Палеогеномика - Paleogenomics - Wikipedia

Палеогеномика это область науки, основанная на реконструкции и анализе геномной информации вымерших разновидность. Усовершенствованные методы извлечения древняя ДНК (aDNA) из музейных артефактов, ледяных кернов, археологических или палеонтологических памятников, и секвенирование следующего поколения технологии стимулировали это поле. Теперь можно обнаружить генетический дрейф, миграция древнего населения и взаимосвязи, эволюционная история вымерших растений, животных и Гомо виды и определение фенотипических особенностей в географических регионах. Ученые также могут использовать палеогеномику для сравнения древних предков с современными людьми.^[1]

Фон

Первоначально секвенирование аДНК включало клонирование небольших фрагментов в бактерии, что происходило с низкой эффективностью из-за окислительного повреждения, нанесенного аДНК на протяжении тысячелетий.^[2] аДНК трудно анализировать из-за легкой деградации нуклеазы; особые условия и посмертные условия улучшили изоляцию и анализ. Добыча и загрязнение протоколы были необходимы для надежных анализов.^[3] С развитием полимеразной цепной реакции (ПЦР ) в 1983 году ученые могли 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 старые и старые образцы стали поддающимися анализу. За последние 30 лет большое количество копий митохондриальная ДНК смог ответить на многие вопросы; появление NGS методы подсказали гораздо больше. Более того, эта технологическая революция позволила перейти от палеогенетика палеогеномике.^[1]

Методы секвенирования

Проблемы и методы

ПЦР, NGS второго поколения, и доступны различные библиотечные методы для секвенирования аДНК, помимо многих биоинформатика инструменты. При работе с каждым из этих методов важно учитывать, что аДНК может быть изменена посмертно.^[2] Конкретные изменения возникают в результате:

Данные последовательности основных мутационных паттернов (мутация C-> T)
Сшивки
Дезаминирование цитозина (увеличивается по направлению к концам чтения)
Депуринизация
Фрагментация генома

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

Раньше ученые диагностировали посмертные повреждения с помощью ферментативных реакций или газовая хроматография связана с масс-спектроскопия; в последние годы ученые начали обнаруживать их, используя данные мутационных последовательностей. Эта стратегия позволяет идентифицировать избыток мутаций C-> T после лечения урацил ДНК гликозилаза. В настоящее время используется высокопроизводительное секвенирование (HTS) для выявления депуринизации (процесс, который вызывает посмертную фрагментацию ДНК, более молодые образцы представляют больше аденин чем гуанин ), одиночные разрывы прядей в двойной спирали ДНК и базисном сайте (созданном мутацией C-> T).
Отдельный фрагмент аДНК можно секвенировать по всей длине с помощью HTS. С помощью этих данных мы можем создать распределение, представляющее кривую убывания размера, которая позволяет проводить прямое количественное сравнение фрагментации образцов в пространстве и условиях окружающей среды. На протяжении всей кривой распада можно получить среднюю длину данного фрагмента аДНК. Эта длина отражает уровень фрагментации после смерти, который обычно увеличивается с температурой осаждения.^[4]

Библиотеки

Две разные библиотеки могут быть выполнены для секвенирования аДНК с использованием ПЦР за геном усиление:

Библиотека двухцепочечной аДНК (библиотека дцДНК)
Библиотека одноцепочечной аДНК (библиотека оцДНК)

Первый создается тупым концом. В этом методе используются два разных адаптера: эти адаптеры случайным образом связывают фрагмент, а затем он может быть усилен. Фрагмент, не содержащий обоих адаптеров, не может быть усилен, что приводит к возникновению ошибки. Чтобы уменьшить эту ошибку, Иллюмина Было введено лигирование T / A: этот метод заключается во вставке хвоста A в образец ДНК для облегчения лигирования адаптеров с хвостом. В этих методах мы оптимизируем амплификацию аДНК.

Чтобы получить библиотеки оцДНК, ДНК сначала денатурированный с теплом. Полученная оцДНК затем лигируется с двумя адаптерами для создания дополнительная нить и наконец ПЦР применяется.^[4]

Обогащение аДНК

Поскольку аДНК может содержать бактериальную ДНК или другие микроорганизмы, процесс требует обогащения. Для разделения эндогенных и экзогенных фракций используются различные методы:

Обогащение поврежденной матрицы: используется при создании библиотеки оцДНК, поскольку этот метод нацелен на повреждение ДНК. Когда Bst-полимераза заполняет щель, образец обрабатывают урацил-ДНК-гликозилазой и эндонуклеазой VIII. Эти соединения атакуют базисный сайт. Неповрежденная ДНК остается прикрепленной к стрептавидин -покрытый парамагнитный шарики и могут быть отделены от образца. Этот метод характерен для образцов от неандертальцев позднего плейстоцена.^[5]
Обогащение мишени в растворе без удлинения: этот метод основан на гибридизации мишень-зонд. Этот метод требует денатурации ДНК, а затем вставляет перекрывающиеся мозаичные зонды вдоль целевых областей. Затем используется ПЦР для амплификации ДНК и, наконец, ДНК связывается с биотинилированный адаптер. Это полезно для образцов архаичного происхождения гомининов.
Обогащение твердофазной мишени: в этом методе микрочип и ПЦР в реальном времени метод используются параллельно с секвенирование дробовика скрининг.
Обогащение всего генома: используется для секвенирования всего генома отдельных лиц. Используется захват всего генома в растворе (WISC).^[6] Этот метод начинается с подготовки библиотеки зондов РНК для всего генома от видов, геном которых тесно связан с целевым геномом в образце ДНК.^[4]

Диверсификация современного неафриканского населения и анатомически современного человека

К настоящему времени многие исследования в различных областях привели к выводу, что современное неафриканское население является результатом диверсификации в нескольких различных областях. родословная предков, хорошо структурированный, метапопуляция который был главным героем экспансии за пределами Африки, в которой он нес подмножество африканских генетическое наследие. В этом контексте анализ древней ДНК имел основополагающее значение для проверки уже сформулированной гипотезы и предоставления новых идей. Во-первых, он позволил сузить сроки и структуру этого явления диверсификации, обеспечив калибровку аутосомных и митохондриальных скорость мутации.^[7] Примесь анализ показал, что по крайней мере два независимых поток генов события произошли между предками современные люди и архаичных людей, таких как Неандерталец и Денисовский популяций, что свидетельствует о модели «дырявого замещения» истории евразийского населения. Согласно всем этим данным, человеческое расхождение с неафриканскими линиями произошло примерно от 45 000 до 55 000 человек. BP.^[7] Кроме того, во многих случаях древняя ДНК позволяла отслеживать исторические процессы, которые со временем привели к реальной генетической структуре популяции, что было бы трудно сделать, рассчитывая только на анализ современных геномов. Среди этих до сих пор нерешенных вопросов наиболее изученными являются личность первых жителей Северной и Южной Америки, население Европы и происхождение сельского хозяйства в Европе.^[1]

Фенотипическая изменчивость у людей

Анализ древняя ДНК позволяет изучать мутации фенотипические признаки вслед за изменениями в окружающей среде и поведении человека. Миграция в новые среды обитания, новые изменения в питании (после перехода к сельскому хозяйству) и создание больших сообществ привели к тому, что люди оказались в новых условиях, что в конечном итоге привело к биологическая адаптация.

Цвет кожи

Миграция людей из Африка к более высоким широтам требуется меньшее воздействие солнечного света. С UVA и UVB лучи имеют решающее значение для синтеза Витамин Д, который регулирует усвоение кальция и, таким образом, необходим для здоровья костей, проживание в более высоких широтах будет означать существенное сокращение Витамин Д синтез. Это поставило новый селективное давление по признаку цвета кожи, предпочитая более светлый цвет кожи на более высоких широтах. Два наиболее важных гена, участвующих в пигментации кожи, - это SLC24A5 и SLC45A2. В настоящее время аллели «светлой кожи» этих генов зафиксированы в Европа но они достигли относительно высокой частоты лишь сравнительно недавно (около 5000 лет назад).^[7] Такой медленный процесс депигментации предполагает, что древние европейцы могли бы столкнуться с Недостатками низкого уровня производства витамина D, такие как опорно-двигательного аппарата и сердечно-сосудистых заболеваний. Другая гипотеза состоит в том, что европейцы до начала земледелия могли удовлетворить свои потребности в витамине D с помощью своего рациона (поскольку мясо и рыба содержат некоторое количество витамина D).^[8]

Адаптация к сельскохозяйственному рациону

Одним из основных примеров адаптации после перехода на сельскохозяйственную диету является сохранение производства лактаза фермент в зрелом возрасте. Этот фермент необходим для переваривания лактоза присутствует в молоке и диетических продуктах, и его отсутствие приводит к диарее после употребления этих продуктов. Лактаза Устойчивость определяется преимущественно одноосновной мутацией в гене MCM6, и данные древней ДНК показывают, что эта мутация стала обычным явлением только в течение последних 5000 лет, через тысячи лет после начала практики молочного животноводства.^[7] Таким образом, даже в случае персистенции лактазы существует огромная временная задержка между появлением новой привычки и распространением адаптивного аллеля, и поэтому потребление молока могло быть ограничено детьми или продуктами с пониженным содержанием лактозы.

Другой пример мутации, позитивно выбранной при переходе к сельскому хозяйству, - это количество копий гена AMY1. AMY1 кодирует фермент, переваривающий крахмал. амилаза присутствуют в слюне, и современные люди имеют большее количество копий генов по сравнению с шимпанзе.^[8]

Иммунная система

Человек иммунная система тысячелетиями подвергался интенсивному отбору, адаптируясь к различным патогенным ландшафтам. Некоторые экологические и культурные изменения привели к селективное давление на разные иммуноассоциированные гены. Например, в результате миграции люди попадают в новые среды обитания, несущие новые патогены или переносчики патогенов (например, комары). Кроме того, переход к сельскому хозяйству связан с воздействием различных патогенов и состояниями здоровья, как из-за увеличения плотности населения, так и из-за проживания рядом с домашним скотом. Однако трудно напрямую связать определенные изменения древнего генома с повышенной устойчивостью к определенным патогенам, что дает обширность и сложность иммунной системы человека. Помимо непосредственного изучения изменений в иммунной системе человека, можно также изучить древние геномы патогенов, например, вызывающих туберкулез, проказа, чума, оспа или же малярия. Например, исследователи обнаружили, что все штаммы Yersinia pestis до 3600 лет назад не хватало ymt ген, который необходим для выживания патогена в кишечнике блохи.^[8] Это говорит о том, что в древнем прошлом чума могла быть менее опасной по сравнению с более поздними. Y. pestis вспышки.

Растения и животные

Многие негоминины позвоночные - древний мамонт, Полярный медведь, собака и лошадь - были реконструированы путем восстановления аДНК из окаменелости и образцы, сохраненные при низкой температуре или на большой высоте. Исследования мамонтов наиболее часты из-за большого количества мягких тканей и волос из вечной мерзлоты и используются для выявления взаимосвязи и демографических изменений с более поздними слоны. Исследования белых медведей проводятся для выявления воздействия изменение климата в эволюция и биоразнообразие. Исследования собак и лошадей дают представление о приручение. У растений аДНК была выделена из семена, пыльца и дерево. Была выявлена корреляция между древними и существующими ячмень. Еще одним приложением было обнаружение процесса одомашнивания и адаптации кукуруза которые включают гены для засуха терпимость и сахар содержание.^[1]

Проблемы и перспективы на будущее

В последние годы анализ древних геномов анатомически современных людей полностью изменил наш подход к изучению миграции, трансформации и эволюции популяций. Тем не менее многое остается неизвестным. Первая и очевидная проблема, связанная с таким подходом, которая будет частично преодолена путем непрерывного совершенствования методов извлечения древней ДНК, - это сложность восстановления хорошо сохранившихся древних геномов, проблема, которая особенно наблюдается в Африке и в других странах. Азия, где температуры выше, чем в других более холодных регионах мира. Кроме того, Африка, среди всех континентов, является местом наибольшего генетическое разнообразие.^[7] Помимо деградации ДНК, экзогенное загрязнение ограничивает палеогеномные процессы секвенирования и сборки.^[1] Поскольку у нас нет древней ДНК, происходящей из того времени и региона, населенного первыми предками современного неафриканского населения, мы все еще мало знаем об их структуре и местонахождении. Вторая и более важная проблема, с которой приходится сталкиваться в этом вопросе, - это восстановление ДНК ранних современных людей (100 000 - 200 000 лет назад). Эти данные вместе с большим количеством архаичных геномов для анализа и знанием сроков и распределения архаичных генетических примесей позволят ученым более легко реконструировать историю нашего вида. Фактически, сбор большего количества данных о генетической истории позволит нам отслеживать эволюцию человека не только с точки зрения миграций и естественный отбор, но и с точки зрения культуры. В следующем десятилетии область исследований палеогеномики сосредоточит свое внимание в основном на трех темах: определение в мелкомасштабных деталях прошлых человеческих взаимодействий путем более плотного отбора проб, понимание того, как эти взаимодействия способствовали переходу к сельскохозяйственному производству путем анализа ДНК недостаточно изученных 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 историки.^[7]

Биоэтика

Биоэтика в палеогеномике касается этических вопросов, которые возникают при изучении древних человеческих останков из-за сложных взаимоотношений между учеными, правительствами и коренными народами. население. Кроме того, палеогеномные исследования могут нанести вред сообществу или индивидуальным историям и идентичностям, а также раскрыть информацию об их потомках. По этим причинам исследования подобного рода до сих пор остаются щекотливой темой. Исследования палеогеномики могут иметь негативные последствия в основном из-за несоответствий между формулировками этических принципов и практик. Фактически, останки предков обычно рассматриваются с юридической и научной точки зрения как «артефакты», а не как «человеческие субъекты», что оправдывает сомнительное поведение и отсутствие участия со стороны сообщества. Поэтому тестирование останков предков используется в спорах, претензиях по договору, репатриации или других судебных делах. Признание важности и уязвимости этого предмета ведет к этическим обязательствам и руководствам, применимым в различных контекстах, с целью сохранения останков предков ». достоинства и избегать этических проблем.^[9] Наконец, еще одной новаторской областью, представляющей интерес, является так называемый проект «искоренения исчезновения», направленный на воскрешение вымерших видов, таких как мамонт. Этот проект, который представляется возможным благодаря CRISPR / Cas9 технологии, однако, тесно связаны со многими этическими проблемами.^[1]