23 lip, 2010
Wykorzystanie starożytnego DNA w badaniach paleontologicznych
Zamieszczony przez: Jarek w: Genetyka
Wymarły gatunek Giant Moa źródło:http://www.labspaces.net/
Od momentu, gdy pojawiły się techniki umożliwiające szybkie sekwencjonowanie DNA, badania opierające się na porównaniu ich sekwencji stały się bardzo popularne i pomocne w rozszyfrowywaniu ewolucji. Informacje uzyskane na podstawie materiału genetycznego obecnie żyjących organizmów daje tylko częściowy obraz procesów zachodzących w przyrodzie już od bardzo dawna.
Wykorzystanie starożytnego DNA pomaga uzupełnić pewne luki, rozwiązując częściowo nasze wątpliwości. Żeby jednak skorzystać z tej ogromnej skarbnicy wiedzy trzeba się często wiele natrudzić. W tym artykule chciałbym przedstawić problemy związane użyciem starożytnego DNA, jak również możliwości i perspektywy płynące z jego wykorzystywania.
Przeprowadzanie badań materiału genetycznego uzyskanego ze znalezisk paleontologicznych, materiałów archeologicznych oraz eksponatów muzealnych stworzyło wiele nowych możliwości dla znacznej liczby dziedzin nauki takich jak biologia, archeologia, historia, kryminalistyka, sądownictwo czy medycyna.
Po pierwsze, praca ze starożytnym DNA, który jest nazywany aDNA, pozwala na udowodnienie lub zweryfikowanie hipotez, które były oparte na niepewnych przesłankach. W minionych latach rozgrywał się nieformalny wyścig mający na celu zsekwencjonowanie materiału genetycznego wymarłych gatunków takich jak np. dront dodo. Dzisiaj naukowcy zaczynają bardziej zastanawiać się nad tym jak geny prehistorycznych organizmów zmieniały się poprzez lata, jak przebiegała ewolucja.
Żeby jednak mówić o aDNA, trzeba wziąć pod uwagę jakość materiału genetycznego otrzymanego z próbek. Tak jak wszystkie czynniki biologiczne podlega on degradacji, czego efektem jest jego fragmentacja. Badania wykazały, że części te składają się zazwyczaj z około 100–500 par zasad. Ustalono również, że wiek próbki nie jest w żaden sposób związany z wielkością fragmentów DNA. Zbliżoną ich wielkość zaobserwowano w próbkach sprzed 4 lat, jak również w izolatach z kości sprzed 13 tysięcy lat. Ważne jest również gdzie znajdowało się DNA zanim dotarli do niego naukowcy. Stosunkowo duże ilości próbek dobrej jakości można otrzymać z materiału zakonserwowanego w niskiej temperaturze, przebywającego w jaskiniach mających swoisty mikroklimat, zalegającego w osadach bagiennych, ze względu na ograniczone działanie mikroorganizmów. Według szacunków ustalono, że maksymalny czas, jaki kwas dezoksyrybonukleinowy może przetrwać w geosferze to, w zależności od warunków, w jakich znajdowała się próbka, od 50 tysięcy do 1 miliona lat.
Najczęściej aDNA jest pobierany z zębów, które są chronione przez szkliwo, które zapobiega zanieczyszczeniu przez materiał genetyczny drobnoustrojów czy cząsteczkami nanoszonymi przez wodę. Również włosy przez to, że są zbudowane z keratyny zapewniającej ochronę, są dobrym źródłem próbek. Poza tym łatwo można usunąć z nich zanieczyszczenia bez szkody dla DNA. Z odchodów także można pozyskać aDNA gospodarza, jak również z niestrawionych resztek pokarmowych. Pozwalają one ustalić sposób życia danego organizmu, a także informują o składzie flory z danego okresu. Próbki do badań pobiera się również z naczyń, przedmiotów wykonanych przez człowieka. Dzięki nim można, np. ocenić przynależność etniczną twórców, poznać rośliny, które uprawiali bądź hodowane przez nich zwierzęta, dowiedzieć się, w jaki sposób konserwowali swoje wyroby.
Pobrany aDNA poddaje się reakcji PCR w celu amplifikacji materiału, dzięki czemu można przeprowadzić analizy bez potrzeby pobierania nowych próbek. Najczęstszą metodą badania jest sekwencjonowanie produktów PCR, lub klonów tych produktów. Wykorzystuje się również markery mikrosatelitarne, ale ich użycie jest ograniczone. Zbudowane są one z krótkich, powtarzających się sekwencji. Liczba powtórzeń danego motywu jest charakterystyczna dla danego markera, a na dodatek może się bardzo różnić między poszczególnymi osobnikami. Dzięki temu każda osoba ma swój jedyny i niepowtarzalny obraz DNA zwany „profilem mikrosatelitarnym”. Umożliwia to np. zbadanie pokrewieństwa pomiędzy postaciami historycznymi. Jednak nie zawsze markery mikrosatelitarne zachowują się do obecnych czasów w stanie nadającym się do analiz.
Do badań kopalnego DNA najczęściej używa się mitochondrialnego lub chloroplastowego kwasu dezoksyrybonukleinowego, ponieważ są one zazwyczaj lepiej zachowane niż materiał jądrowy ze względu na liczne ich kopie w komórce oraz dodatkowe błony otaczające te organelle. Analizie poddaje się fragmenty cytochromu b, podjednostki rRNA, a także oksydazy cytochromowej.
Testy aDNA pozwalają na spojrzenie w przeszłość. Dzięki nim można badać wpływ czynników środowiskowych na pojawianie się i wymieranie różnych gatunków, sprawdzać relacje genetyczne pomiędzy dawno już wymarłymi zwierzętami, a ich żyjącymi obecnie potomkami. Zebranie dużej ilości dobrej jakości DNA umożliwia wykonanie analiz populacyjnych i określenie np. zmienności genetycznej badanych populacji, oszacowanie ich liczebności i poziomu migracji, jak również określenie tempa przemian ewolucyjnych pod wpływem zmian klimatycznych lub zmian wywołanych w środowisku poprzez działalność człowieka. Badania takie umożliwiły ustalenie pokrewieństwa wymarłych już mamutów z obecnie żyjącymi słoniami. Okazało się, że były to słonie indyjskie. W niektórych przypadkach, jak np. u chrząszcza Cicindela dorsalis dorsalis analiza aDNA umożliwiła określenie zasięgu, na jakim występował gatunek, co pomaga w jego późniejszej reintrodukcji. Testy kopalnego DNA pokazują również zmiany częstotliwości występowania kluczowych genów, jaka miała miejsce podczas procesu udomawiania zbóż czy zwierząt.
Co więcej, dzięki prowadzonym badaniom nad aDNA możemy bliżej poznać antyczne kultury np. Etrusków, Indian prekolumbijskich, mieszkańców wysp Andamańskich czy Australijskich Aborygenów poprzez informacje o ich strukturze ludności, migracjach, powstawaniu i ewolucji języków, jak również o zasięgu groźnych chorób zakaźnych jak choćby trąd czy dżuma. Ponadto naukowcy wykorzystują kwas dezoksyrybonukleinowy jako źródło wiedzy na temat początków człowieka. Badania nad mitochondrialnym DNA neandertalczyka wykazały, że nie jest on bezpośrednio związany z mitochondrialnym DNA współczesnego człowieka. Dlatego też pogląd, że pula genowa dawnych ludzi żyjących w Afryce została wzbogacona przez materiał genetyczny archaicznych ludzi żyjących w innych miejscach wydaje się być słuszny. Nie wyklucza to założenia, że neandertalczycy krzyżowali się z hominidami żyjącymi w Europie, przybyłymi z Afryki. Jak do tej pory, nie znaleziono jednak na to dowodu w badaniach molekularnych. Jeśli w przyszłości będzie możliwe zbadanie mitochondrialnego DNA wczesnych hominidów, to wystąpienie w nich mitochondrialnego typu neandertalczyków potwierdzi hipotezę krzyżowania się. Ponadto badania nad aDNA mogą pomóc w odszyfrowaniu miejsca w ewolucji, odkrytego przed kilkoma laty, hobbita z indonezyjskiej wyspy Flores.
Kopalne DNA pozwala także zweryfikować różne hipotezy. Dzięki nim udowodniono, że rzekomo nowy gatunek przeżuwacza występującego w południowo-wschodniej Azji, który opisano na podstawie niewielkich ilości materiałów kostnych zbieranych od początku XX w. (Pseudonovibos spiralis), a pojawiających się głównie na targowiskach, był tak naprawdę fikcją, a znajdywane rogi były tylko spreparowanymi rogami bydła domowego.
Dużym zainteresowaniem cieszą się także analizy odwołujące się do kryminalistyki i archeologii, które umożliwiają ustalenie tożsamości konkretnych osób. Przy ich wykorzystaniu, zidentyfikowano szczątki ostatniego rosyjskiego cara Mikołaja i jego rodziny (1994r.). Metody te są również wykorzystywane w poszukiwaniach szczątków innych postaci historycznych, jak choćby członków francuskiej rodziny królewskiej, włoskich rodów książęcych, czy świętego Łukasza.
Przyszłość paleontologii będzie na pewno jeszcze bardziej związana z aDNA niż jest do tej pory. Badania wykorzystujące ten materiał są trudne do przeprowadzenia, ze względu na łatwe zanieczyszczenie próbek i trudność w zdobyciu materiału do analiz, lecz nie zniechęca to badaczy i dlatego prowadzi się je na coraz większą skalę. Ich wyniki, dostarczą nam nowych informacji o faunie i florze sprzed tysiącleci, dzięki czemu lepiej poznamy procesy ewolucyjne, migracje organizmów między kontynentem amerykańskim i europejskim. Być może uzyskamy również odpowiedzi na pytania dotyczące pojawiania się i zanikania gatunków.
Bibliografia:
1. Ancient DNA, Michael Hofreiter, David Serre, Hendrik N. Poinar, Melanie Kuch & Svante Pääbo, Nature Reviews Genetics 2, 353-359 (May 2001)
2. www.plosbiology.org/article/info:doi/10.1371/journal.pbio.0030056
3. wapedia.mobi/pl/Antyczne_DNA
4. portalwiedzy.onet.pl/4868,22734,1362326,1,czasopisma.html
Najnowsze komentarze