Antyczny DNA

Utworzono: niedziela, 26 maj 2019 Anna Leszkowska Drukuj E-mail

Stojak JCzy potrafimy sobie wyobrazić świat, w którym znów żyją dinozaury, a na wakacje jeździlibyśmy na Syberię oglądać wolnożyjące stada mamutów? Co jakiś czas media rozgrzewają dyskusję dotyczącą możliwości odtworzenia wymarłych gatunków i tym samym naprawienia niektórych skutków działalności człowieka, ale takie wskrzeszenia jeszcze długo pozostaną w sferze powieści science fiction. Możliwości genetyki nie należy jednak bagatelizować. DNA wyizolowany ze szczątków zwierząt żyjących w odległej przeszłości stanowi cenne źródło informacji, a niektóre z takich historii są niczym kryminalne opowieści.

Czym jest aDNA?

DNA, czyli kwas deoksyrybonukleinowy, jest wspaniałym związkiem. Nie zobaczymy go gołym okiem, ale to on decyduje o naszym życiu. Determinuje, jaki będziemy mieli kolor oczu, czy na śniadanie będziemy mogli zjeść płatki kukurydziane z mlekiem, czy zachorujemy na hemofilię, lub inną chorobę genetyczną. DNA to przepis, którego nie możemy zmienić.
Modyfikacje DNA u roślin (zazwyczaj uprawnych) czy zwierząt (zazwyczaj hodowlanych) wprawdzie nie należą do rzadkości, jednak potencjalne modyfikacje w genomie człowieka pozostają w sferze tabu. Pomijając kwestię nieetyczności, należy pamiętać, że mimo olbrzymiej wiedzy, którą posiadamy, w genetyce wciąż więcej jest niewiadomych. W inżynierii genetycznej szerokie zastosowanie znajduje metoda CRISPR/Cas (ang. Clustered Regularly-Interspaced Short Palindromic Repeats), pozwalająca na bardzo precyzyjne edytowanie genomów różnych organizmów. Nadal jednak nie znamy jej potencjalnych, długofalowych skutków.

DNA składa się z wielu małych puzzli, tzw. nukleotydów. Każdy nukleotyd posiada cukier deoksyrybozę (składający się z pięciu cząsteczek węgla), resztę kwasu fosforanowego i jedną z czterech zasad azotowych: purynę – adeninę (A) lub guaninę (G), lub pirymidynę – tyminę (T) lub cytozynę (C). Nukleotydy są połączone liniowo wiązaniami fosfodiestrowymi, tworząc nić DNA, prezentującą się jako ciąg liter A, T, G, C.
Cząsteczka DNA składa się z dwóch takich nici, połączonych dzięki zasadzie komplementarności: znajdujące się wewnątrz zasady azotowe łączą się w ściśle określone pary. Adenina zawsze łączy się z tyminą, a guanina z cytozyną. Dzięki temu, posiadając tylko jedną nić DNA z łatwością odtworzymy drugą.
Dwuniciowa cząsteczka DNA przyjmuje kształt prawoskrętnej, podwójnej helisy. Model ten został opisany i zaprezentowany w 1953 roku przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka. Badacze za swoje odkrycie otrzymali Nagrodę Nobla, nie byłoby to jednak możliwe, gdyby nie badania Rosalind Franklin, której nazwisko nie zostało uwzględnione w werdykcie Komitetu Noblowskiego.

Gdybyśmy połączyli wszystkie ludzkie cząsteczki DNA z jednej komórki somatycznej w jedną nić, mierzyłaby ona ponad 2 metry! DNA jest zatem mistrzem kompresji danych. Jednocześnie jest bardzo podatny na niekorzystne warunki środowiskowe, które go niszczą (degradują). Podobno w odpowiednich warunkach (niskie temperatury, niska wilgotność i wysokie zasolenie) DNA potrafiłby przetrwać w dobrym stanie nawet milion lat.
DNA wyizolowany z materiału biologicznego (kości, wytwory skóry) pobranego z organizmów żyjących wieki temu nazwano antycznym DNA (aDNA). Cząsteczki aDNA wykazują znaczne zdegradowanie, jednak z każdą dekadą genetyka robi znaczne postępy metodologiczne i obecnie w większości przypadków antyczny DNA można (przynajmniej w części) wyizolować, namnożyć i odczytać sekwencję jego nukleotydów (zsekwencjonować).

Ciężki kawałek DNA

Zanim jednak dokona się przełomowego odkrycia, aDNA należy uzyskać i skutecznie (czyli również bezbłędnie) namnożyć. Antyczne cząsteczki kwasu deoksyrybonukleinowego są znacznie pofragmentowane. Setki, a nawet tysiące lat niekorzystnego działania warunków środowiskowych doprowadzają do tego, że DNA może być pocięty na fragmenty o długości do kilkudziesięciu par zasad. Wyobraźmy sobie jak żmudną pracą jest uzyskanie wtedy sekwencji całego genomu mitochondrialnego, który liczy ponad 16 tysięcy par zasad! Co więcej, antyczny DNA izolowany z osadów lub pokładów lodowcowych jest zanieczyszczony inhibitorami, które hamują lub wręcz uniemożliwiają przeprowadzenie jego amplifikacji.
Amplifikacja DNA nie byłaby możliwa, gdyby nie opracowanie przez Kary’ego Mullisa w 1983 roku reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR, ang. polymerase chain reaction), polegającej na kopiowaniu cząsteczek DNA w warunkach laboratoryjnych. Ilość DNA uzyskanego w PCR zależy od liczby cykli reakcji (n) i wynosi 2n (zatem po 30 cyklach liczba cząsteczek DNA wynosi 230, czyli 1 073 741 824!).

Obecnie aDNA jest powielany i odczytywany z zastosowaniem sekwencjonowania nowej generacji (NGS, ang. next generation sequencing). Metoda ta tworzy sekwencję konsensusową, czyli najczęściej powtarzaną sekwencję uzyskaną po przyrównaniu wszystkich odczytów sekwenatora i obliczeniu częstości występowania nukleotydów w każdej pozycji tych odczytów. NGS eliminuje również problem ewentualnej kontaminacji innym DNA (np. bakteryjnym), jeżeli tych zanieczyszczeń jest bardzo mało w stosunku do DNA będącego obiektem badań (tzw. DNA matrycowego). Szczególnie poważnym problemem jest kontaminacja współczesnym DNA, dlatego izolacja aDNA jest prowadzona w specjalnie przygotowanym laboratorium, z osobnym wejściem, wyposażonym w śluzy, w którym nie pracuje się z DNA pozyskanym z prób współczesnych, ani z produktami uzyskanymi w PCR. Pomieszczenia są codziennie naświetlane promieniowaniem UV, a osoby pracujące w takim laboratorium noszą specjalne maski i kombinezony ochronne.

Ile Neandertalczyka w Homo sapiens?

Pierwszym sukcesem w analizach muzealnych prób było zsekwencjonowanie w 1984 roku przez zespół dr. Russella Higuchi z Uniwersytetu Kalifornijskiego mitochondrialnego genomu z zasuszonych mięśni zebry kwagga, martwej od 140 lat. Możliwość analizy antycznego DNA otworzyła przez naukowcami nowe możliwości, w tym analizę historii człowieka, obejmującą migracje populacji ludzkich i porównanie współczesnych ludzi z Neandertalczykami.
Odczytanie całego genomu mitochondrialnego Neandertalczyka przez zespół profesora Svante Pääbo z Instytutu Maxa Plancka w Lipsku ujawniło, że około 50-60 tysięcy lat temu wczesny Homo sapiens sporadycznie krzyżował się ze swoim wymarłym 24,5 tysiąca lat temu krewnym.
Geny Neandertalczyków znaleźć można u ludzi z różnych stron świata z wyjątkiem Afryki, której obszarów Homo neanderthalensis nigdy nie zamieszkiwał. Udział genów Neandertalczyka w genomie współczesnych ludzi wynosi około 1-4%.

Badania Srirama Sankararamana z Harvardu wykazały, że najwięcej znajduje się ich w regionach związanych z produkcją białka keratyny, zatem kodujących kolor skóry, oczu czy włosów oraz odpowiadających za elastyczność i wytrzymałość mechaniczną skóry. Sugeruje to, że nasi wymarli kuzyni przekazali nam zdolność w dostosowaniu się do chłodniejszego niż afrykański klimatu oraz… niebieskie oczy.
Niestety, badania Sankararamana wykazały również, że zwiększone ryzyko zachorowania na choroby takie jak toczeń rumieniowaty czy cukrzyca typu 2 również może być związane z obecnością neandertalskich wariantów genów. Na podstawie analizy genetycznej całej współczesnej populacji zamieszkującej Europę i Azję Wschodnią, Benjamin Vernot i Joshua Akey z uniwersytetu w Seattle oszacowali, że w sumie Neandertalczycy przekazali Homo sapiens aż 20% swojego genomu. Kto by pomyślał, że nasze geny skrywają takie sensacje!

Wędrówki z mamutami

Tysiące lat temu Polska wyglądała zupełnie inaczej. W 2016 roku, budowniczy drogi S3 ku swojemu zdumieniu w okolicach Gorzowa Wielkopolskiego odkryli niemal kompletny szkielet ciepłolubnego nosorożca Stephanorhinus kirchbergensis sprzed 100 tysięcy lat. Zwierzę najprawdopodobniej utonęło w jeziorze, które kiedyś zajmowało tereny gdzie teraz poprowadzono drogę ekspresową. Ale to nie koniec rewelacji. Szczątki mamutów rozsypane są dosłownie po całym kraju potwierdzając, że te włochate zwierzęta żyły w Polsce w licznych stadach. Wiek najmłodszych kości szacuje się na 13 tysięcy lat. W licznie odnajdywanych w Polsce szczątkach różnych zwierząt tkwi olbrzymi potencjał, jednak wciąż niewiele z nich analizowanych jest pod kątem zmienności antycznego DNA.

Sukces w amplifikacji aDNA zebry kwagga, wspomniany we wcześniejszym rozdziale tego artykułu, stworzył nowe możliwości w odtwarzaniu historii ewolucyjnej gatunków w oparciu nie tylko o rozmieszczenie ich szczątków kopalnych w różnych okresach, ale także o analizę ich zmienności genetycznej. Szczególnie interesujące są scenariusze poglacjalnej kolonizacji obszarów, z których wycofał się lodowiec.

Analiza danych genetycznych pozyskanych z prób współczesnych pozwala na identyfikację gwałtownych wydarzeń z przeszłości, takich jak wycofywanie i ekspansja populacji w trakcie cyklicznie występujących okresów zlodowacenia (glacjałów) i odwilży (interglacjałów). Z kolei antyczny DNA pozwala zajrzeć jeszcze głębiej, umożliwiając poznanie struktury genetycznej badanych populacji w konkretnym momencie. Często okazuje się, że przeszłość była znacznie bardziej skomplikowana niż wskazywałyby współczesne populacje.

Doskonałym przykładem jest historia ewolucyjna niedźwiedzia brunatnego. W holocenie tereny współczesnej Francji zamieszkiwane były przez populację niedźwiedzia, po której obecnie nie ma już śladu – została wytępiona przez ludzi. W tym przypadku doszło jedynie do zubożenia puli genetycznej gatunku, natomiast mamuty nie miały takiego szczęścia, dosłownie znikając z powierzchni Ziemi.

Antyczny DNA pozwala również skorelować czas wymierania różnych gatunków z pojawieniem się człowieka. Badania populacji bizonów z obszarów Azji i Ameryki Północnej ujawniły, że wprawdzie populacja tych zwierząt zaczęła zmniejszać się już około 37 tysięcy lat temu, ale dopiero 15-12 tysięcy lat temu, gdy doszło do spotkania z myśliwymi, spadek ten znacznie przyspieszył.

W przypadku gatunków wrażliwych na stan środowiska zmiany klimatyczne doprowadzają do drastycznych zmian demograficznych. Gwałtowne ocieplenie około 15-13 tysięcy lat temu spowodowało znaczne zmniejszenie zasięgu i liczebności leminga obrożego, gryzonia przystosowanego do chłodnego klimatu. Modelowanie uwzględniające prognozowane zmiany klimatyczne sugeruje, że w ciągu kolejnych 50-60 lat zniknie aż połowa obszarów odpowiednich dla leminga, doprowadzając niechybnie do jeszcze większej redukcji jego populacji.

Spośród licznych badań wykorzystujących antyczny DNA wyróżnić należy projekt, którego bohaterem był zamieszkujący Polskę żubr. Okazało się bowiem, że gatunek ten jest hybrydą! Wyniki analiz sugerują, że żubr jest wynikiem krzyżowania się około 120 tysięcy lat temu dwóch wymarłych gatunków: żubra stepowego (pierwotnego) i tura (przodek bydła domowego). I to jest dopiero historia! Antyczny DNA na pewno skrywa ich jeszcze bardzo wiele.
Joanna Stojak

Dr Joanna Stojak jest pracownikiem naukowym Instytutu Biologii Ssaków PAN

 

 

 

Odsłony: 1702
DMC Firewall is developed by Dean Marshall Consultancy Ltd