Палеогеномика

Палеогеномика — область науки, основанная на реконструкции и анализе геномной информации вымерших видов . Усовершенствованные методы извлечения древней ДНК (аДНК) из музейных артефактов, ледяных кернов , археологических или палеонтологических памятников, а также технологии секвенирования нового поколения стимулировали эту область. Теперь можно обнаружить генетический дрейф , древнюю миграцию популяций и взаимосвязи, историю эволюции вымерших видов растений, животных и людей , а также выявлять фенотипические особенности в разных географических регионах. Ученые также могут использовать палеогеномику для сравнения древних предков с современными людьми. ^{[ 1 ]} О растущем значении палеогеномики свидетельствует тот факт, что Нобелевская премия по физиологии и медицине 2022 года была присуждена шведскому генетику Сванте Паабо [1955-], работавшему в области палеогеномики.

Фон

Первоначально секвенирование адДНК включало клонирование небольших фрагментов в бактерии, которое проходило с низкой эффективностью из-за окислительного повреждения, которому аДНК подвергалась на протяжении тысячелетий. ^{[ 2 ]} адДНК трудно анализировать из-за легкой деградации нуклеазами ; конкретная среда и посмертные условия улучшили изоляцию и анализ. экстракции и загрязнения . Для надежного анализа были необходимы протоколы ^{[ 3 ]} С развитием полимеразной цепной реакции ( ПЦР ) в 1983 году ученые смогли изучать образцы ДНК возрастом примерно до 100 000 лет, что является ограничением относительно коротких изолированных фрагментов. Благодаря достижениям в области изоляции, амплификации, секвенирования и реконструкции данных все более старые образцы стали доступны для анализа. За последние 30 лет митохондриальная ДНК с большим количеством копий смогла ответить на многие вопросы; появление методов NGS побудило к гораздо большему. Более того, эта технологическая революция позволила перейти от палеогенетики к палеогеномике. ^{[ 1 ]}

Методы секвенирования

Проблемы и методы

ПЦР , NGS Для секвенирования ДНК доступны второго поколения и различные библиотечные методы, а также множество инструментов биоинформатики . При использовании каждого из этих методов важно учитывать, что ДНК может быть изменена после смерти. ^{[ 2 ]} Конкретные изменения возникают из-за:

Данные последовательности базовых мутационных паттернов (мутация C->T)
Ссылки
Дезаминирование цитозина (увеличивается к концам чтения)
Очистка
Фрагментация генома

Конкретные закономерности и начало этих изменений помогают ученым оценить возраст образца.

Раньше ученые диагностировали посмертные повреждения, используя ферментативные реакции или газовую хроматографию , связанную с масс-спектроскопией ; в последние годы ученые начали обнаруживать их, используя данные о последовательностях мутаций. Эта стратегия позволяет выявить избыток мутаций C->T после лечения урацил- ДНК-гликозилазой . В настоящее время используется высокопроизводительное секвенирование (HTS) для выявления депуринации (процесс, который приводит к посмертной фрагментации ДНК; более молодые образцы содержат больше аденина, чем гуанина ), одноцепочечных разрывов двойной спирали ДНК и абазисного сайта (созданного C- >Т-мутация).
Один фрагмент адДНК можно секвенировать по всей длине с помощью HTS. С помощью этих данных мы можем создать распределение, представляющее собой кривую уменьшения размера, которое позволит проводить прямое количественное сравнение фрагментации образцов в пространстве и условиях окружающей среды. По кривой распада можно получить медианную длину данного фрагмента ДНК. Эта длина отражает уровень фрагментации после смерти, который обычно увеличивается с температурой отложения. ^{[ 4 ]}

Библиотеки

можно использовать две разные библиотеки Для секвенирования ДНК с использованием ПЦР для генома амплификации :

Библиотека двухцепочечной адДНК (библиотека дсДНК)
Библиотека одноцепочечной адДНК (библиотека оцДНК)

Первый создается с использованием тупого подхода. В этом методе используются два разных адаптера: эти адаптеры случайным образом связывают фрагмент, и затем его можно амплифицировать. Фрагмент, не содержащий обоих адаптеров, не может быть амплифицирован, что приводит к возникновению ошибки. Чтобы уменьшить эту ошибку, было введено лигирование T/A Illumina : этот метод заключается во вставке хвоста A в образец ДНК, чтобы облегчить лигирование адаптеров с T-хвостом. В этом методе мы оптимизируем амплификацию адДНК.

Чтобы получить библиотеки оцДНК, ДНК сначала денатурируют нагреванием. Полученную оцДНК затем лигируют с двумя адаптерами для образования комплементарной цепи и, наконец, ПЦР . применяют ^{[ 4 ]}

Обогащение адДНК

Поскольку адДНК может содержать ДНК бактерий или других микроорганизмов, этот процесс требует обогащения. Для разделения эндогенных и экзогенных фракций применяют различные методы:

Обогащение поврежденной матрицы: используется при создании библиотеки оцДНК, поскольку этот метод нацелен на повреждение ДНК. Когда Bst-полимераза заполняет разрыв, образец обрабатывают урацил-ДНК-гликозилазой и эндонуклеазой VIII. Эти соединения атакуют абазисный сайт. Неповрежденная ДНК остается прикрепленной к стрептавидином шарикам, покрытым парамагнитным , и ее можно отделить от образца. Этот метод специфичен для образцов неандертальцев позднего плейстоцена. ^{[ 5 ]}
Обогащение мишени в растворе без расширения: этот метод основан на гибридизации мишени-зонда. Этот метод требует денатурации ДНК, а затем вставки перекрывающихся плиточных зондов вдоль целевых областей. Затем используется ПЦР для амплификации ДНК и, наконец, ДНК связывается с биотинилированным адаптером. Это полезно для образцов архаического происхождения гомининов.
Твердофазное целевое обогащение: в этом методе используются микрочипы и метод ПЦР в реальном времени параллельно с скринингом секвенирования .
Полногеномное обогащение: используется для секвенирования всего генома отдельных людей. Используется метод захвата всего генома в растворе (WISC). ^{[ 6 ]} Этот метод начинается с подготовки полногеномной библиотеки зондов РНК от вида, геном которого тесно связан с целевым геномом в образце ДНК. ^{[ 4 ]}

Диверсификация современных неафриканских популяций и анатомически современных людей

К настоящему времени многие исследования в различных областях привели к выводу, что современное неафриканское население является результатом диверсификации нескольких различных линий предковой, хорошо структурированной метапопуляции , которая была главным героем за пределами Африки. расширение, в ходе которого оно несло в себе часть африканского генетического наследия . В этом контексте анализ древней ДНК имел фундаментальное значение для проверки уже сформулированной гипотезы и получения новых идей. Во-первых, это позволило сузить сроки и структуру этого явления диверсификации, обеспечив калибровку частоты аутосомных и митохондриальных мутаций . ^{[ 7 ]} Анализ примесей показал, что по крайней мере два независимых события потока генов произошли между предками современных людей и архаичными людьми, такими как неандертальцы и денисовцы , что свидетельствует о модели «протекающего замещения» в истории евразийской человеческой популяции. Согласно всем этим данным, человеческое расхождение неафриканских линий произошло около 45 000–55 000 лет назад . ^{[ 7 ]} Кроме того, во многих случаях древняя ДНК позволяла проследить исторические процессы, приведшие со временем к реальной генетической структуре популяции, что было бы сложно сделать, опираясь лишь на анализ современных геномов. Среди этих до сих пор нерешенных вопросов наиболее изученными являются личность первых жителей Америки, заселение Европы и происхождение сельского хозяйства в Европе. ^{[ 1 ]}

Фенотипическая изменчивость у человека

Анализ древней ДНК позволяет изучать мутации фенотипических признаков вследствие изменений окружающей среды и поведения человека. Миграция в новые места обитания, новые изменения в питании (после перехода к сельскому хозяйству) и создание крупных сообществ привели к тому, что люди оказались в новых условиях, что в конечном итоге привело к биологической адаптации .

Цвет кожи

Миграция людей из Африки в более высокие широты потребовала меньшего воздействия солнечного света. Поскольку лучи UVA и UVB имеют решающее значение для синтеза витамина D , который регулирует усвоение кальция и, следовательно, необходим для здоровья костей, жизнь в более высоких широтах будет означать существенное снижение витамина D. синтеза Это оказало новое селективное давление на цвет кожи, отдав предпочтение более светлому цвету кожи в более высоких широтах. Двумя наиболее важными генами, участвующими в пигментации кожи, являются SLC24A5 и SLC45A2. В настоящее время аллели «светлой кожи» этих генов закрепились в Европе, но относительно высокой частоты они достигли сравнительно недавно (около 5000 лет назад). ^{[ 7 ]} Такой медленный процесс депигментации позволяет предположить, что древние европейцы могли столкнуться с негативными последствиями низкого производства витамина D, такими как заболевания опорно-двигательного аппарата и сердечно-сосудистые заболевания. Другая гипотеза состоит в том, что европейцы до земледелия могли удовлетворить свои потребности в витамине D за счет своего рациона (поскольку мясо и рыба содержат некоторое количество витамина D). ^{[ 8 ]}

Адаптация к сельскохозяйственной диете

Одним из основных примеров адаптации после перехода на сельскохозяйственную диету является сохранение выработки фермента лактазы во взрослом возрасте. Этот фермент необходим для переваривания лактозы, присутствующей в молоке и диетических продуктах, и его отсутствие приводит к диарее после употребления этих продуктов. Персистенция лактазы определяется преимущественно мутацией одного основания в гене MCM6, и данные древней ДНК показывают, что эта мутация стала распространенной только в течение последних 5000 лет, через тысячи лет после начала практики молочного животноводства. ^{[ 7 ]} Таким образом, даже в случае персистенции лактазы между появлением новой привычки и распространением адаптивного аллеля проходит огромная временная задержка, поэтому потребление молока могло быть ограничено детьми или продуктами с пониженным содержанием лактозы.

Еще одним примером мутации, положительно выбранной в результате перехода к сельскому хозяйству, является количество копий гена AMY1. AMY1 кодирует переваривающий крахмал фермент амилазу, присутствующий в слюне, и современные люди имеют большее количество копий гена по сравнению с шимпанзе . ^{[ 8 ]}

Иммунная система

человека Иммунная система на протяжении тысячелетий подвергалась интенсивному отбору, адаптируясь к различным патогенным ландшафтам. Некоторые экологические и культурные изменения оказали избирательное давление на различные гены, связанные с иммунитетом. Например, в результате миграции люди оказались в новых средах обитания, содержащих новые патогены или переносчики патогенов (например, комары). Кроме того, переход к сельскому хозяйству повлек за собой воздействие различных патогенов и состояний здоровья, как из-за возросшей плотности населения, так и из-за проживания рядом с домашним скотом. Однако трудно напрямую связать отдельные изменения древнего генома с повышением устойчивости к конкретным патогенам, учитывая обширность и сложность иммунной системы человека. Помимо изучения непосредственно изменений в иммунной системе человека, можно также изучить древние геномы возбудителей, например, вызывающих туберкулез , проказу , чуму , оспу или малярию . Например, исследователи обнаружили, что все штаммы Yersinia pestis до 3600 лет назад не имели Ген ymt , который необходим для выживания возбудителя в кишечнике блох . ^{[ 8 ]} Это говорит о том, что в древнем прошлом чума могла быть менее опасной по сравнению с более поздними вспышками Y. pestis .

Исследование древней ДНК подтвердило или подтвердило ^{[ 9 ]} что недавняя эволюция человека по сопротивлению заражению патогенами также увеличила риск воспалительных заболеваний у постнеолитических европейцев за последние 10 000 лет, оценивая природу, силу и время начала селекции, вызванной патогенами. ^{[ 10 ]}

Растения и животные

не относящиеся к человекообразным существам Многие позвоночные, — древние мамонты , белые медведи , собаки и лошади — были реконструированы посредством восстановления адДНК из окаменелостей и образцов, сохранившихся при низкой температуре или на большой высоте. Исследования мамонтов проводятся наиболее часто из-за большого количества мягких тканей и волос вечной мерзлоты и используются для выявления родства и демографических изменений с более поздними слонами . Исследования белых медведей проводятся с целью выявления влияния изменения климата на эволюцию и биоразнообразие . Исследования собак и лошадей дают представление о приручении . У растений адДНК была выделена из семян , пыльцы и древесины . Выявлена корреляция между древним и современным ячменем . Еще одним применением было обнаружение процессов одомашнивания и адаптации кукурузы , которые включают гены устойчивости к засухе и содержания сахара . ^{[ 1 ]}

Проблемы и перспективы на будущее

Анализ древних геномов анатомически современных людей в последние годы полностью изменил наш подход к изучению миграции, трансформации и эволюции популяций. Тем не менее, многое еще остается неизвестным. Первая и очевидная проблема, связанная с этим подходом, которая будет частично решена за счет постоянного совершенствования методов извлечения древней ДНК, — это трудность восстановления хорошо сохранившихся древних геномов, проблема, которая особенно наблюдается в Африке и в других странах. Азия, где температура выше, чем в других более холодных регионах мира. Кроме того, среди всех континентов Африка обладает наибольшим генетическим разнообразием . ^{[ 7 ]} Помимо деградации ДНК, экзогенное загрязнение ограничивает процессы палеогеномного секвенирования и сборки. ^{[ 1 ]} Поскольку мы не обладаем древней ДНК, происходящей из того времени и региона, населенного первоначальными предками современного неафриканского населения, мы до сих пор мало знаем об их структуре и местоположении. Вторая и более важная задача, с которой придется столкнуться в этом вопросе, — это восстановление ДНК ранних современных людей (100 000–200 000 лет назад). Эти данные, вместе с большим количеством архаичных геномов, подлежащих анализу, а также знанием времени и распределения архаичной генетической примеси, позволят ученым легче реконструировать историю нашего вида. Фактически, сбор большего количества данных о генетической истории позволит нам отслеживать эволюцию человека не только с точки зрения миграций и естественного отбора , но и с точки зрения культуры. В ближайшее десятилетие исследовательская область палеогеномики сосредоточит свое внимание главным образом на трех темах: определении в мелких деталях прошлых человеческих взаимодействий путем более плотной выборки, понимании того, как эти взаимодействия способствовали переходу к сельскому хозяйству путем анализа ДНК малоизученных регионов и, наконец, количественная оценка вклада естественного отбора в современные фенотипы. Для интерпретации всех этих данных генетикам потребуется сотрудничество, как они уже сделали с антропологи и археологи с историками . ^{[ 7 ]}

Биоэтика

Биоэтика в палеогеномике касается этических вопросов, которые возникают при изучении древних человеческих останков из-за сложных отношений между учеными, правительствами и коренным населением . Кроме того, палеогеномные исследования могут нанести вред истории и идентичности сообщества или отдельных людей, а также выявить разоблачающую информацию об их потомках. По этим причинам подобные исследования по-прежнему остаются щекотливой темой. Исследования палеогеномики могут иметь негативные последствия главным образом из-за расхождений между формулировками этических принципов и практик. Фактически, останки предков обычно рассматриваются с юридической и научной точки зрения как «артефакты», а не как «человеческие объекты», что оправдывает сомнительное поведение и отсутствие участия со стороны сообществ . Поэтому тестирование останков предков используется в спорах, исках по договору, репатриации или других юридических делах. Признание важности и уязвимости этой темы ведет к этическим обязательствам и рекомендациям, применимым к различным контекстам, чтобы сохранить достоинство останков предков и избежать этических проблем. ^{[ 11 ]} Наконец, еще одной новаторской областью интересов является так называемый проект «восстановления вымирания», целью которого является воскрешение вымерших видов, таких как мамонт. Этот проект, который кажется возможным благодаря технологии CRISPR/Cas9 , однако тесно связан со многими этическими проблемами. ^{[ 1 ]}

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Лан Т. и Линдквист К. 2018. Палеогеномика: геномный анализ древней ДНК и популяций и эволюционные геномные выводы . В: Популяционная геномика, Springer, Cham. стр. 1-38.
^ Перейти обратно: ^а ^б Паабо, С. (1 марта 1989 г.). «Древняя ДНК: экстракция, характеристика, молекулярное клонирование и ферментативная амплификация» . Труды Национальной академии наук . 86 (6): 1939–1943. Бибкод : 1989PNAS...86.1939P . дои : 10.1073/pnas.86.6.1939 . ISSN 1091-6490 . ПМК 286820 . ПМИД 2928314 .
^ Лалуэса-Фокс, Чарльз; Кастресана, Хосе; Бертранпети, Джеймс; Альковер, Джозеф Энтони; Бовер, Пере; Джильи, Елена; Рамирес, Оскар (22 мая 2009 г.). «Палеогеномика в умеренной среде: секвенирование вымершего средиземноморского коза» . ПЛОС ОДИН . 4 (5): е5670. Бибкод : 2009PLoSO...4.5670R . дои : 10.1371/journal.pone.0005670 . ISSN 1932-6203 . ПМК 2680946 . ПМИД 19461892 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Орландо Л., Гилберт М.Т., Виллерслев Э. 2015. Реконструкция древних геномов и эпигеномов . Нат. Преподобный Жене. 16(7):395-408.
^ Гансож, Мари-Терес; Мейер, Матиас (сентябрь 2014 г.). «Селективное обогащение поврежденных молекул ДНК для секвенирования древнего генома» . Геномные исследования . 24 (9): 1543–1549. дои : 10.1101/гр.174201.114 . ISSN 1088-9051 . ПМЦ 4158764 . ПМИД 25081630 .
^ Карпентер, Мередит Л.; Буэнростро, Джейсон Д.; Вальдиосера, Кристина; Шредер, Ханнес; Аллентофт, Мортен Э.; Сикора, Мартин; Расмуссен, Мортен; Гравий, Саймон; Гильен, Соня (07 ноября 2013 г.). «Вытягивание 1%: захват всего генома для целевого обогащения библиотек секвенирования древней ДНК» . Американский журнал генетики человека . 93 (5): 852–864. дои : 10.1016/j.ajhg.2013.10.002 . ISSN 0002-9297 . ПМЦ 3824117 . ПМИД 24568772 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Скоглунд П. и Мэтисон И. 2018. Древняя геномика современного человека: первое десятилетие . Анну. Преподобный Геном. Хм. Жене. 19:1, 381–404.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Марчиняк С., Перри Г.Х. Использование древних геномов для изучения истории адаптации человека . Nature Reviews Genetics, том 18, страницы 659–674 (2017)
^ Баррейро, Луис Б.; Кинтана-Мурси, Луис (январь 2010 г.). «От эволюционной генетики к иммунологии человека: как отбор формирует защитные гены хозяина» . Обзоры природы Генетика . 11 (1): 17–30. дои : 10.1038/nrg2698 . ISSN 1471-0064 . ПМИД 19953080 . S2CID 15705508 .
^ Кернер, Гаспар; Нехус, Анна-Лена; Филиппо, Квентин; Болен, Джонатан; Ринчай, Дараван; Керруш, Насим; Пюэль, Энн; Чжан, Шэнь Ин; Буассон-Дюпюи, Стефани; Абель, Лоран; Казанова, Жан-Лоран; Патен, Этьен; Лаваль, Гийом; Кинтана-Мурси, Луис (8 февраля 2023 г.). «Генетическая адаптация к патогенам и повышенный риск воспалительных заболеваний в постнеолитической Европе» . Клеточная геномика . 3 (2): 100248. doi : 10.1016/j.xgen.2022.100248 . ISSN 2666-979X . ПМЦ 9932995 . ПМИД 36819665 . S2CID 250341156 .
^ Продвижение этики палеогеномики: останки предков следует рассматривать не как «артефакты», а как человеческие родственники, заслуживающие уважения - Джессика Бардилл, Алисса К. Бадер, Нанибаа А. Гаррисон, Дебора А. Больник, Дженнифер А. Рафф, Алекса Уокер, Рипан С. Малхи и Консорциум летней стажировки коренных народов в области геномики (SING)

[:1-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Лан Т. и Линдквист К. 2018. Палеогеномика: геномный анализ древней ДНК и популяций и эволюционные геномные выводы . В: Популяционная геномика, Springer, Cham. стр. 1-38.

[:4-2] Перейти обратно: ^а ^б Паабо, С. (1 марта 1989 г.). «Древняя ДНК: экстракция, характеристика, молекулярное клонирование и ферментативная амплификация» . Труды Национальной академии наук . 86 (6): 1939–1943. Бибкод : 1989PNAS...86.1939P . дои : 10.1073/pnas.86.6.1939 . ISSN 1091-6490 . ПМК 286820 . ПМИД 2928314 .

[3] Лалуэса-Фокс, Чарльз; Кастресана, Хосе; Бертранпети, Джеймс; Альковер, Джозеф Энтони; Бовер, Пере; Джильи, Елена; Рамирес, Оскар (22 мая 2009 г.). «Палеогеномика в умеренной среде: секвенирование вымершего средиземноморского коза» . ПЛОС ОДИН . 4 (5): е5670. Бибкод : 2009PLoSO...4.5670R . дои : 10.1371/journal.pone.0005670 . ISSN 1932-6203 . ПМК 2680946 . ПМИД 19461892 .

[:3-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с Орландо Л., Гилберт М.Т., Виллерслев Э. 2015. Реконструкция древних геномов и эпигеномов . Нат. Преподобный Жене. 16(7):395-408.

[5] Гансож, Мари-Терес; Мейер, Матиас (сентябрь 2014 г.). «Селективное обогащение поврежденных молекул ДНК для секвенирования древнего генома» . Геномные исследования . 24 (9): 1543–1549. дои : 10.1101/гр.174201.114 . ISSN 1088-9051 . ПМЦ 4158764 . ПМИД 25081630 .

[6] Карпентер, Мередит Л.; Буэнростро, Джейсон Д.; Вальдиосера, Кристина; Шредер, Ханнес; Аллентофт, Мортен Э.; Сикора, Мартин; Расмуссен, Мортен; Гравий, Саймон; Гильен, Соня (07 ноября 2013 г.). «Вытягивание 1%: захват всего генома для целевого обогащения библиотек секвенирования древней ДНК» . Американский журнал генетики человека . 93 (5): 852–864. дои : 10.1016/j.ajhg.2013.10.002 . ISSN 0002-9297 . ПМЦ 3824117 . ПМИД 24568772 .

[:0-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Скоглунд П. и Мэтисон И. 2018. Древняя геномика современного человека: первое десятилетие . Анну. Преподобный Геном. Хм. Жене. 19:1, 381–404.

[:2-8] Перейти обратно: ^а ^б ^с Марчиняк С., Перри Г.Х. Использование древних геномов для изучения истории адаптации человека . Nature Reviews Genetics, том 18, страницы 659–674 (2017)

[9] Баррейро, Луис Б.; Кинтана-Мурси, Луис (январь 2010 г.). «От эволюционной генетики к иммунологии человека: как отбор формирует защитные гены хозяина» . Обзоры природы Генетика . 11 (1): 17–30. дои : 10.1038/nrg2698 . ISSN 1471-0064 . ПМИД 19953080 . S2CID 15705508 .

[10] Кернер, Гаспар; Нехус, Анна-Лена; Филиппо, Квентин; Болен, Джонатан; Ринчай, Дараван; Керруш, Насим; Пюэль, Энн; Чжан, Шэнь Ин; Буассон-Дюпюи, Стефани; Абель, Лоран; Казанова, Жан-Лоран; Патен, Этьен; Лаваль, Гийом; Кинтана-Мурси, Луис (8 февраля 2023 г.). «Генетическая адаптация к патогенам и повышенный риск воспалительных заболеваний в постнеолитической Европе» . Клеточная геномика . 3 (2): 100248. doi : 10.1016/j.xgen.2022.100248 . ISSN 2666-979X . ПМЦ 9932995 . ПМИД 36819665 . S2CID 250341156 .

[11] Продвижение этики палеогеномики: останки предков следует рассматривать не как «артефакты», а как человеческие родственники, заслуживающие уважения - Джессика Бардилл, Алисса К. Бадер, Нанибаа А. Гаррисон, Дебора А. Больник, Дженнифер А. Рафф, Алекса Уокер, Рипан С. Малхи и Консорциум летней стажировки коренных народов в области геномики (SING)

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]