. — doi:10.1038/312282a0. — PMID 6504142.
  3. ↑ Pääbo S. Molecular cloning of Ancient Egyptian mummy DNA (англ.) // Nature. — 1985. — Vol. 314, no. 6062. — P. 644-645. — doi:10.1038/314644a0. — PMID 3990798.
  4. ↑ Pääbo S. Molecular genetic investigations of ancient human remains (англ.) // Cold Spring Harb Symp Quant Biol. — 1986. — Vol. 51, no. Pt 1. — P. 441-446. — PMID 3107879.
  5. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Eske Willerslev and Alan Cooper (January 2005). "Review Paper. Ancient DNA". Proc. R. Soc. B. 272 no. 1558: 3–16. doi:10.1098/rspb.2004.2813.
  6. ↑ 1 2 Ermanno Rizzi, Martina Lari, Elena Gigli, Gianluca De Bellis, David Caramelli. Ancient DNA studies: new perspectives on old samples (англ.) // Genetics Selection Evolution. — 2012/12. — Т. 44, вып. 1. — С. 21. — ISSN 1297-9686. — doi:10.1186/1297-9686-44-21.
  7. ↑ Pontus Skoglund, Jan Storå, Anders Götherström, Mattias Jakobsson. Accurate sex identification of ancient human remains using DNA shotgun sequencing // Journal of Archaeological Science. — Т. 40, вып. 12. — С. 4477–4482. — doi:10.1016/j.jas.2013.07.004.
  8. ↑ Adrian M. Whatmore. Ancient-Pathogen Genomics: Coming of Age? (англ.) // mBio. — 2014-10-31. — Vol. 5, iss. 5. — P. e01676–14. — ISSN 2150-7511. — doi:10.1128/mbio.01676-14.
  9. ↑ 1 2 3 4 Michael Hofreiter, David Serre, Hendrik N. Poinar, Melanie Kuch and Svante Pääbo (2001). "Ancient DNA". Nature Reviews Genetics. 2: 353–359. doi:10.1038/35072071.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (ссылка)
  10. ↑ 1 2 Jesse Dabney; et al. (9 September 2013). "Complete mitochondrial genome sequence of a Middle Pleistocene cave bear reconstructed from ultrashort DNA fragments". PNAS. doi:10.1073/pnas.1314445110. {{cite journal}}: Явное указание et al. в: |author= (справка)
  11. ↑ Pontus Skoglund, Bernd H. Northoff, Michael V. Shunkov, Anatoli P. Derevianko, Svante Pääbo, Johannes Krause, and Mattias Jakobsson. (11 February 2014). "Separating endogenous ancient DNA from modern day contamination in a Siberian Neandertal". Proc. Natl. Acad. Sci. USA. vol. 111 no. 6: 2229–2234. doi:10.1073/pnas.1318934111. {{cite journal}}: |volume= имеет лишний текст (справка)Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (ссылка) Этот метод требует наличия референсного генома. В первом приближении метод выглядит следующим образом. Чтения выравниваются на геном, после чего рассматриваются позиции, где встречаются, например, цитозин и тимин. Сравниваются две модели: одна предполагает, что замена цитозина на тимин произошла в результате посмертной деградации ДНК, вторая предполагает, что это полиморфизм или ошибка секвенирования. Модель выбирается по методу максимального правдоподобия.
  12. ↑ 1 2 David Reich; et al. (23/30 December 2010). "Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia". Nature. vol. 468: 1053–1060. doi:10.1038/nature09710. {{cite journal}}: Проверьте значение даты: |year= (справка); |volume= имеет лишний текст (справка); Явное указание et al. в: |author= (справка)
  13. ↑ Henrik B. Hansen, Peter B. Damgaard, Ashot Margaryan, Jesper Stenderup, Niels Lynnerup. Comparing Ancient DNA Preservation in Petrous Bone and Tooth Cementum (англ.) // PLOS ONE. — 2017-01-27. — Vol. 12, iss. 1. — P. e0170940. — ISSN 1932-6203. — doi:10.1371/journal.pone.0170940.
  14. ↑ Jesse Dabney, Michael Knapp, Isabelle Glocke, Marie-Theres Gansauge, Antje Weihmann. Complete mitochondrial genome sequence of a Middle Pleistocene cave bear reconstructed from ultrashort DNA fragments (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2013-09-24. — Vol. 110, iss. 39. — P. 15758–15763. — ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490. — doi:10.1073/pnas.1314445110.
  15. ↑ Iosif Lazaridis, Dani Nadel, Gary Rollefson, Deborah C. Merrett, Nadin Rohland. Genomic insights into the origin of farming in the ancient Near East (англ.) // Nature. — 2016/08. — Т. 536, вып. 7617. — С. 419–424. — ISSN 1476-4687. — doi:10.1038/nature19310.
  16. ↑ Beth Shapiro and Michael Hofreiter (eds.). Ancient DNA: Methods and Protocols. — Methods in Molecular Biology. — © Springer Science+Business Media, LLC 2012. — С. vol. 840. — ISBN DOI 10.1007/978-1-61779-516-9_10.
  17. ↑ Lindahl T. Instability and decay of the primary structure of DNA (англ.) // Nature. — 1993. — Vol. 362, no. 6422. — P. 709-715. — doi:10.1038/362709a0. — PMID 8469282.
  18. ↑ S. Blair Hedges, Mary H. Schweitzer (26 May 1995). "Detecting dinosaur DNA". Science. 268 no. 5214: 1191–1192. doi:10.1126/science.7761839.
  19. ↑ В то время сборки человеческого генома ещё не существовало. См. Проект «Геном человека»
  20. ↑ Zischler H., Höss M., Handt O., von Haeseler A., van der Kuyl A.C., Goudsmit J. (26 May 1995). "Detecting dinosaur DNA". Science. 268 no. 5214: 1193–4. doi:10.1126/science.7605504.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (ссылка)
  21. ↑ Web Miller; et al. (20 november 2008). "Sequencing the nuclear genome of the extinct woolly mammoth". Nature. vol. 456: 387–392. doi:10.1038/nature07446. {{cite journal}}: Проверьте значение даты: |year= (справка); |volume= имеет лишний текст (справка); Явное указание et al. в: |author= (справка)
  22. ↑ Hendrik N. Poinar; et al. (20 January 2006). "Metagenomics to Paleogenomics: Large-Scale Sequencing of Mammoth DNA". Science. vol. 311: 392–394. doi:10.1126/science.1123360. {{cite journal}}: |volume= имеет лишний текст (справка); Явное указание et al. в: |author= (справка)
  23. ↑ Ludovic Orlando; et al. (26 June 2013). "Recalibrating Equus evolution using the genome sequence of an early Middle Pleistocene horse". Nature. vol. 499: 74–78. doi:10.1038/nature12323. {{cite journal}}: |volume= имеет лишний текст (справка); Явное указание et al. в: |author= (справка)
  24. ↑ Richard E. Green; et al. (7 May 2010). "A Draft Sequence of the Neandertal Genome". Science. vol. 328: 710–722. doi:10.1126/science.1188021. {{cite journal}}: |volume= имеет лишний текст (справка); Явное указание et al. в: |author= (справка)
  25. ↑ Matthias Meyer; et al. (16 January 2014). "A mitochondrial genome sequence of a hominin from Sima de los Huesos". Nature. 505: 403–406. doi:10.1038/nature12788. {{cite journal}}: Явное указание et al. в: |author= (справка)
  26. ↑ 1 2 3 Elizabeth Pennisi (18 April 2014). "Ancient DNA Holds Clues to Gene Activity in Extinct Humans". Science. Vol. 344 no. 6181: pp. 245-246. doi:10.1126/science.344.6181.245. {{cite journal}}: |pages= имеет лишний текст (справка); |volume= имеет лишний текст (справка)
  27. ↑ Briggs; et al. (22 Dec 2009). "Removal of deaminated cytosines and detection of in vivo methylation in ancient DNA". Nucl. Acids Res. Vol. 38 (6): pp. e87. doi:10.1093/nar/gkp1163. {{cite journal}}: |pages= имеет лишний текст (справка); |volume= имеет лишний текст (справка); Явное указание et al. в: |author= (справка)
  28. ↑ Jakob Skou Pedersen; et al. (3 December 2013). "Genome-wide nucleosome map and cytosine methylation levels of an ancient human genome". Genome Res. 24: 454–466. doi:10.1101/gr.163592.113. {{cite journal}}: Явное указание et al. в: |author= (справка)
  29. ↑ 1 2 David Gokhman, Eitan Lavi, Kay Prüfer, Mario F. Fraga, José A. Riancho, Janet Kelso, Svante Pääbo, Eran Meshorer, Liran Carmel (April 17 2014). "Reconstructing the DNA Methylation Maps of the Neandertal and the Denisovan". Science. Published Online. doi:10.1126/science.1250368. {{cite journal}}: Проверьте значение даты: |year= (справка)Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (ссылка)
  30. ↑ Kirsten I. Bos, Verena J. Schuenemann, G. Brian Golding, Hernán A. Burbano, Nicholas Waglechner. A draft genome of Yersinia pestis from victims of the Black Death (англ.) // Nature. — 2011/10. — Т. 478, вып. 7370. — С. 506–510. — ISSN 1476-4687. — doi:10.1038/nature10549.
  31. ↑ Kentaro Yoshida Verena J Schuenemann Liliana M Cano Marina Pais Bagdevi Mishra Rahul Sharma Chirsta Lanz Frank N Martin Sophien Kamoun Johannes Krause Marco Thines Detlef Weigel Hernán A Burbano. The rise and fall of the Phytophthora infestans lineage that triggered the Irish potato famine (англ.) // eLife. — 2013. — Май.

Литература

Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Секвенирование_древней_ДНК&oldid=92200396