DNA Undersøgelser


DropDownMenu

DNA undersøgelser

Gamle kineserknogler hvisker om urmenneskets udbredelse 40.000 år gamle knogler fra Kina giver ny viden om slægtskab mellem verdens befolkninger. De viser også, hvordan menneskeheden har bredt sig ud over Jorden. ’Kanon spændende,’ kommenterer dansk forsker.
De 40.000 år gamle knogler er fundet i Tianyuan-hulen, der ligger tæt ved Beijing. Forskerne har foruden DNA-analysen også lavet en kulstof-datering af knoglen for at præcisere dens alder. (Foto: MPI for Evolutionary Anthropology)
Kristian Sjøgren journalist

Forskere har i mange år interesseret sig for, hvordan menneskeslægten har befolket Jorden, efter vores forfædre forlod Afrika for mellem 125.000 og 60.000 år siden.
Hidtil har forskerne baseret deres konklusioner på arkæologiske fund, fund af gamle menneskeknogler og i nyere tid DNA-analyser af moderne mennesker.
Nu har den verdensberømte svenske evolutionsgenetiker Svante Pääbo stukket spaden et stik dybere.
I et netop offentliggjort studie i det videnskabelige tidsskrift PNAS har han analyseret DNA fra 40.000 år gamle knogler fundet i en hule i Kina.
Knogler vidner om menneskets udbredelse
Analysen af knoglerne giver et indblik i, hvordan mennesker bredte sig ud over Jorden, mens de faktisk gjorde det.
Resultatet kan også belyse, hvad der samtidig skete med vores nærmeste slægtninge.
»Dette menneske levede i en vigtig udviklingshistorisk overgangsperiode, hvor moderne mennesker erstattede neandertalere og denisovanere, der siden hen uddøde,« skriver professor ved Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology i Leipzig Svante Pääbo i en pressemeddelelse.
De 40.000 år gamle kinesiske knogler, som Svante Pääbo og hans forskerhold har brugt i deres analyse, beretter om, at knoglernes indehaver var beslægtet med de mennesker, der senere hen bredte sig til resten af Asien (bortset fra Indonesien) og tog rejsen over Beringstrædet og befolkede Amerika.
Det er i sig selv ikke en overraskende konklusion, da studier af moderne mennesker viser det samme (se faktaboks).
Men i modsætning til konklusionerne fra de arkæologiske og fossile fund eller DNA-analyser af moderne mennesker, viser DNA-analysen af ’den gamle kineser’, hvad der skete, da det skete.
Metoden styrker fremtidens analyser
Moderne europæere og asiater har omkring to procent neandertaler-DNA i sig. Forskere mener, at neandertaler-DNAet er kommet ind i vores DNA ved artsblanding på et tidspunkt for mere end 50.000 år siden, da vores forfædre levede i Mellemøsten.
Indonesere og australske aboriginer har yderligere to procent neandertaler-DNA, hvilket tyder på, at deres forfædre har ’hygget sig’ med neandertalerne mindst én gang mere, siden de forlod Mellemøsten.
Det vækker begejstring hos dansk forsker:
»Det er kanon spændende. Resultatet er som sådan ikke nyt, men forskerne bruger en metode, som lover rigtigt godt for fremtiden. Vi bliver hele tiden bedre til at analysere DNA fra gamle knogler, og dette er det næste skridt,« siger den danske professor i evolutionsgenetik Mikkel Heide Schierup fra Aarhus Universitets Center for Bioinformatik.
»40.000 år er rigtig langt tilbage i tiden. Målet er på sigt at bruge denne type teknikker til at danne os det præcise billede af menneskets folkevandring, mens det skete.«
Kineser havde haft sex med neandertalere
Analysen af de gamle knogler viser også, at menneskehedens kønslige omgang med neandertalere lå bag os allerede for 40.000 år siden.
Knoglernes ejermand havde den samme mængde neandertaler-DNA i sin arvemasse, som moderne europæere og asiater har i dag.
»Det er interessant at se, at personen har præcis den samme mængde neandertaler-DNA i sin arvemasse, som alle mennesker uden for Afrika har i dag. Man kunne forestille sig, at der har eksisteret folk med forskellige mængder neandertaler-DNA i sig, afhængigt af hvor mange gange de har delt gener med vores slægtninge. Det ser dog ikke ud til at have været tilfældet,« siger Mikkel Heide Schierup.
Asiater og europæere var allerede delt
Ydermere viser DNA-analysen af de gamle knogler også, at europæere og asiater allerede var splittet for 40.000 år siden.
Dette split skete formentlig fysisk for mellem 50 og 60.000 år siden, da nogle menneskegrupper drog mod vest, mens andre drog mod øst.
Men i knoglerne kan forskere altså fastslå, at splittet også er genetisk, da indehaveren af knoglerne er næsten identisk med moderne asiater, men en smule forskellig fra moderne europæere.
»Yderligere analyser af tidlige moderne mennesker i hele Eurasien vil uddybe vores forståelse af, hvornår og hvordan moderne mennesker har bredt sig ud over Europa og Asien,« skriver Svante Pääbo.
Menneskeheden trådte ud af Mellemøsten
For 40-50.000 år siden satte menneskeslægten den første fod i Eurasien (den sammenhængende europæiske og asiatiske landmasse). Indtil da havde Eurasiens forfædre brugt titusinder af år i mellemøsten, efter de havde lagt det afrikanske kontinent bag sig.
Siden hen bredte de sig til alle afkroge af Europa, Asien og Amerika.
Fossile og arkæologiske fund samt DNA-analyser af nutidens befolkninger viser blandt andet, at Europa blev befolket af vores forfædre for mellem 40.000 og 30.000 år siden. Nordamerika blev indtaget for mellem 35.000 og 25.000 år siden og til sidst Sydamerika for mellem 15.000 og 12.000år siden.
Australien og Indonesien var allerede blevet beboet for mellem 70.000 og 60.000 år siden, da forfædrene til aboriginerne og indoneserne havde fulgt kystvejen fra Mellemøsten endnu tidligere.

DNA-sekventering (næste generation)
DNA-sekventering vil sige at aflæse rækkefølgen af nukleotiderne (A, T, C og G) i et stykke DNA.
Niveau: Mellem-højt, også interessant i kemi DNA-sekventering er kortlægningen af den nøjagtige DNA-sekvens, altså rækkefølgen af nukleotiderne A, T, C og G.
Siden forskere i halvfemserne gik i gang med den enorme opgave at sekventere al DNA på et menneskes kromosomer (det humane genom), er teknikken udviklet kraftigt, så prisen og tiden er markant mindsket. Derfor kan et menneskes 3 mia. nukleotider DNA i dag sekventeres på uger modsat de over 10 år, som det første humane genom tog! DNA-sekventering kan også bruges fx til at kontrollere en DNA-sekvens, forskere selv har sat sammen i laboratoriet.
Ud over det humane genom er en lang række organismers genomer i dag sekventeret, og de store længder DNA-sekvens er tilgængelige på særlige websites. Eksperter forventer, at prisen inden for 10 år vil falde nok til, at vi alle får råd til at kende vores personlige genom og dermed tilbøjeligheden til visse sygdomme m.m.
Der sker i øjeblikket en kraftig udvikling i nye teknologier til DNA-sekventering for at imødekomme behovet for hurtig og præcis sekventering af de store længder DNA i et genom. En ny teknologisk generation er derfor i færd med at afløse de tidligere metoder, som fx Sanger-metoden (med dideoxy-nukleotider), der er for dyr og langsom til store længder DNA.
Her beskrives én af de førende, næste generations-metoder:
Illumina-metoden
Forberedelse af skabelon til sekventeringen DNA'et, der skal sekventeres, skæres først i kortere længder, som skilles fra hinanden og bliver sekventeret hver for sig. De skal først kopieres op i antal, så de senere kan give et tydeligt signal i sekventeringen. Denne forstærkning af DNA'et minder om en slags PCR og sørger for, at de kopierede sekvenser er fæstnet til bunden ved siden af hinanden i ens grupper. De er nu klar til at blive aflæst i selve sekventeringen (se øverst i figur 1).
DNA-sekventering Figur 1. DNA-sekventeringen foregår ved en særlig kopiering af DNA'et, hvor de brugte byggesten (nukleotiderne) bærer en fluorescerende gruppe. I aflæsningsresultatet er hver farveplet et område, hvor en gruppe af ens DNA-strenge sekventeres. Der nås til den næste nukleotid i sekvensen for hvert billede, og ved brug af farvekoderne, kan sekvenserne derfor afkodes.
Sekventeringen
Sekventeringen er en utrolig blanding af kemi og biologi, hvor specialdesignede nukleotider og det DNA-replicerende enzym DNA-polymerase indgår i en særlig reaktion. I denne sekventeringsteknik bruges cyklisk reversibel terminering (CRT).
Overordnet går CRT-metoden ud på, at DNA-polymerase sættes til at replicere (kopiere) det bundfæstnede, enkeltstrengede DNA, der er forberedt til sekventeringen. Men i stedet for at bygge en ny kopi af DNA-strengen med de naturlige nukleotider, er der tilsat nogle kemisk forandrede udgaver af nukleotiderne (figur 2), som gør det muligt at aflæse hvilke nukleotider, der indsættes i kopien. Figur 2. Eksempel på et af de særlige nukleotider, der bruges til at kopiere en DNA-streng under sekventeringen. De fire forskellige baser har hver deres fluorescerende farve, så en laser kan aflæse hvilket nukleotid, der er sat på. Hvis der fx sættes et C (cytosin) på, må der således sidde et G (guanin) dette sted i den sekventerede streng. Når farven er aflæst, skæres de to grupper af, så den næste komplementære nukleotid kan påsættes og dermed aflæses
Når enzymet DNA-polymerase i en celle replicerer en DNA-streng, aflæser den sekvensen og indsætter det komplementære nukleotid overfor i den nye streng. Dette princip bruges også her, men ved CRT-sekventering, indeholder nukleotiderne også en blokerende kemisk gruppe, samt en fluorescerende gruppe (figur 2), der både giver et farvet, fluorescerende signal og blokerer DNA-polymerasen i at fortsætte til næste nukleotid. Dette stopper DNA-polymerase i dens fremfærd og betyder, at den kun kan sætte ét nukleotid på.Hver af nukleotiderne har sin fluorescerende farve, og derfor kan en laser-læser afkode præcis, hvilket nukleotid, der nu er sat på DNA-strengene i hver af grupperne, som er fæstnet på bunden (nederst figur 1).
Det specielle nukleotids blokerende og fluorescerende grupper, kan nu kløves af, og DNA-polymerase kan dermed fortsætte videre til næste nukleotid – deraf navnet cyklisk reversibel terminering. Hele denne proces sker i en næsten svimlende hastighed, der svarer til at ca. 50 nukleotider afkodes i sekundet (2010). Som nævnt sekventerer man DNA’et i mindre fragmenter ad gangen. Disse DNA-fragmenter sættes bagefter sammen til fulde sekvenser ved at sammenligne overlappende sekvenser i fragmenterne med computerprogrammer.
Flere andre teknologier til DNA-sekventering, der bygger på andre principper, er også i udvikling i den skarpe konkurrence om høj hastighed og lav pris. Interessen i at kortlægge DNA forventes nemlig kun at stige.
Eksempler på brug af DNA-sekventering:
Genom-kortlægning
DNA-sekventering bruges til at kortlægge samtlige gener (genomet) i efterhånden rigtig mange organismer. Det første humane genom blev offentliggjort i 2003 og var 13 år undervejs! I mellemtiden er teknologien blevet så hurtig og relativ billig, at fx heavy metal-ikonet Ozzy Osbourne i 2010 fik sit genom fuldt sekventeret, og det hele tog under fire måneder. Andre stjerner har også fået deres fulde genom sekventeret, og eksperterne spår, at fremtiden kun vil gøre kortlægning af vores genomer mere udbredt.
Se en oversigt her fra det amerikanske National Center for Biotechnology Information over det voksende antal sekventerede genomer fra forskellige organismer.
Gentest for sygdomme:
En fuld genom-sekventering er stadig dyr, så i stedet tilbyder firmaer fra bl.a. USA og Island at sekventere særlige gener ud fra en indsendt spytprøve. Resultatet kaldes en gentest og kan vurdere sandsynligheden for at udvikle visse sygdomme m.m. Gyldigheden af disse gentests diskuteres dog stadig, da flere eksperter ikke mener, det er muligt at udregne disse sandsynligheder særlig troværdigt i øjeblikket.