Archeogenetika

Archeogenetika (z archeo + genetika ) je obor molekulární genetiky , ve kterém se metody populační genetiky uplatňují při studiu lidské historie. Termín „archeogenetika“ zavedl britský archeolog Colin Renfrew .

V roce 1963 Emil Zuckerkandl a chemik Linus Pauling navrhli termín „paleogenetika“ a „kmotrem“ nové disciplíny se stal biolog Svante Paabo , který za své úspěchy obdržel v roce 2022 Nobelovu cenu.

Mezi metody archeogenetiky patří zejména:

• analýza DNA získané z archeologických pozůstatků ( starověká DNA );
• analýza DNA moderních populací (lidí, domácích rostlin a zvířat) za účelem studia lidské minulosti a genetického dědictví lidské interakce s biosférou;
• aplikace statistických metod molekulární genetiky na archeologická data.

Předchůdci archeogenetiky byly studie krevních skupin a rané práce o vazbách mezi klasickými genetickými markery a lingvistickými a etnickými skupinami. Mezi první badatele v tomto směru patří Ludwik Hirschfeld a Hanka Hirschfeld , William Boyd a Arthur Muran . Počínaje 60. lety Luigi Luca Cavalli-Sforza používal klasické genetické markery ke studiu prehistorické populace Evropy , což vyústilo v publikaci jeho studie Historie a geografie lidských genů v roce 1994.

V poslední době genetici analyzovali genetickou historii všech hlavních plodin (jako je pšenice, rýže, kukuřice) a domácích zvířat (jako jsou krávy, kozy, prasata, koně). Byly navrženy modely pro chronologii a biogeografii jejich domestikace a následného šlechtění, většinou založené na datech mitochondriální DNA .

Antonio Amorim použil termín „archeogenetika“ výhradně v odkazu na genetická data antropogeneze . Velmi ambiciózní koncept obnovy vyhynulých druhů pomocí genetických metod předložili Linus Pauling a Emil Zuckerkandl.

Rané práce

Ludwik Hirschfeld (1884-1954)

Ludwik Hirschfeld byl polský mikrobiolog a sérolog a prezident sekce krevních skupin na druhém mezinárodním kongresu o krevní transfuzi. V roce 1910 založil s Erichem von Dungernem metodu dědičnosti krevní skupiny a během svého života k této metodě mnoho přispěl. [1] Studoval krevní skupiny ABO . V jedné ze svých studií v roce 1919 Hirsfeld zdokumentoval krevní skupiny ABO a barvu vlasů lidí na makedonské frontě, což vedlo k jeho objevu, že barva vlasů a krevní skupina nemají žádnou korelaci . Kromě toho si všiml, že došlo k poklesu krevní skupiny A ze západní Evropy do Indie a naopak u krevní skupiny B. Navrhl, že poměr krevních skupin z východu na západ pochází ze dvou krevních skupin, skládajících se převážně z A nebo B mutující z krevní skupiny O a mísí se migrací nebo míšením. Většina jeho práce byla věnována studiu vztahu krevních skupin k pohlaví, nemoci, klimatu, věku, sociální třídě a rase. Jeho práce ho vedla k objevu, že peptický vřed byl dominantnější u krevní skupiny O a že matky krevní skupiny AB měly při narození vysoký poměr mužů a žen. [2] [3]

Arthur Morant (1904–1994)

Arthur Morant byl britský hematolog a chemik . Získal mnoho ocenění, zejména stipendium od Royal Society . Jeho práce zahrnovala organizování existujících dat o frekvencích genů krevních skupin a významný příspěvek ke genetické mapě světa prostřednictvím studia krevních skupin v mnoha populacích . Morant objevil nové antigeny krevních skupin na systémech Lewis, Henshaw, Kell a Macaque a analyzoval asociace krevních skupin a různé další nemoci. Zaměřil se také na biologický význam polymorfismů . Jeho práce poskytla základ pro archeogenetiku, protože přispěla ke sdílení genetických dat o biologických vztazích mezi lidmi. Poskytl také materiál, který by mohl být použit k hodnocení teorií populační genetiky. [čtyři]

William Boyd (1903–1983)

William Boyd byl americký imunochemik a biochemik , který se proslavil výzkumem genetiky rasy v 50. letech minulého století. [5] Během 40. let 20. století Boyd a Carl O. Renkonen nezávisle na sobě objevili, že lektiny reagují odlišně na různé krevní skupiny a že surové výtažky z fazolí lymfatických a taftové vikve aglutinují červené krvinky krevní skupiny A, nikoli však krevní skupiny B resp. O. To nakonec vedlo k objevu tisíců rostlin obsahujících tyto proteiny . [6] Ke studiu rasových rozdílů a distribuce a migračních vzorců různých rasových skupin Boyd systematicky sbíral a klasifikoval vzorky krve z celého světa, což vedlo k jeho objevu, že krevní skupiny nejsou ovlivněny prostředím a jsou dědičné. Boyd ve své knize Genetics and the Human Races (1950) rozdělil světovou populaci na 13 různých ras na základě jejich různých profilů krevních skupin a své myšlenky, že lidské rasy jsou populace s různými alelami. [7] Jedním z nejčastějších zdrojů informací o dědičných vlastnostech spojených s rasou zůstává studium krevních skupin. [osm]

Metody

Zachování fosilní DNA

Hledání fosilií začíná výběrem místa vykopávek. Potenciální místa vykopávek jsou obvykle identifikována s mineralogií místa a vizuálním objevem kostí v oblasti. Existují však i jiné způsoby, jak detekovat vytěžené oblasti pomocí technologií, jako je přenosná rentgenová fluorescence v terénu [9] a hustá stereo rekonstrukce. [10] Používané nástroje zahrnují nože, kartáče a špičaté hladítka, které pomáhají při odstraňování zkamenělin ze země. [jedenáct]

Aby se předešlo kontaminaci starověkou DNA , se vzorky se manipuluje v rukavicích a ihned po objevení se skladují při -20 °C. Zajištění toho, aby byl fosilní vzorek analyzován v laboratoři , která nebyla použita pro jinou analýzu DNA, může také zabránit kontaminaci. Kosti jsou rozemlety na prášek a ošetřeny roztokem před procesem polymerázové řetězové reakce (PCR). [12] Vzorky pro amplifikaci DNA nemusí být fosilní kosti. V určitých situacích lze také použít konzervovanou kůži, konzervovanou solí nebo sušenou na vzduchu. [13]

Uchování DNA je obtížné, protože kostní fosílie se kazí a DNA je chemicky modifikována, obvykle bakteriemi a houbami v půdě. Nejlepší čas na extrakci DNA z fosílie je, když byla právě objevena, protože obsahuje šestkrát více DNA než uložené kosti. Teplota extrakčního místa také ovlivňuje množství získané DNA, o čemž svědčí pokles úspěšnosti amplifikace DNA , pokud jsou fosilie nalezeny v teplejších oblastech. Dramatická změna v prostředí fosilií ovlivňuje také zachování DNA. Vzhledem k tomu, že vykopávky způsobují drastické změny v prostředí fosilií, mohou vést k fyzikálním a chemickým změnám v molekule DNA. Kromě toho, další faktory, jako je manipulace s nekontaminovanými fosiliemi (např. mytí, kartáčování a sušení na slunci), ph, ozáření , chemie kostí a půdy a hydrologie také ovlivňují uchování DNA . Existují tři diagenetické fáze uchování. První fází je bakteriální hniloba, která podle odhadů způsobí 15násobnou degradaci DNA. Fáze 2 - kdy je kost chemicky zničena, především depurací. Třetí diagenetická fáze nastává po získání a uložení fosílie, v této fázi dochází nejrychleji k destrukci kostní DNA. [čtrnáct]

Metody extrakce DNA

Jakmile je vzorek odebrán z archeologického naleziště, DNA může být extrahována řadou procesů. [15] Jedna z nejběžnějších metod využívá křemík a výhody polymerázové řetězové reakce ke sběru starověké DNA ze vzorků kostí. [16]

Existuje několik problémů, které zvyšují obtížnost při pokusu extrahovat starověkou DNA z fosilií a připravit ji k analýze. DNA se neustále rozpadá. Zatímco je organismus naživu, tyto trhliny se obnovují; jakmile však organismus zemře, DNA se začne rozpadat, aniž by byla opravena. Výsledkem jsou vzorky, které mají řetězce DNA dlouhé přibližně 100 párů bází. Dalším velkým problémem v několika fázích procesu je kontaminace. Často bude v původním vzorku přítomna jiná DNA, jako je bakteriální DNA. Aby se zabránilo kontaminaci, musí být přijata řada opatření, jako jsou samostatné ventilační systémy a pracovní prostory pro prastarou práci s extrakcí DNA. [17] Nejlepšími vzorky k použití jsou čerstvé fosilie, protože neopatrné mytí může vést k růstu plísní . [15] DNA pocházející z fosilií také někdy obsahuje sloučeninu, která inhibuje replikaci DNA. [18] Dosažení konsenzu o tom, které metody jsou nejlepší pro zmírnění problémů, je také obtížné kvůli nedostatečné opakovatelnosti způsobené jedinečností vzorků. [17]

Extrakce DNA na bázi oxidu křemičitého je technika používaná jako krok čištění k izolaci DNA z archeologických kostních artefaktů a získání DNA, kterou lze amplifikovat pomocí technik polymerázové řetězové reakce (PCR). [18] Tento proces funguje pomocí oxidu křemičitého jako prostředku k navázání DNA a jejímu oddělení od ostatních složek fosilního procesu, které inhibují PCR amplifikaci . Samotný oxid křemičitý je však také silným inhibitorem PCR , takže je třeba dbát na to, aby byl oxid křemičitý z DNA po extrakci odstraněn. [19] Obecný proces extrakce DNA pomocí metody na bázi oxidu křemičitého je popsán následovně: [16]

1. Vzorek kosti se vyčistí a vnější vrstva se seškrábne
2. Vzorek se odebírá z výhodně kompaktní sekce
3. Vzorek se rozemele na jemný prášek a přidá se do extrakčního roztoku, aby se uvolnila DNA.
4. Přidá se roztok oxidu křemičitého a odstředí se, aby se usnadnila vazba DNA
5. Vazebný roztok se odstraní a k roztoku se přidá pufr pro uvolnění DNA z oxidu křemičitého.

Jednou z hlavních výhod extrakce DNA na bázi oxidu křemičitého je, že je relativně rychlá a účinná, vyžaduje pouze základní laboratorní nastavení a chemikálie . Je také nezávislý na velikosti vzorku, protože proces lze upravit tak, aby vyhovoval větším nebo menším množstvím. Další výhodou je, že proces lze provádět při teplotě místnosti. Tato metoda má však některé nevýhody. V zásadě lze extrakci DNA na bázi oxidu křemičitého aplikovat pouze na vzorky kostí a zubů; nelze je použít na měkké tkáně. I když fungují dobře na různé fosílie, mohou být méně účinné na fosílie, které nejsou čerstvé (jako jsou zpracované fosilie pro muzea ). Kontaminace navíc představuje riziko pro veškerou replikaci DNA jako celku a tato metoda může při aplikaci na kontaminovaný materiál vést k zavádějícím výsledkům. [16]

Polymerázová řetězová reakce  je proces, který může amplifikovat segmenty DNA a často se používá na obnovené starověké DNA . Má tři hlavní kroky: denaturaci , žíhání a expanzi. Denaturace rozděluje DNA na dvě samostatná vlákna při vysokých teplotách. Annealing zahrnuje připojení řetězců DNA primeru k jednotlivým řetězcům, které umožňují Taq polymeráze připojit se k DNA . Expanze nastane, když se ke vzorku přidá Taq polymeráza a spáruje páry bází, aby se ze dvou jednoduchých řetězců stala dvě kompletní dvojitá vlákna. [15] Tento proces se mnohokrát opakuje a při použití se starověkou DNA se obvykle opakuje vícekrát. [20] Některé problémy s PCR jsou v tom, že vyžaduje překrývající se páry primerů pro starověkou DNA kvůli krátkým sekvencím. Může také existovat „skoková PCR“, která způsobí rekombinaci během procesu PCR, což může ztížit analýzu DNA v heterogenních vzorcích.

Metody analýzy DNA

DNA extrahovaná z fosilií je sekvenována především pomocí masivního paralelního sekvenování [21] , které umožňuje současnou amplifikaci a sekvenování všech segmentů DNA ve vzorku, i když je vysoce fragmentovaný a má nízkou koncentraci. [22] To zahrnuje připojení společné sekvence ke každému jednotlivému vláknu, ke kterému se mohou vázat běžné primery , a tak je amplifikována veškerá přítomná DNA. Je obecně dražší a časově náročnější než PCR , ale kvůli obtížím spojeným se starověkou amplifikací DNA je levnější a účinnější. [22] Jedna z metod masivně paralelního sekvenování vyvinutá Marguliesem a kol. využívá perličkové emulzní PCR a pyrosekvenování [ 23] a bylo zjištěno, že je účinná při analýze DNA, protože zabraňuje potenciální ztrátě vzorku, kompetitivnímu substrátu mimo matrici a šíření chyb během replikace . [24]

Nejběžnějším způsobem analýzy sekvence DNA je její porovnání se známou sekvencí z jiných zdrojů, a to lze provést různými způsoby pro různé účely.

Viz také

• genetická genealogie
• Mumie, které prošly testováním DNA
• Paleoantropologie
• Starověká DNA
• Sekvenování DNA

Literatura

• Cann, RL, Stoneking, M. a Wilson, AC, 1987, Mitochondriální DNA a lidská evoluce, Nature 325; str. 31-36
• Cavalli-Sforza, LL, Menozzi, P. a Piazza, A., 1994, Historie a geografie lidských genů . Princeton: Princeton University Press.
• Renfrew, AC a Boyle, KV, (Eds), 2000, Archeogenetika: DNA a populační prehistorie Evropy . Cambridge: McDonaldův institut pro archeologický výzkum.
• Indické konsorcium pro variace genomu. Genetická krajina lidí v Indii: plátno pro výzkum genů nemocí  //  Journal of Genetics : deník. - 2008. - Sv. 87 , č. 1 . - str. 3-20 . [jeden]
• Amorim A (1999) Archeogenetika. Journal of Iberian Archaeology 1:15-25
• Pauling L, Zuckerkandl E (1963) Chemická paleogenetika: molekulární restaurátorské studie vyhynulých forem života. Acta Chem. Sken 17:89
• Laboratoř molekulární genetiky, McDonaldův institut pro archeologický výzkum
• S. Borinskaya. Úspěchy a rysy v práci se starověkou DNA a DNA ze složitých forenzních vzorků

Poznámka

1. ↑ Steffen Katrin (2013). „Odbornost a modernizace: Národní zdravotní péče v Polsku v první polovině dvacátého století“ Archivováno 13. července 2020 na Wayback Machine . Jahrbücher für Geschichte Osteuropas.
2. ↑ T. M. Allan, (1963), „Hirschfeld and the ABO Blood Types“ Archivováno 19. dubna 2022 na Wayback Machine , British Journal of Preventive and Social Medicine
3. ↑ Ludwik Hirschfeld - Velká lékařská encyklopedie . Získáno 2. června 2022. Archivováno z originálu dne 21. ledna 2021. (neurčitý)
4. ↑ Derek F. Roberts, (1997), "Nekrolog: Arthur Morant (1904-1994)". Biologie člověka.
5. ↑ Monk Ray, (2014), Robert Oppenheimer: Life at the Center Archived 13. července 2020 na Wayback Machine .
6. ↑ Espino-Solis, Gerardo Pavel, (2015), "Lektiny: Stručná recenze."
7. ↑ Boyd, William Clouser, (2016), Star-Lord, CreateSpace-Independent Publishing Platform.
8. ↑ Parry, Melanie (1997). "Biografický slovník fotoaparátů (Bio Ref Bank)"
9. ↑ Cohen, David R.; Cohen, Emma J.; Graham, Ian T.; Soares, Georgia G.; Ruka, Suzanne J.; Archer Michael (říjen 2017). „Geochemický průzkum fosilií obratlovců pomocí polních přenosných rentgenových paprsků“. Journal of Geochemical Research.
10. ↑ Callieri, Marco; Dell'Unto, Nicolò; Dellepiane, Matteo; Scopigno, Roberto; Söderberg, Bengt; Larsson, Lars (2011). Dokumentace a interpretace archeologického naleziště: Zkušenost s nástroji pro rekonstrukci hustého stereofonního systému Archivováno 31. března 2019 ve Wayback Machine
11. ↑ Brothwell, Don R. (1981). Vykopání kostí: Vykopání a studium lidských kosterních pozůstatků. Cornell University Press, pp. 2-3.
12. ↑ Michael Scholz; Lutz Bachman; Graham J. Nicholson; Bachman, Jutta; Giddings, Jan; Rüschhoff-Thalé, Barbara; Czarnetzki, Alfred; Push, Carsten M. (2000-06-01). „Genomická diferenciace neandrtálců a anatomicky moderních lidí umožňuje klasifikaci morfologicky nerozlišitelných kostí hominidů na základě fosilní DNA“ Archivováno 19. dubna 2022 na Wayback Machine , American Journal of Human Genetics .
13. ↑ Yang, H.; Golenberg E. M. Shoshani J. (červen 1997). „Proboscis DNA z muzejních a fosilních vzorků: Hodnocení starověkých technik pro izolaci a amplifikaci DNA“. Biochemická genetika .
14. ↑ Michael Scholz; Lutz Bachman; Graham J. Nicholson; Bachman, Jutta; Giddings, Jan; Rüschhoff-Thalé, Barbara; Czarnetzki, Alfred; Push, Carsten M. (2000-06-01). „Genomická diferenciace neandrtálců a anatomicky moderních lidí umožňuje klasifikaci morfologicky nerozlišitelných kostí hominidů na základě fosilní DNA“ Archivováno 19. dubna 2022 na Wayback Machine , American Journal of Human Genetics .
15. ↑ 1 2 3 Erica Hagelberg; J. B. Clegg, (1991-04-22). „Izolace a charakterizace DNA z archeologické kosti“ Archivováno 31. března 2019 na Wayback Machine , Court of the Royal Society of London.
16. ↑ 1 2 3 Nadine Roland; Michael Hofreiter, (červenec 2007), "Starověká extrakce DNA z kostí a zubů." Protokoly přírody .
17. ↑ 1 2 O. Handt; M. Hess; M. Krings; S. Paabo, (1994-06-01). „Starověká DNA: metodologické problémy“ .
18. ↑ 1 2 M. Hoss; S. Paabo, (1993-08-11). „Extrakce DNA z pleistocénních kostí metodou čištění na bázi oxidu křemičitého“. Archivováno 2. července 2019 ve Wayback Machine Nucleic acid research.
19. ↑ Dongya Yang; Barry Ang; John S. Way; J. Christopher Dudar; Shelley R. Saunders, (1998-04-01). „Vylepšená extrakce DNA ze starých kostí pomocí kolon na bázi oxidu křemičitého“. Americký žurnál fyzické antropologie.
20. ↑ Abigail Bowman; Frank Rühli, (2016-09-01). „Archeogenetika v evoluční medicíně“. Journal of Molecular Medicine .
21. ↑ Svante Paabo; Hendrik Poinar; David Serre; Juliana Hebler; Nadine Roland; Melanie Cooch; Johannes Krause a další (2004). „Genetické analýzy ze starověké DNA“ . Výroční přehled genetiky.
22. ↑ 1 2 Abigail Bowman; Frank Rühli, (2016-09-01). „Archeogenetika v evoluční medicíně“. Journal of Molecular Medicine.
23. ↑ Marcel Margulis; Michael Egholm; William E. Altman; Řekl Attiya; Joel S. Bader; Lisa A. Bemben; Jan Berka; Michael S. Braverman. (2005-09-15). „Sekvenování genomu ve vysoce výkonných pikolitrových reaktorech s vysokou hustotou“. Příroda .
24. ↑ Green, Richard E.; Krause, Johannes; Ptak, Susan E.; Briggs, Adrian W.; Ronan, Michael T.; Simons, Jan F.; Du, Lei; Egholm, Michael; Rothberg, Jonathan M. (2006-11-16). „Analýza jednoho milionu párů bází neandrtálské DNA“. Příroda .

Odkazy

V bibliografických katalozích	GND : 1186017988