Nuklear DNA fra sedimenter hjælper med at låse op for gammel menneskelig historie

Området for gammelt DNA har afsløret vigtige aspekter af menneskets evolutionære fortid, herunder forhold til denisovaner og neandertalere. Disse undersøgelser har været afhængige af DNA fra knogler og tænder, som opbevarer DNA og beskytter det mod miljøet. Men sådanne skeletrester er yderst sjældne, efterlader store dele af menneskets historie utilgængelige for genetisk analyse.

For at udfylde disse huller, forskere ved Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology udviklede nye metoder til at berige og analysere menneskeligt nuklear DNA fra sedimenter, som er rigelige på næsten alle arkæologiske steder. Indtil nu, kun mitokondrielt DNA er blevet genfundet fra arkæologiske sedimenter, men dette er af begrænset værdi for at studere befolkningsforhold. Fremkomsten af ​​nukleare DNA-analyser af sedimenter giver nye muligheder for at undersøge den dybe menneskelige fortid.

Sedimenter kan indeholde genetisk materiale fra andre pattedyr

Når man udvinder gammelt menneskeligt DNA fra sedimenterne, forskerne skulle passe på med at undgå den betydelige mængde DNA fra andre pattedyr, såsom bjørne og hyæner. "Der er masser af steder i det menneskelige genom, der minder meget om en bjørns DNA, for eksempel, " sagde Benjamin Vernot, undersøgelsens første forfatter. Forskerne målrettede specifikt mod områder i genomet, hvor de kunne være sikre på kun at isolere menneskeligt DNA, og de designede også metoder til at måle deres succes med at fjerne ikke-menneskeligt DNA. "Vi ville være sikre på, at vi ikke ved et uheld så på nogle ukendte arter af hyæne, " sagde Vernot.

Forskerne brugte deres teknikker til at studere mere end 150 sedimentprøver fra tre huler. Ved to af disse - Chagyrskaya- og Denisova-hulerne i Altai-bjergene i det sydlige Sibirien - havde tidligere undersøgelser analyseret DNA fra knogler. Så forfatterne var i stand til at sammenligne DNA fra sedimenter med DNA fra knogler. "De teknikker, vi udviklede, er meget nye, og vi ønskede at være i stand til at teste dem på steder, hvor vi vidste, hvad vi kunne forvente, sagde Matthias Meyer, seniorforfatteren på undersøgelsen. Forskerne fandt ud af, at DNA fra sedimenterne var tættest beslægtet med genomer hentet fra knogler fra disse steder, give dem tillid til robustheden af ​​deres metoder.

Nukleart DNA hentet fra huleaflejringer i det nordlige Spanien

Udgravninger på det tredje sted, Galería de las Estatuas i det nordlige Spanien, ledet af Juan Luís Arsuaga fra Universidad Complutense de Madrid, havde afsløret stenredskaber, der spændte over en periode mellem 70 og 115 tusind år siden. Men kun en enkelt neandertalertåben var blevet fundet, og den var for lille til at prøve for DNA. "Der var ingen måde at studere genetikken hos neandertalerne, der boede i Estatuas, " sagde Asier Gómez-Olivencia, en videnskabsmand på Estatuas-holdet fra Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea. Det nukleare DNA ekstraheret fra sedimenterne afslørede, at ikke én, men to neandertalerbefolkninger havde boet i hulen, med den oprindelige gruppe erstattet af en senere gruppe for cirka 100 tusind år siden.

Da forskerne sammenlignede sediment-DNA'et med andre skeletprøver, de bemærkede en slående tendens - der så ud til at have været to "udstrålinger" af neandertalere, med den ældre Estatuas befolkning, der stammer fra én stråling, og den yngre befolkning fra en anden begivenhed. "Vi spekulerede på, om disse strålinger, sammen med befolkningsudskiftningen i Estatuas, kan have været bundet til klimaændringer, eller til ændringer i neandertalmorfologi, der fandt sted omkring denne tidsperiode - selvom vi har brug for flere data for at sige med sikkerhed, " sagde Juan Luís Arsuaga.

Ny indsigt i den dybe menneskelige fortid

Selv for steder, hvor undersøgelser tidligere har analyseret DNA fra knogler, det er muligt at hente ny indsigt fra sedimenterne. Ved Chagyrskaya Cave, tidligere arkæologiske undersøgelser havde antydet, at neandertalernes beboere tilhørte en enkelt befolkning, og boede der kun kort tid. Men da tidligere arbejde kun havde genvundet et enkelt genom fra en af ​​knoglerne fundet på stedet, der var ingen måde at sige, om det var repræsentativt for hele befolkningen, der boede omkring Chagyrskaya-hulen. Sediment-DNA'et var i stand til at bekræfte denne hypotese. "Vi tog sedimentprøver fra hele stratigrafien, og de lignede alle meget DNA fra knoglen, selvom sediment-DNA'et kom fra flere individer, " sagde Kseniya Kolobova ved Institut for Arkæologi og Etnografi, Russiske Videnskabsakademi, den ledende arkæolog ved Chagyrskaya Cave.

"Den daggry af nuklear DNA-analyse af sedimenter udvider massivt rækken af ​​muligheder for at drille oldtidens menneskers evolutionære historie, " sagde Vernot. Ved at befri feltet for gammelt DNA fra begrænsningerne med at finde menneskelige rester og udvide antallet af steder, der potentielt er egnede til undersøgelse, "Vi kan nu studere DNA fra mange flere menneskelige populationer, og fra mange flere steder, end man tidligere har troet muligt, sagde Meyer.