Древна ДНК

Древна ДНК (дДНК или aDNA) — ДНК изолирана од древни примероци. Поради процесите на деградација (вклучувајќи вкрстено поврзување, деаминација и фрагментација) древната ДНК е повеќе деградирана во споредба со современиот генетски материјал. Дури и при најдобри услови за зачувување, постои горна граница од 0,4-1,5 милиони години за примерокот да содржи доволно ДНК за технологии за секвенционирање. Најстариот примерок некогаш секвенциониран се проценува дека е стар 1,65 милиони години. Генетскиот материјал е обновен од палео/археолошки и историски скелетни материјали, мумифицирани ткива, архивски збирки на незамрзнати медицински примероци, зачувани растителни остатоци, мраз и од морски и езерски седименти и нечистотија при ископување. На 7 декември 2022 година, ''Њујорк Тајмс'' објавил дека на Гренланд бил пронајден генетски материјал стар два милиони години и денеска се смета за најстарата ДНК откриена досега.
1 Историја на проучување
1.1 1980-ти
Првото проучување за она кое подоцна било наречено дДНК (aDNA) било спроведено во 1984 година, кога Рас Хигучи и неговите колеги од Универзитетот во Калифорнија, Беркли објавиле дека трагите на ДНК од музејскиот примерок на квага не само што останале во примерокот повеќе од 150 години по смртта на поединецот, туку и дека може да се извлече и секвенционира. Во текот на следните две години, преку истражувања на природни и вештачки мумифицирани примероци, Сванте Пабо потврдил дека овој феномен не е ограничен на релативно неодамнешните музејски примероци, туку очигледно може да се реплицира во низа мумифицирани човечки примероци кои датираат уште неколку илјади години.
Макотрпните процеси кои биле потребни во тоа време за да се секвенционира таквата ДНК (преку бактериско клонирање) претставувале ефективна кочница за проучувањето на древната ДНК (дДНК) и полето на музеомијата. Меѓутоа, со развојот на полимеразната верижна реакција (PCR) во доцните 1980-ти, ова поле започнало брзо да напредува. Двоен прајмер PCR засилување на дДНК (скокачко-PCR) може да произведе висока искривена и неавтентична секвенца на артефакти. За да се надминат тие недостатоци се користел повеќекратен прајмер, вгнездена PCR стратегија.
1.2 1990-ти
Периодот на пос-ПЦР најавил бран на публикации бидејќи бројни истражувачки групи тврделе дека успеале да изолираат дДНК. Наскоро биле објавени низа неверојатни наоди, тврдејќи дека автентична ДНК може да се извлече од примероци стари милиони години, во доменот на она што Линдал (1993b) го означил како Антедилувска ДНК. Поголемиот дел од таквите тврдења се засновале на пронаоѓање на ДНК од организми зачувани во килибар. Инсекти како што се пчели без осило, термити, и дрвени комарци, како и растителни и бактериски секвенци се вели дека биле извлечени од доминиканскиот килибар што датира од периодот на олигоцен. Сè уште постарите извори на либански килибари, кои датираат од периодот на креда, наводно, исто така дале автентична ДНК. Тврдењата за пронаоѓање на ДНК не биле ограничени на килибар.
Биле објавени извештаи за неколку растителни остатоци зачувани со седимент, кои датираат од миоценот. Потоа во 1994 година, Вудворд и неговите соработници го објавиле она што во тоа време било наречено „''највозбудливите резултати досега''“ - митохондриски цитохром б секвенци кои очигледно биле извлечени од коски од диносауруси кои датираат од пред повеќе од 80 милиони години. Кога во 1995 година, две дополнителни иследувања објавиле секвенци на ДНК на диносаурусите извлечени од јајце од периодот креда, се сметало дека полето ќе го револуционизира знаењето за еволутивното минато на Земјата. Дури и овие извонредни периоди биле на врвот со наводното пронаоѓање на 250 милиони години стари халобактериски секвенци од халит.
Развојот на подобро разбирање на кинетиката на зачувување на ДНК, ризиците од контаминација на примерокот и други комплицирачки фактори го навеле теренот да ги гледа овие резултати поскептично. Многубројните внимателни обиди не успеале да повторат многу од наодите и сите тврдења од деценијата за повеќемилионска дДНК биле отфрлени како неавтентични.
1.3 2000-ти
Во 2007 година било воведено засилување со единечен прајмер за да се реши оштетувањето на модификацијата на ДНК после смртта. Од 2009 година полето на студиите за дДНК е револуционизирано со воведување на многу поевтини истражувачки техники. Употребата на техники за секвенционирање на следната генерација (NGS) со висока моќност во областа на истражување на древната ДНК е од суштинско значење за реконструкција на геномите на древните или изумрените организми. Методот на подготовка со едноверижна ДНК (ssДНК) предизвикал голем интерес кај истражувачи на древна ДНК (дДНК).
Покрај овие технички иновации, на почетокот на деценијата затеренот почнал да развива подобри стандарди и критериуми за евалуација на резултатите од ДНК, како и подобро разбирање на потенцијалните стапици.
На 7 декември 2022 година, ''Њујорк Тајмс'' објавил дека на Гренланд бил пронајден генетски материјал стар два милиони години и денес се смета за најстарата ДНК откриена досега.
2 Проблеми и грешки
2.1 Процеси на деградација
Поради процесите на деградација (вклучувајќи вкрстено поврзување, деаминација и фрагментација), древната ДНК е со послаб квалитет од современиот генетски материјал. Карактеристиките на штетата и способноста на дДНК да преживее низ времето ги ограничува можните анализи и поставува горна граница на возраста на успешните примероци. Постои теоретска заемна поврзаност помеѓу времето и деградацијата на ДНК, иако разликите во условите на животната средина ги комплицираат работите. Примероците подложени на различни услови веројатно нема предвидливо да се усогласат со со деградација на возраста. Ефектите врз животната средина може дури и да бидат важни по ископувањето, бидејќи стапката на распаѓање на ДНК може да се зголеми, особено при флуктуирачки услови на складирање. Дури и при најдобри услови за зачувување, постои горна граница од 0,4 до 1,5 милиони години за примерокот да содржи доволно ДНК за современи технологии за секвенционирање.
Истражувањето за распаѓањето на митохондриската и јадрената ДНК во коските моа ја моделира деградацијата на митохондриската ДНК до просечна должина од 1 базен пар по 6.830.000 години на -5 °C. Кинетиката на распаѓање била измерена со експерименти со забрзано стареење, дополнително покажувајќи го силното влијание на температурата и влажноста на складирањето врз распаѓањето на ДНК. Јадрената ДНК се разградува најмалку двапати побрзо од мтДНК. Раните студии кои објавиле обновување на многу постара ДНК, на пример од остатоци од диносаурус од креда, можеби произлегле од контаминација на примерокот.
2.2 Возрасна граница
Критичкиот преглед на литературата за древната ДНК преку развојот на ова поле, нагласува дека неколку проучувања успеале да ја засилат ДНК од остатоците постари од неколку стотици илјади години. Поголемата благодарност за ризиците од контаминација на животната средина и иследувањата за хемиската стабилност на ДНК предизвикале загриженост во однос на претходно пријавените резултати. Наводната ДНК на диносаурусот подоцна било откриено дека е човечки Y-хромозом. ДНК пријавена од инкапсулирани халобактерии била критикувана врз основа на нејзината сличност со современите бактерии, што укажува на контаминација, или тие може да се производ на долготрајна метаболичка активност на ниско ниво.
дДНК би можела да содржи поголем број на постмортални мутации, кои се зголемуваат со текот на времето. Некои региони на полинуклеотид се поподложни на оваа деградација, дозволувајќи им на податоците од погрешната низа да ги заобиколат статистичките филтри што се користат за проверка на валидноста на податоците. Поради честите грешки во секвенционирањето, потребно е да се примени голема претпазливост при толкувањето на големината на популацијата. Замените кои произлегуваат од деаминацијата на остатоците од цитозин се многу презастапени во древните секвенци на ДНК. Погрешното кодирање на C во T и G до A е одговорно за повеќето грешки.
2.3 Контаминација
Друг проблем со древните примероци на ДНК е контаминација со современата човечка ДНК и со микробна ДНК (од кои повеќето се исто така древни). Во последниве години се појавиле нови методи за да се спречи можна контаминација на примероците од дДНК, вклучително спроведување на екстракција во екстремни стерилни услови, користење специјални апарати за идентификување на ендогени молекули на примерокот (се разликуваат од оние воведени за време на анализата) и примена на биоинформатика на добиените секвенци врз основа на познати читања со цел да се приближат стапките на контаминација.
3 Автентикација на дДНК
Развојот на полето на дДНК во 2000-тите ја зголемило важноста на оригиналноста на обновената ДНК за да се потврди дека таа е навистина стара и не претставува резултат на неодамнешна контаминација. Како што ДНК се разградува со текот на времето, нуклеотидите кои ја сочинуваат ДНК може да се променат, особено на краевите на молекулите на ДНК. Деаминацијата на цитозин во урацил на краевите на молекулите на ДНК станало начин за автентикација. За време на секвенционирањето на ДНК, ДНК полимеразите ќе инкорпорираат аденин (А) наспроти урацилот (U), што доведува до замена на цитозин (C) во тимин (Т) во податоците на дДНК. Овие замени се зголемуваат во фреквенцијата како што примерокот старее. Мерењето на фреквенцијата на нивото на КТ, древно оштетување на ДНК, може да се спроведе со користење на различен софтвер како mapDamage2.0 или PMDtools и интерактивно на metaDMG. Поради хидролитичка депуринација, ДНК фрагменти на помали парчиња доведува до едноверижни паузи. Во комбинација со моделот на оштетување, оваа кратка должина на фрагментот исто така може да помогне да се направи разлика помеѓу современата и древната ДНК.
4 Нечовечка дДНК
И покрај проблемите поврзани со „преддилувијанската“ ДНК, денес се објавени широк и сè поголем опсег на секвенци на дДНК од низа животински и растителни таксони. Испитувачките ткива вклучуваат вештачки или природно мумифицирани животински остатоци, коски, палеофецеси, примероци зачувани со алкохол, средини од глодар, сушени растителни остатоци, и неодамна, екстракција на животинска и растителна ДНК директно од примероците од почвата.
Во јуни 2013 година, група истражувачи, вклучувајќи ги Еске Вилерслев, Маркус Томас Гилберт и Орландо Лудович од Центарот за геогенетика на Природонаучниот музеј на Данска одУниверзитетот во Копенхаген, објавиле дека ја секвенционирале ДНК од коњ кој бил стар помеѓу 560-780 илјади години, користејќи материјал извлечен од коска од ногата пронајдена закопана во вечен мраз на канадската територија Јукон. Германски тим, исто така, во 2013 година пријавил реконструиран митохондриски геном на мечка, ''Ursus deningeri'', стар повеќе од 300.000 години, докажувајќи дека автентичната древна ДНК може да се зачува стотици илјади години надвор од вечниот мраз. ДНК секвенцата на уште постара јадрена ДНК била пријавена во 2021 година од зачуваните во вечниот мраз заби на два сибирски мамути, и двата стари над милион години.
Истражувачите во 2016 година измериле ДНК на хлоропласт во јадрата на морските седименти и откриле ДНК на силикатна алга која датира од 1,4 милиони години. Оваа ДНК имала полуживот значително подолг од претходните истражувања, до 15.000 години. Екипата на Киркпатрик, исто така, открила дека ДНК се распаѓа само со стапка на полуживот до околу 100 илјади години, во тој момент таа следела побавна стапка на распаѓање со законска моќност.
5 Човечка дДНК
Поради значителниот антрополошки, археолошки и јавен интерес насочен кон човечките остатоци, тие добиле значително внимание од заедницата на ДНК. Постојат и подлабоки прашања со контаминација, бидејќи примероците припаѓаат на истиот вид како и истражувачите кои ги собираат и оценуваат примероците.
5.1 Резултати
Сепак, преземајќи превентивни мерки во нивната постапка против таквата контаминација, проучување од 2012 година анализирало примероци од коски од неандерталска група во пештерата ел-Сидрон, наоѓајќи нови сознанија за потенцијалното сродство и генетската разновидност од дДНК. Во ноември 2015 година, научниците објавиле дека пронашле заб стар 110.000 години кој содржи ДНК од Денисовскиот хоминин, изумрен вид на човек од родот Хомо.
Истражувањето додало нова сложеност на жителите на Евроазија. Иследување од 2018 година покажало дека масовна миграција во бронзеното време во голема мера влијаела на генетскиот состав на Британските Острови, носејќи ја со себе културата на ѕвонестите пехари од континентална Европа.
Исто така, истражувањето открило нови информации за врските меѓу предците на Средна Азија и домородните народи на Америка. Во Африка, постарата ДНК брзо се разградува поради потоплата тропска клима, иако во септември 2017 година биле пријавени древни примероци на ДНК, стари дури 8.100 години.
Покрај тоа, древната ДНК им помогнала на истражувачите да ја проценат современата човечка дивергенција. Со секвенционирање на африканските геноми од тројца ловци-собирачи од камено доба (стари 2000 години) и четворица земјоделци од железното време (стари 300 до 500 години), Шлебуш и неговите колеги успеале да го вратат датумот на најраната дивергенција меѓу човечката популација на 350.000 до 260.000 години.
Од 2021 година, најстарите целосно реконструирани човечки геноми се стари околу 45.000 години. Ваквите генетски податоци обезбедуваат увид во миграцијата и генетската историја - на пр. на Европа - вклучително и за вкрстувањето помеѓу архаичните и модерните луѓе како вообичаена мешавина помеѓу почетните европски современи луѓе и неандерталците.