Bi5130 Základy práce s lidskou aDNA Mgr. et Mgr. Kristýna Brzobohatá brzobohata@sci.muni.cz Laboratoř biologické a molekulární antropologie, ÚEB, PřF, Mu Bi5130 Základy práce s lidskou aDNA Bi5130 Základy práce s lidskou aDNA aDNA a osidlování Země člověkem 1) Modelování historických událostí a jejich limity 2) Teorie šíření moderního Homo sapiens 3) Analýza aDNA a osídlení Ameriky 4) Analýza aDNA a osídlení Austrálie aDNA a neolitizace 1)Charakteristika dějinného období neolit 2)Domestikace 3)Šíření neolitického způsobu života 4) Analýza aDNA a neolit 1) 1) Bi5130 Základy práce s lidskou aDNA aDNA a osidlování Země člověkem 1) Osidlování světa anatomicky moderním člověkem Archeologie Antropologie Geologie Lingvistika Analýzy aDNA Analýzy DNA Limity metod bez analýzy aDNA Jedná se o modelování – vychází z principu molekulárních hodin, který je založen na předpokladu, že míra mutací v DNA je za určitý čas přibližně konstantní, díky čemuž je možné odhadnout evoluční vzdálenost, zpravidla mezi dvěma populacemi nebo druhy. Tato metoda vychází z recentních dat a je velmi obtížné do ní zahrnout populační události jako je např. míšení populací (admixture), efekt zakladatele, bottleneck, selekční tlaky a geogologické vnější vlivy (např. zalednění). Analýza aDNA je vhodným nástrojem pro validaci mutační rychlosti. Bi5130 Základy práce s lidskou aDNA aDNA a osidlování Země člověkem Osídlování světa hominidy Homo erectus a Homo ergaster migrovali z Afriky už před 1, 8 mil lety (Grine et al., 2009) a několika na sobě nezávislých vlnách. Bi5130 Základy práce s lidskou aDNA aDNA a osidlování Země člověkem Teorie šíření moderního Homo sapiens Multiregionální model Model „Out of Africa“ Bi5130 Základy práce s lidskou aDNA aDNA a osidlování Země člověkem Bi5130 Základy práce s lidskou aDNA aDNA a osidlování Země člověkem Statistické metody k porovnávání populací Pro porovnávání vzdálenosti populací jsou nejčastěji používána data získaná z analýzy mitochondriální DNA, chromozomu Y a SNP. Pro analýzu dat aDNA a porovnávání se současnými populacemi je používám softwarový balíček ADMIXTOOL. Vychází ze sekvenačních dat (NGS) nebo dat získaných pomocí microarrays. Porovnává SNP cca 600 000, které byly vybrány na základě analýzy 900 jedimců z 53 recentních populací (Genographic project, 1000 Genome Project). ADMIXTOOL shrnuje 5 metod, které byly dříve samostatně použity k hodnocení míšení populací: the three-population test, D-statistics, F4-ratio estimation, admixture graph fitting a rolloff (Reich et al. 2009; Green et al. 2010; Durand et al. 2011; Moorjani et al. 2011). Tento nástroj dokáže modelovat alternativní scénáře. Je citlivý k archaické příměsi genů, i pokud nemáme srovnávací vzorek aDNA. Do modelování lze zahrnout velikost populace, náhodné/nenáhodné páření, chybu sekvenování, postmortem degradaci aDNA, recentní příměs apod. Jedním z nástrojů ADMIXTOOL je metoda D – statistic (Green et al., 2010) která testuje míšení mezi třemi populacemi (neadrtálec, Homo sapiens a Denisované). D- statistic hodnotí sdílené alely mezi populacemi a subpopulacemi. Bi5130 Základy práce s lidskou aDNA aDNA a osidlování Země člověkem Doklady osidlování Ameriky analýzou aDNA Pevninskou cestou - Beringie -Dlouhodobá migrace – dvě vlny migrace -Krátkodobá migrace – okolo 19 000 B.P. (22 000 – 17000) -Lebky indiánů jsou ale morfologicky podobnější Melanésanům a Aboridgincům? - "Maps depicting each phase of the three-step early human migrations for the peopling of the Americas. (A) Gradual population expansion of the Amerind ancestors from their East Central Asian gene pool (blue arrow). (B) Proto-Amerind occupation of Beringia with little to no population growth for ≈20,000 years. (C) Rapid colonization of the New World by a founder group migrating southward through the ice-free, inland corridor between the eastern Laurentide and western Cordilleran Ice Sheets (green arrow) and/or along the Pacific coast (red arrow). In (B), the exposed seafloor is shown at its greatest extent during the last glacial maximum at ≈20–18 kya [25]. In (A) and (C), the exposed seafloor is depicted at ≈40 kya and ≈16 kya, when prehistoric sea levels were comparable. A scaled-down version of Beringia today (60% reduction of A–C) is presented in the lower left corner. This smaller map highlights the Bering Strait that has geographically separated the New World from Asia since ≈11–10 kya." -https://en.wikipedia.org/wiki/Settlement_of_the_Americas#/media/File:Beringia_land_bridge-noaagov. gif Bi5130 Základy práce s lidskou aDNA aDNA a osidlování Země člověkem Schematic illustration of maternal geneflow in and out of Beringia. Colours of the arrows correspond to approximate timing of the events and are decoded in the coloured time-bar. The initial peopling of Berinigia (depicted in light yellow) was followed by a standstill. After this, the ancestors of indigenous Americans spread swiftly all over the New World while some of the Beringian maternal lineages–C1a-spread westwards. More recent (shown in green) genetic exchange is manifested by back-migration of A2a into Siberia, and the spread of D2a into north-eastern America that post-dated the initial peopling of the New World. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/ff/Haplogroup_R_%28Y-DNA%29.PNG Bi5130 Základy práce s lidskou aDNA aDNA a osidlování Země člověkem Analýza genomu paleolického genomu (24 000 let BP) ze Sibiřské oblasti Maľta prokázala, že původní Američané pocházení z metapopulace, která dala základ pozdějším obyvatelům Asie, ale i Evropy. Jedinec z lokality Maľta je pak méně geneticky podobný dnešním obyvatelům Sibiře. Tato metapopulace dala základ i evropskému osídlení, proto určitou míru genetické podobnosti mezi indiány a Evropany nelze přisuzovat alternativním scénářům o kontaktu s Novým světem nebo post kolumbovské příměsi. U původního amerického obyvatelstva se tedy objevují i haplskupiny mtDNA (X) a Y chromozomu (R), které lze najít i u Evropanů. Bi5130 Základy práce s lidskou aDNA aDNA a osidlování Země člověkem Kostra chlapce z lokality Anzik 1 (Montana, USA) je datována cca 12500 BP a náleží k protokultuře Clovis, která dala základ jak severoamerickým, tak jihoamerickým indiánům. Analýza aDNA ukázala, že jedinci z lokality Anzik vykazují vyšší genetickou afinitu k dnešním indiánům, i vyšší než k jakékoliv jiné aDNA, vč. DNA asijské. Divergence jihoamerických a severoamerických indiánů proběhla brzy po osídlení kontinentu (cca 13000 BP), teorie je potvrzena i archeologicky. Severoameričtí i jihoameričtí indiáni však americký kontinent osídlili jako jedna skupina. Kultura Clovis Bi5130 Základy práce s lidskou aDNA aDNA a osidlování Země člověkem Ostatky muže známého jako „Kennewick man“ (8340 – 9200 BP) ze státu Washington Genetické analýzy potvrdily, že má nejvyšší genetickou afinitu k původním americkým obyvatelům, kteří toto území obývají dodnes. Bi5130 Základy práce s lidskou aDNA aDNA a osidlování Země člověkem Doklady osidlování Pacifiku analýzou aDNA Oblast Austrálie a Pacifiku byla osídlena již během první vlny migrace v rámci „Out of Africa“, zároveň jsou však obyvatelé míšenci anatomicky moderního Homo sapiens a Denisovanů. Archeologické doklady o osídlení jsou datovány přibližně 45 000 BP. Výzkum lidské DNA vlivem negativních kulturních zkušeností se zaměřuje na recentní DNA. Výzkum aDNA se zaměřuje především na analýzu kosterních pozůstatků symbiotických druhů: •Pes •Tichomořský potkan (Rattus exulans) •Prase •Kuře – kontakt Polynésanů s Jižní Amerikou? • Maritime route to India to Australia 4,200 years ago Bi5130 Základy práce s lidskou aDNA aDNA a osidlování Země člověkem Doklady osidlování dalších částí země Bi5130 Základy práce s lidskou aDNA Neolitizace Na konci holocénu (12 000 B. P. ) – změna klimatu Konec dob ledových, pouze okolo 12 000 B. P. „malá doba ledová“ Změna fauny a flory, konec zalednění Neolitizace = neolitická tranzice Domestikace Neolitizační centra Změna společnosti Dělba práce – vznik prvních řemesel Výměnný obchod Rozvoj náboženských a filozofických představ Stratifikace společnosti Změna způsobu obživy Tvorba kulturní krajiny Cílené „ovlivňování přírody“ Pěstování zkulturněných plodin a chov zdomácnělých zvířat Změna nepřinesla lepší životní podmínky! •Nové technologie •Keramika •Tkané příze •Zpracování dřeva •Kovozpracující řemesla •Změna způsobu bydlení •Trvalá sídla, úpadek kočovného života •První vesnice a města •Trvalá obydlí ze dřeva, kamenei cihel • Bi5130 Základy práce s lidskou aDNA Neolitizace Teorie šíření zemědělství - modely: Kulturně difúzní Démická difuze Bi5130 Základy práce s lidskou aDNA Neolitizace Stovky osekvenovaných genomů Výzkum především Německých a Skandinávských lokalit. První osekvenovaný „zemědělec“ - Ötzi Bi5130 Základy práce s lidskou aDNA Neolitizace 4 vlny osídlení Evropy: 1) 45 000 – 25 000 BP WHG 2) 45 000 – 25 000 BP CHG 3) 8000 – 6000 BP EEF 4) 4500 BP ANE •Indoevropská migrace z Pontské stepi, spojena s kulturou se šňůrovitou keramikou. •Výzkum neolitických nalezišť z Německa – 50 – 70% ANE •Do Evropy přinesli koně a indoevropské jazyky. •