Палеогенетика — галузь генетики, спрямована на розв'язання проблем палеонтології. Звичайно стосується вивчення еволюції з використанням даних щодо давньої ДНК.
Термін «палеогенетика» запропонували в 1963 р. Еміль Цукеркандл і хімік Лайнус Полінг, а «хрещеним батьком» нової дисципліни став біолог Сванте Паабо.
Історія
Молекулярно-генетичні дослідження стародавньої ДНК почалися в середині 80-х років XX ст. одночасно у двох різних лабораторіях — у Швеції (С. Паабо) і США (А. Вілсон). Саме тоді дійшли висновку, що методи роботи з сучасною ДНК можуть підходити для тих молекул нуклеїнових кислот, які збереглися після природної смерті, хоча скам'янілості, мумії, стародавні залишки рослин використовувалися дослідниками до того часу вже десятки років. Багато зниклих таксонів були результатом еволюції цілих екосистем, що не збереглися до наших днів. Тому вони представляють унікальний природний експеримент, який неможливо повторити, а стародавня, або «викопна» ДНК — джерело загубленої генетичної інформації, корисної для реконструкції їх еволюційного шляху і збереження біот, що залишилася.
Успіхи в екстрагуванні стародавньої ДНК зі шкіри музейних експонатів, єгипетських мумій, кісток і тканин з поховань людини, а також з міоценової магнолії та плейстоценового насіння рослин відкрили перспективу читання послідовностей ДНК вимерлих видів. Вважається, що вік найстарішої ДНК, яка вилучена з довгоносиків (Nemonichidae, Coleoptera), становить близько 130 млн років, тобто вона вдвічі старша за динозаврів, зниклих 65 млн років тому. Звернутися до нового об'єкту досліджень — викопних решток тварин і рослин — дозволило вдосконалення методів молекулярної біології й насамперед ПЛР, яка може виявити та ампліфікувати єдину копію ДНК.
Вивчення збережених в часі макромолекул забезпечило доступ до доісторичної генетичної інформації і дозволило дослідити молекулярну еволюцію в режимі реального часу, не екстраполюючи через ДНК нинішніх організмів. Спочатку дослідження викопного матеріалу були сфокусовані на мтДНК (для ідентифікації видів і рас, реконструкції матріархальних зв'язків, вивчення «мітохондріальних» хвороб тощо), що пояснювалося як досить великим числом її копій, так і кращим використанням в систематиці й популяційних дослідженнях. Пізніше стали використовувати послідовності яДНК, що швидко еволюціонують (такі, як мікросателіти).
Складнощі, пов'язані зі збереженням ДНК у викопних рештках
Стабільність біомолекул в часі істотно варіює. Біологічні молекули зазнають драматичні постмортальні зміни навіть у тих випадках, коли тіла організмів збереглися відносно добре. В умовах, близьких до фізіологічних, ймовірність збереження ДНК незначна, ця молекула надзвичайно сприйнятлива до окислювальних і гідролітичних пошкоджень, будь-які зміни структури швидко її дестабілізують, утворюючи однониткові розриви. Тому безпосередньо після смерті клітини молекули ДНК починають швидко розпадатися, і цей процес починається з автолізу. Якщо біологічні молекули збереглися протягом геологічного періоду часу, значить вони опинилися поза фізіологічних умов відразу після біологічної смерті клітини і в цих умовах залишалися до їх виявлення. Водночас молекули мали бути захищені і від нефізіологічного впливу, наприклад спеки, тиску і т. д.. Процес руйнування ДНК істотно сповільнюється в анаеробних умовах (, бурштин), за відсутності вологи (), при низьких температурах (вічна мерзлота) і зниженій кислотності (кислі джерела), високій іонній силі навколишнього середовища: (солоні водойми, вапняні відкладення).
Методи одержання вихідного матеріалу
Найбільш часто для отримання стародавньої ДНК користуються двома методами: традиційним фенольно-детергентним, що включає обробку протеїназою К, і з двоокисом кремнію. Недоліком першого методу є багатоетапність і можливість паралельного виділення інгібіторів. Другий метод значно простіший, він ефективно видаляє інгібітори, хоча менш успішний щодо вилучення ДНК.
Основні напрямки сучасних палеогенетичних досліджень
- Систематичні, еволюційні та популяційні дослідження тварин.
- Географічне походження сучасних популяцій диких і домашніх тварин.
- Філогенетичні зв'язки неандертальця з сучасною людиною.
- Дослідження генофонду стародавнього населення Землі.
- Таксономічна ідентифікація та палеонтологічні реконструкції.
- Мікробіологічні дослідження палеонтологічних і археологічних знахідок.
- Стародавня ДНК та гуманітарні проблеми.
Деякі досягнення палеогенетики
Методи палеогенетичних досліджень продовжують розвиватися з вражаючою швидкістю. Ще недавно здавалося, що вже до кісток старше 100 тисяч років палеогенетика точно ніколи не добереться. Але ось і цей рубіж подолано: описано фрагменти ДНК тварин і рослин з вічної мерзлоти віком до 800 тисяч років і навіть повний ядерний геном викопного коня віком 560–780 тисяч років, теж з вічної мерзлоти.
У вересні 2013 р. був опублікований повний мітохондріальний геном печерного ведмедя з Сіма де лос Уесос, що жив близько 400 тис. років тому. Тим самим було доведено, що ДНК може зберігатися сотні тисячоліть не тільки у вічній мерзлоті.
Новітні методи палеогенетики дозволили реконструювати мітохондріальний геном людини, що жила 400 тисяч років тому в печері Сіма де лос Уесос на півночі Іспанії. Це рекордна старовина: досі не вдавалося отримати ДНК з людських кісток старше 100 тисяч років. Стародавніх європейців з Сіма де лос Уесос зазвичай відносять до виду Homo heidelbergensis і вважають предками неандертальців, оскільки у них є ряд специфічних неандертальських ознак. Однак ДНК, виділена зі стегнової кістки, виявилася більш схожа з мітохондріальними геномами людей з Денисової печери, ніж з неандертальськими. Одне з можливих пояснень полягає в тому, що споріднені архаїчні варіанти мтДНК проникли в популяції предків неандертальців і денисовців в результаті схрещування з реліктовими місцевими племенами людини прямоходячої.
Американські та німецькі палеогенетики з'ясували, що частота народження неандертальських аллелей в хромосомах 1004 сучасних людей з різних континентів знижена у функціонально важливих ділянках геному і в Х-хромосомі, а також у генах, що працюють в . Це означає, що багато неандертальських генів, що потрапили до генофонду сапієнсів в результаті гібридизації, виявилися шкідливими для наших предків і поступово відбраковуються добором у наступні епохи.
Див. також
Література
- Челомина Г. Н. Древняя ДНК // Генетика. — 2006. — Т. 42. — № 3. — С. 293–309.
Ресурси Інтернету
- Paläogenetik — Erbgut des Neandertalers soll entschlüsselt werden. // Süddeutsche Zeitung, Ausgabe vom 20. Juli 2006
- Марков А. Прочтен митохондриальный геном гейдельбергского человека: предки неандертальцев оказались родственниками денисовцев по материнской линии [2]
Примітки
- Zukerkandl E., Pauling L. Molecules as documents of evolutionary history // J. Theor. Biol. — 1965. — V. 8. — P. 357–366.
- Higuchi R., Bowman B., Freiherger M. et al. DNA sequences from the quagga, an extinct member of the horse family // Nature. — 1984. — V. 312. — P. 282–284.
- Higuchi R., Wrischnik L.A., Oakes E. et al. Mitochondrial DNA of the extinct quaqqa: Relatedness and extent of postmortem change // J. Mol. Evol. — V. 25. — P. 283–287.
- Thomas W.K., Paabo S., Villablanca F.X., Wilson A.C. Spatial and temporal continuity of kangaroo rat populations shown by sequencing mitochondrial DNA from museum specimens// J. Mol. Evol. — 1990. — V. 31. — P. 101–112.
- Paabo S. Molecular cloning of ancient Egyptian mummy DNA // Nature. — 1985. — V. 314. — P. 644–646.
- Lawlor D.A., Dickel C.D., Hauswirth W.W., Parham P. Ancient HLA genes from 7500-year-old archeological remains // Nature. — 1991. — V. 349. — P. 785–787.
- Rollo F. Characterization by molecular hybridization of RNA fragments isolated from ancient (1 400 B.C.) seeds // Theor. Appl. Genet. — 1985. — V. 71. — P. 330–333.
- Golenberg EM., Giannasi D.E., Clegg M.T. et al. Chloroplast DNA sequence from a Miocene Magnolia species // Nature. — 1990. — V. 344. — P. 656–658.
- Paabo S., Wilson A.C. Mitochondrial DNA sequences from a 7000-year-old brain // Nucl. Acids Res. — 1988. — V. 16. — P. 9774-9787.
- Cano R.J., Poinar H.N., Pieniazek N.J. et al. Amplification of DNA from 120-135-million-year-old weevil // Nature. — 1993. — V. 363. — P. 536–538.
- Saiki R.K., Scharf S., Faloona F. et al. Enzymatic amplification of beta-globin genomic sequences and restriction site analysis for diagnosis of sickle cell anemia // Science. — 1985. — V. 230. — P. 1350–1354.
- Mullis K.B., Faloona F.A. Specific synthesis of DNA in vitro via a polymerase-catalyzed chain reaction // Methods Enzymol. — 1987. — V. 155. — P. 335–350.
- Paabo S., Wilson A.C. Miocene DNA sequences — a dream come true? // Curr. Biol. — 1991. — V. 1. — P. 45-46.
- Woodward S.R., Weyand N.J., Bunnell M. DNA sequence from Cretaceous period bone fragments // Science. — 1994. — V. 266. — P. 1229–1232.
- Marota L., Rollo F. Molecular paleontology // Cell. Molec. Life Sciences. -. 2002. — V. 59. — P. 97-111.
- Cooper A. Moas, gizzard stones, and New Zealand plants: Further commentary // N.Z. Sci. Rev. — 1994. — V. 5. P. 60-63.
- Hagelberg E. Mitochondrial DNA from ancient bones // Ancient DNA. — N.Y., 1994. — P. 195–204.
- Paabo S. Ancient DNA // Sci. Amer. — 1993. — V. 269. — P. 86-92.
- Cano R.J., Poinar H.N., Pieniazek N.J. et al. Amplification and sequencing of DNA from a 120–135 million year old weevil // Nature (London). — 1993. — V. 363. — P. 536–538.
- Boom R., Sol C.J.A., Salimans At M.M. et al. Rapid and simple method for purification of nucleic acids // J. Clin. Microbiol. 1990. V. 28. P. 495–503.
- Marota I., Rollo F. Molecular paleontology // Cell. Molec. Life Sciences. — 2002. — V. 59. — P. 97-111.
- Yang H., Golenberg E.M., Shoshani J. Proboscidean DNA from museum and fossil specimens: An assessment of ancient DNA extraction and amplification techniques // Biochem. Genet. — 1997. — V. 35. — P. 165–179.
- Orlando L. et al. Recalibrating Equus evolution using the genome sequence of an early Middle Pleistocene horse // — Nature. — 2013. — Vol. 499. — P. 74-78
- Dabney J. et al. Complete mitochondrial genome sequence of a Middle Pleistocene cave bear reconstructed from ultrashort DNA fragments // Proc. Nat. Acad. Sci. — 2013
- Марков А. Прочтен митохондриальный геном гейдельбергского человека: предки неандертальцев оказались родственниками денисовцев по материнской линии [1]
- Марков А. Между сапиенсами и неандертальцами существовала частичная репродуктивная изоляция http://elementy.ru/news/432184
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Paleogenetika galuz genetiki spryamovana na rozv yazannya problem paleontologiyi Zvichajno stosuyetsya vivchennya evolyuciyi z vikoristannyam danih shodo davnoyi DNK Termin paleogenetika zaproponuvali v 1963 r Emil Cukerkandl i himik Lajnus Poling a hreshenim batkom novoyi disciplini stav biolog Svante Paabo IstoriyaMolekulyarno genetichni doslidzhennya starodavnoyi DNK pochalisya v seredini 80 h rokiv XX st odnochasno u dvoh riznih laboratoriyah u Shveciyi S Paabo i SShA A Vilson Same todi dijshli visnovku sho metodi roboti z suchasnoyu DNK mozhut pidhoditi dlya tih molekul nukleyinovih kislot yaki zbereglisya pislya prirodnoyi smerti hocha skam yanilosti mumiyi starodavni zalishki roslin vikoristovuvalisya doslidnikami do togo chasu vzhe desyatki rokiv Bagato zniklih taksoniv buli rezultatom evolyuciyi cilih ekosistem sho ne zbereglisya do nashih dniv Tomu voni predstavlyayut unikalnij prirodnij eksperiment yakij nemozhlivo povtoriti a starodavnya abo vikopna DNK dzherelo zagublenoyi genetichnoyi informaciyi korisnoyi dlya rekonstrukciyi yih evolyucijnogo shlyahu i zberezhennya biot sho zalishilasya Uspihi v ekstraguvanni starodavnoyi DNK zi shkiri muzejnih eksponativ yegipetskih mumij kistok i tkanin z pohovan lyudini a takozh z miocenovoyi magnoliyi ta plejstocenovogo nasinnya roslin vidkrili perspektivu chitannya poslidovnostej DNK vimerlih vidiv Vvazhayetsya sho vik najstarishoyi DNK yaka viluchena z dovgonosikiv Nemonichidae Coleoptera stanovit blizko 130 mln rokiv tobto vona vdvichi starsha za dinozavriv zniklih 65 mln rokiv tomu Zvernutisya do novogo ob yektu doslidzhen vikopnih reshtok tvarin i roslin dozvolilo vdoskonalennya metodiv molekulyarnoyi biologiyi j nasampered PLR yaka mozhe viyaviti ta amplifikuvati yedinu kopiyu DNK Vivchennya zberezhenih v chasi makromolekul zabezpechilo dostup do doistorichnoyi genetichnoyi informaciyi i dozvolilo dosliditi molekulyarnu evolyuciyu v rezhimi realnogo chasu ne ekstrapolyuyuchi cherez DNK ninishnih organizmiv Spochatku doslidzhennya vikopnogo materialu buli sfokusovani na mtDNK dlya identifikaciyi vidiv i ras rekonstrukciyi matriarhalnih zv yazkiv vivchennya mitohondrialnih hvorob tosho sho poyasnyuvalosya yak dosit velikim chislom yiyi kopij tak i krashim vikoristannyam v sistematici j populyacijnih doslidzhennyah Piznishe stali vikoristovuvati poslidovnosti yaDNK sho shvidko evolyucionuyut taki yak mikrosateliti Skladnoshi pov yazani zi zberezhennyam DNK u vikopnih reshtkahStabilnist biomolekul v chasi istotno variyuye Biologichni molekuli zaznayut dramatichni postmortalni zmini navit u tih vipadkah koli tila organizmiv zbereglisya vidnosno dobre V umovah blizkih do fiziologichnih jmovirnist zberezhennya DNK neznachna cya molekula nadzvichajno sprijnyatliva do okislyuvalnih i gidrolitichnih poshkodzhen bud yaki zmini strukturi shvidko yiyi destabilizuyut utvoryuyuchi odnonitkovi rozrivi Tomu bezposeredno pislya smerti klitini molekuli DNK pochinayut shvidko rozpadatisya i cej proces pochinayetsya z avtolizu Yaksho biologichni molekuli zbereglisya protyagom geologichnogo periodu chasu znachit voni opinilisya poza fiziologichnih umov vidrazu pislya biologichnoyi smerti klitini i v cih umovah zalishalisya do yih viyavlennya Vodnochas molekuli mali buti zahisheni i vid nefiziologichnogo vplivu napriklad speki tisku i t d Proces rujnuvannya DNK istotno spovilnyuyetsya v anaerobnih umovah burshtin za vidsutnosti vologi pri nizkih temperaturah vichna merzlota i znizhenij kislotnosti kisli dzherela visokij ionnij sili navkolishnogo seredovisha soloni vodojmi vapnyani vidkladennya Metodi oderzhannya vihidnogo materialuNajbilsh chasto dlya otrimannya starodavnoyi DNK koristuyutsya dvoma metodami tradicijnim fenolno detergentnim sho vklyuchaye obrobku proteyinazoyu K i z dvookisom kremniyu Nedolikom pershogo metodu ye bagatoetapnist i mozhlivist paralelnogo vidilennya ingibitoriv Drugij metod znachno prostishij vin efektivno vidalyaye ingibitori hocha mensh uspishnij shodo viluchennya DNK Osnovni napryamki suchasnih paleogenetichnih doslidzhenSistematichni evolyucijni ta populyacijni doslidzhennya tvarin Geografichne pohodzhennya suchasnih populyacij dikih i domashnih tvarin Filogenetichni zv yazki neandertalcya z suchasnoyu lyudinoyu Doslidzhennya genofondu starodavnogo naselennya Zemli Taksonomichna identifikaciya ta paleontologichni rekonstrukciyi Mikrobiologichni doslidzhennya paleontologichnih i arheologichnih znahidok Starodavnya DNK ta gumanitarni problemi Deyaki dosyagnennya paleogenetikiMetodi paleogenetichnih doslidzhen prodovzhuyut rozvivatisya z vrazhayuchoyu shvidkistyu She nedavno zdavalosya sho vzhe do kistok starshe 100 tisyach rokiv paleogenetika tochno nikoli ne doberetsya Ale os i cej rubizh podolano opisano fragmenti DNK tvarin i roslin z vichnoyi merzloti vikom do 800 tisyach rokiv i navit povnij yadernij genom vikopnogo konya vikom 560 780 tisyach rokiv tezh z vichnoyi merzloti U veresni 2013 r buv opublikovanij povnij mitohondrialnij genom pechernogo vedmedya z Sima de los Uesos sho zhiv blizko 400 tis rokiv tomu Tim samim bulo dovedeno sho DNK mozhe zberigatisya sotni tisyacholit ne tilki u vichnij merzloti Novitni metodi paleogenetiki dozvolili rekonstruyuvati mitohondrialnij genom lyudini sho zhila 400 tisyach rokiv tomu v pecheri Sima de los Uesos na pivnochi Ispaniyi Ce rekordna starovina dosi ne vdavalosya otrimati DNK z lyudskih kistok starshe 100 tisyach rokiv Starodavnih yevropejciv z Sima de los Uesos zazvichaj vidnosyat do vidu Homo heidelbergensis i vvazhayut predkami neandertalciv oskilki u nih ye ryad specifichnih neandertalskih oznak Odnak DNK vidilena zi stegnovoyi kistki viyavilasya bilsh shozha z mitohondrialnimi genomami lyudej z Denisovoyi pecheri nizh z neandertalskimi Odne z mozhlivih poyasnen polyagaye v tomu sho sporidneni arhayichni varianti mtDNK pronikli v populyaciyi predkiv neandertalciv i denisovciv v rezultati shreshuvannya z reliktovimi miscevimi plemenami lyudini pryamohodyachoyi Amerikanski ta nimecki paleogenetiki z yasuvali sho chastota narodzhennya neandertalskih allelej v hromosomah 1004 suchasnih lyudej z riznih kontinentiv znizhena u funkcionalno vazhlivih dilyankah genomu i v H hromosomi a takozh u genah sho pracyuyut v Ce oznachaye sho bagato neandertalskih geniv sho potrapili do genofondu sapiyensiv v rezultati gibridizaciyi viyavilisya shkidlivimi dlya nashih predkiv i postupovo vidbrakovuyutsya doborom u nastupni epohi Div takozhDNK Sekvenuvannya DNK Gipoteza multiregionalnogo pohodzhennya lyudini Svante Paabo Lajnus Poling Molekulyarnij godinnikLiteraturaChelomina G N Drevnyaya DNK Genetika 2006 T 42 3 S 293 309 Resursi InternetuPalaogenetik Erbgut des Neandertalers soll entschlusselt werden Suddeutsche Zeitung Ausgabe vom 20 Juli 2006 Markov A Prochten mitohondrialnyj genom gejdelbergskogo cheloveka predki neandertalcev okazalis rodstvennikami denisovcev po materinskoj linii 2 PrimitkiZukerkandl E Pauling L Molecules as documents of evolutionary history J Theor Biol 1965 V 8 P 357 366 Higuchi R Bowman B Freiherger M et al DNA sequences from the quagga an extinct member of the horse family Nature 1984 V 312 P 282 284 Higuchi R Wrischnik L A Oakes E et al Mitochondrial DNA of the extinct quaqqa Relatedness and extent of postmortem change J Mol Evol V 25 P 283 287 Thomas W K Paabo S Villablanca F X Wilson A C Spatial and temporal continuity of kangaroo rat populations shown by sequencing mitochondrial DNA from museum specimens J Mol Evol 1990 V 31 P 101 112 Paabo S Molecular cloning of ancient Egyptian mummy DNA Nature 1985 V 314 P 644 646 Lawlor D A Dickel C D Hauswirth W W Parham P Ancient HLA genes from 7500 year old archeological remains Nature 1991 V 349 P 785 787 Rollo F Characterization by molecular hybridization of RNA fragments isolated from ancient 1 400 B C seeds Theor Appl Genet 1985 V 71 P 330 333 Golenberg EM Giannasi D E Clegg M T et al Chloroplast DNA sequence from a Miocene Magnolia species Nature 1990 V 344 P 656 658 Paabo S Wilson A C Mitochondrial DNA sequences from a 7000 year old brain Nucl Acids Res 1988 V 16 P 9774 9787 Cano R J Poinar H N Pieniazek N J et al Amplification of DNA from 120 135 million year old weevil Nature 1993 V 363 P 536 538 Saiki R K Scharf S Faloona F et al Enzymatic amplification of beta globin genomic sequences and restriction site analysis for diagnosis of sickle cell anemia Science 1985 V 230 P 1350 1354 Mullis K B Faloona F A Specific synthesis of DNA in vitro via a polymerase catalyzed chain reaction Methods Enzymol 1987 V 155 P 335 350 Paabo S Wilson A C Miocene DNA sequences a dream come true Curr Biol 1991 V 1 P 45 46 Woodward S R Weyand N J Bunnell M DNA sequence from Cretaceous period bone fragments Science 1994 V 266 P 1229 1232 Marota L Rollo F Molecular paleontology Cell Molec Life Sciences 2002 V 59 P 97 111 Cooper A Moas gizzard stones and New Zealand plants Further commentary N Z Sci Rev 1994 V 5 P 60 63 Hagelberg E Mitochondrial DNA from ancient bones Ancient DNA N Y 1994 P 195 204 Paabo S Ancient DNA Sci Amer 1993 V 269 P 86 92 Cano R J Poinar H N Pieniazek N J et al Amplification and sequencing of DNA from a 120 135 million year old weevil Nature London 1993 V 363 P 536 538 Boom R Sol C J A Salimans At M M et al Rapid and simple method for purification of nucleic acids J Clin Microbiol 1990 V 28 P 495 503 Marota I Rollo F Molecular paleontology Cell Molec Life Sciences 2002 V 59 P 97 111 Yang H Golenberg E M Shoshani J Proboscidean DNA from museum and fossil specimens An assessment of ancient DNA extraction and amplification techniques Biochem Genet 1997 V 35 P 165 179 Orlando L et al Recalibrating Equus evolution using the genome sequence of an early Middle Pleistocene horse Nature 2013 Vol 499 P 74 78 Dabney J et al Complete mitochondrial genome sequence of a Middle Pleistocene cave bear reconstructed from ultrashort DNA fragments Proc Nat Acad Sci 2013 Markov A Prochten mitohondrialnyj genom gejdelbergskogo cheloveka predki neandertalcev okazalis rodstvennikami denisovcev po materinskoj linii 1 Markov A Mezhdu sapiensami i neandertalcami sushestvovala chastichnaya reproduktivnaya izolyaciya http elementy ru news 432184