Overstappen, DNA: oude eiwitten beginnen de geschiedenis van de mensheid te onthullen

Overstappen, DNA: oude eiwitten beginnen de geschiedenis van de mensheid te onthullen

De Beste Datingsites

Enige tijd in de afgelopen 160.000 jaar zijn de overblijfselen van een oud mens terechtgekomen in een grot hoog op het Tibetaanse plateau in China. Misschien stierf het individu daar of werden er delen ingenomen door zijn familie of een aaseter. In slechts enkele jaren verdween het vlees en begonnen de botten te verslechteren. Toen dropen millennia voorbij. Gletsjers trokken zich terug en keerden terug en trokken zich terug, en alles wat achterbleef was een beetje kaakbot met wat tanden. Het bot werd geleidelijk bedekt met een minerale korst en het DNA van deze oude voorouder ging verloren aan tijd en weer. Maar sommige signalen uit het verleden bleven bestaan.

Diep in de tanden van de mensachtigen bleven eiwitten hangen, gedegradeerd maar nog steeds herkenbaar. Toen wetenschappers ze eerder dit jaar analyseerden, ontdekten ze collageen, een structureel ondersteuningsproteïne dat wordt aangetroffen in botweefsel en andere weefsels. En in zijn chemische handtekening was een enkele aminozuurvariant die niet aanwezig is in het collageen van moderne mensen of Neanderthalers – in plaats daarvan markeerde het het kaakbeen als behorend tot een lid van de mysterieuze homininegroep Denisovans 1 . De ontdekking van een Denisovan in China was een belangrijke mijlpaal. Het was de eerste persoon die buiten Denisova Cave in Siberië werd gevonden, waar alle andere overblijfselen in zijn soort eerder waren geïdentificeerd. En de locatie van de locatie op het Tibetaanse plateau – meer dan 3000 meter boven zeeniveau – suggereerde dat Denisovans in een zeer koude omgeving met weinig zuurstof had kunnen leven.

Maar de bevinding markeerde ook een nieuwe mijlpaal: het was de eerste keer dat een oude hominine werd geïdentificeerd met alleen eiwitten.

Het is een van de meest opvallende ontdekkingen tot nu toe voor het prille veld van de palaeoproteomics, waarin wetenschappers oude eiwitten analyseren om vragen over de geschiedenis en evolutie van mensen en andere dieren te beantwoorden. Eiwitten, die veel langer in fossielen rondhangen dan DNA, kunnen wetenschappers toestaan ​​om hele nieuwe tijdperken van de prehistorie te verkennen en moleculaire hulpmiddelen gebruiken om botten uit een veel breder deel van de wereld te onderzoeken dan op dit moment mogelijk is, aldus de voorstanders van het veld.

Eerder hadden wetenschappers eiwitten teruggevonden van 1,8-miljoen jaar oude dierentanden en een 3,8-miljoen jaar oude eierdop. Nu hopen ze dat palaeoproteomics kunnen worden gebruikt om inzicht te bieden in andere oude homininefossielen die alle sporen van DNA hebben verloren – van Homo erectus , die in delen van de wereld rondliep van ongeveer 1,9 miljoen tot 140.000 jaar geleden, tot Homo floresiensis , het verkleinwoord ‘hobbit’-soorten die tot 60.000 jaar geleden in Indonesië leefden. Door naar variaties in deze eiwitten te kijken, hopen wetenschappers antwoord te geven op oude vragen over de evolutie van oude menselijke groepen, zoals welke afstammelingen directe voorouders van Homo sapiens waren . “Ik denk dat je in feite de hele menselijke boom kunt ontsluiten”, zegt Matthew Collins, een bioarcheoloog aan de Universiteit van Kopenhagen, die sinds de jaren tachtig in de voorhoede staat, toen het uit slechts een handjevol onderzoekers bestond.

Een volwassen worden

Ondanks de opwinding beweren sommigen dat onderzoekers moeite zouden kunnen doen om een ​​definitief beeld van de menselijke geschiedenis te schetsen van de informatie die onderzoekers uit eiwitten kunnen krijgen, wat beperkt is in vergelijking met DNA dat kan worden verkregen. En velen zijn bezorgd dat palaeoproteomics in het algemeen vatbaar kunnen zijn voor valse resultaten, die het gevolg zijn van problemen zoals besmetting. “Je ziet heel goed onderzoek, en dan zie je mensen die dingen publiceren die heel raar zijn, omdat ze niet kritisch nadenken over de methoden”, zegt Philipp Stockhammer, een archeoloog aan de Ludwig Maximilian Universiteit in München in Duitsland.

In de afgelopen twee decennia heeft DNA dat is teruggewonnen uit oude fossielen het begrip van wetenschappers over de menselijke evolutie veranderd. Analyse van de overeenkomsten en verschillen in het DNA van verschillende homininegroepen heeft onderzoekers in staat gesteld de verwarde stamboom op een manier in kaart te brengen die voorheen niet mogelijk was. En genetisch materiaal heeft geleid tot enkele belangrijke vondsten, zoals de ontdekking van Denisovans in de eerste plaats.

Een Denisovan-mandibula, geïdentificeerd door oude eiwitanalyse

Collageeneiwitsequenties van dit 160.000 jaar oude kaakbeen identificeerden het als een Denisovan van het Tibetaanse plateau. Credit: F. Chen et al. / Natuur

Maar blinkende gaten blijven op die foto. DNA is gesequenced van slechts drie groepen van hominine: Neanderthalers, Denisovans en Homo sapiens , meestal van exemplaren die minder dan 100.000 jaar oud zijn (een opmerkelijke uitzondering is een paar 430.000 jaar oude vroege Neanderthalers uit Spanje 2 ). Ga een paar honderdduizend jaar verder terug, en de dingen worden veel duisterder. Dit was een periode waarin veel spannende dingen gebeurden, zegt Frido Welker, een moleculair antropoloog aan de Universiteit van Kopenhagen. Het is wanneer Denisovans en Neanderthalers zich vertrokken van de afstamming die moderne mens zou worden, bijvoorbeeld. Maar het blijft een wazig deel van de menselijke geschiedenis. Onderzoekers weten bijvoorbeeld niet of de oude hominin Homo Heidelbergensis , die 700.000 tot 200.000 jaar geleden leefde, een voorouder was van zowel H. Sapiens en Neanderthalers of een deel van alleen de Neanderthaler, zoals sommigen hebben gesuggereerd. “Veel gebeurt buiten het bereik van oud DNA”, zegt Welker.

Ga een miljoen jaar of langer terug en het wordt nog minder duidelijk. H. erectus bijvoorbeeld, ontstond ongeveer 1,9 miljoen jaar geleden voor het eerst in Afrika, maar zonder DNA-bewijs blijft het onzeker hoe het zich verhoudt tot latere homininen, waaronder H. sapiens .

Oud DNA heeft ook geografische blinde vlekken achtergelaten. DNA degradeert sneller in warme omgevingen, dus hoewel een 100.000 jaar oud exemplaar in een koude Siberische grot nog steeds genetisch materiaal kan bevatten, zal een fossiel dat zo lang in de hitte van Afrika of Zuidoost-Azië heeft doorgebracht dit meestal niet doen. Als een resultaat is er weinig bekend over de genetica van zelfs relatief recente homininen uit deze gebieden, zoals H. floresiensis .

Nu hopen onderzoekers dat eiwitanalyse sommige van die blanco’s begint in te vullen. Het idee is niet nieuw: al in de jaren vijftig hadden onderzoekers gemeld dat ze aminozuren in fossielen vonden. Maar lange tijd bestond de technologie die nodig was om oude eiwitten te sequensen niet. “Voor het grootste deel van mijn carrière geloofde ik oprecht dat we oude eiwitsequenties niet zouden kunnen herstellen”, zegt Collins.

Dat veranderde in de jaren 2000, nadat onderzoekers zich realiseerden dat massaspectrometrie – een techniek die wordt gebruikt om moderne eiwitten te bestuderen – ook op oude eiwitten zou kunnen worden toegepast. Massaspectrometrie omvat in essentie het afbreken van eiwitten in hun samenstellende peptiden (korte ketens van aminozuren) en het analyseren van hun massa’s om hun chemische samenstelling af te leiden.

Onderzoekers hebben deze methode gebruikt om honderden botfragmenten te doorzoeken om de soorten dieren waar ze vandaan kwamen te identificeren. In deze specifieke aanpak, de zogeheten zoöarchaeology door massaspectrometrie of ZooMS, analyseren onderzoekers één soort collageen. De massa van de collageencomponenten verschilt in verschillende groepen en soorten en biedt een karakteristieke vingerafdruk waarmee onderzoekers de bron van het bot kunnen identificeren.

ZooMS werd gebruikt in een 2016 paper 3 om een ​​homininebot te identificeren tussen duizenden fragmenten van Denisova Cave – een bot dat de DNA-analyse later zou laten zien behoorde toe aan een hybride individu, bijgenaamd Denny, met een Neanderthaler moeder en een Denisovan vader. Zelfs met dat resultaat alleen al, heeft oude eiwitanalyse onze kijk op de menselijke evolutie al aanzienlijk uitgebreid, zegt populiste geneticus Pontus Skoglund van het Francis Crick Institute in Londen. Katerina Douka, een archeoloog aan het Max Planck Instituut voor de Wetenschap van de Mensgeschiedenis in Jena, Duitsland, gebruikt de techniek nu om 40.000 ongeïdentificeerde botfragmenten uit Azië te doorzoeken in de hoop meer oude hominins bloot te leggen.

Maar ZooMS schildert een afbeelding alleen in brede penseelstreken. Als een bot bijvoorbeeld wordt geïdentificeerd als behorend tot een hominine, zijn andere technieken nodig om dieper te graven. Anderen hebben zich dus gekeerd tot shotgun proteomics, die als doel heeft alle eiwitsequenties in een monster te identificeren – het proteoom. De samenstelling van het proteoom hangt af van het soort weefsel dat wordt onderzocht, maar zal vaak verschillende vormen van collageen omvatten. Deze methode spuwt duizenden signalen uit, waardoor het veel informatiever is dan ZooMS, zegt Douka, maar ook lastiger om te interpreteren. Door deze signalen te koppelen aan bekende sequenties in databases, kunnen onderzoekers de exacte sequenties van collageen of andere eiwitten in hun monster identificeren.

Wetenschappers kunnen dan deze nieuw bepaalde eiwitsequentie vergelijken met hetzelfde eiwit uit andere homininegroepen, op zoek naar overeenkomsten en verschillen in individuele aminozuren die zullen helpen om de hominine in de stamboom te plaatsen. Dit is vergelijkbaar met hoe oud-DNA-onderzoekers kijken naar variaties in genetische sequenties van één letter.

De hiaten opvullen

Hoewel onderzoekers vóór 4 de eiwitanalyse naast oude DNA-sequencing hadden gebruikt, was de Tibetaanse Denisovan de eerste oude hominine waarvoor alleen eiwitten werden geanalyseerd – en anderen konden snel volgen (zie ‘fossielen laten spreken’). Een blik op de eiwitsequenties van H. heidelbergensis bijvoorbeeld, zou de relatie met H. sapiens en Neanderthalers kunnen verduidelijken.

Credits: H. floresiensis : P. Brown et al ./ Nature ; Denisovan-tand: R. Reich et al ./ Nature ; Denny-hybride: Tom Higham, Univ. Oxford; Denisovan kaakbeen: F. Chen et al . (Ref.1) / Natuur ; H. naledi : LR Berger et al . / ELife ; Neanderthaler: M. Meyer et al . (Ref.2) / Natuur ; H. erectus : Nat. Hist. Mus./Alamy; Stephanorhinus : Nat. Hist. Mus. Denemarken; Lucy: 120 via Wikimedia Commons; Struisvogel-eierschaal: Terry Harrison

Debatten hebben gedurende ander decennia rondgedraaid over de aard van H. floresiensis , waarvan de overblijfselen op het Indonesische eiland Flores in 2003 zijn ontdekt. ​​De relatie met andere mensachtigen is onduidelijk, met de suggestie dat het een dwergnakomelingen van H zou kunnen zijn. erectus , of misschien zelfs dat het geëvolueerd is uit de Australopithecus- soort die meer verwant is aan de moderne mens. Deze groep leefde meer dan 2 miljoen jaar geleden en telt het beroemde Lucy-skelet onder zijn leden.

Proteomics zou dat mysterie naar bed kunnen brengen, zegt Collins. “Ik ben er volledig van overtuigd dat we het eiwit Homo floresiensis rond hebben, en het zal sequenceable zijn, en het zal ons vertellen waar dat in de stamboom past,” zegt hij. Hetzelfde zou kunnen gelden voor een andere kleine hominin, Homo luzonensis. Zijn botten en tanden werden enkele jaren geleden ontdekt in een grot op het eiland Luzon op de Filippijnen, en rapporteerden eerder dit jaar 5 . Net als bij H. floresiensis hebben deze monsters geen DNA opgeleverd. Armand Salvador Mijares, een archeoloog aan de universiteit van de Filippijnen in Quezon City, zegt dat hij van plan is om Welker een tand uit de grot te sturen waar H. luzonensis werd gevonden, om de levensvatbaarheid van het analyseren van eiwitten in oude tropische materialen te testen.

Terwijl onderzoekers zich voorbereiden op meer proteomische analyse van oude mensachtigen, onthult het werken aan andere dieren al veel over hun evolutionaire relaties in het diepe verleden.

In een recente analyse, bijvoorbeeld, gebruikten Welker en zijn collega’s proteomics om uit te vinden waar de uitgestorven neushoorn Stephanorhinus op de neushoorn stamboom past. Zoals gemeld in een preprint die nog niet door vakgenoten is beoordeeld 6 , kon het team eiwitten extraheren uit overblijfselen uit Dmanisi, Georgia, die bijna 1,8 miljoen jaar oud waren. Het patroon van aminozuursubstituties suggereert dat het dier nauw verwant was aan de uitgestorven wollige neushoorn ( Coelodonta antiquitatis ).

Terwijl de eiwitten van de Tibetaanse Denisovan afkomstig waren van dentine, het botweefsel in de tanden, werden deze Stephanorhinus- eiwitten opgesloten in het glazuur dat de tand bedekt. Dit zou met name nuttig kunnen zijn om heel oude eiwitten te vinden, suggereert Enrico Cappellini, een palaeoproteomics-specialist aan de universiteit van Kopenhagen en co-auteur van het Stephanorhinus- werk. Email is het moeilijkste materiaal in het lichaam van een gewervelde dier en fungeert als wat Cappellini een gesloten systeem noemt, waardoor wordt voorkomen dat aminozuren uitlogen. De 1,8 miljoen jaar oude datum “vertegenwoordigt geen limiet”, zegt hij.

In feite zijn anderen verder gegaan. Onderzoekers hebben gemeld dat collageensequenties zijn geëxtraheerd uit een 3,4 miljoen jaar oude kameel in het noordpoolgebied 7 . En in een paper van 2016, hebben Beatrice Demarchi, een biomoleculaire archeoloog aan de universiteit van Turijn, Italië, en haar collega’s eiwitten uit een 3,8-miljoen jaar oude struisvogeleiverschaal 8 geëxtraheerd en gesequenced. Deze schelp werd niet bewaard in een koud poolgebied: het kwam van een site in Tanzania, waar de gemiddelde jaarlijkse luchttemperatuur rond de 18 ° C ligt, zegt Demarchi. “Je zou niet verwachten dat dingen zouden overleven in zo’n hete omgeving,” zegt ze. Hominine-eiwitten zijn mogelijk op dezelfde plaatsen te herstellen, ze voegt eraan toe: “We moeten het proberen, nietwaar?”

Kinderziektes

Er zijn nog steeds hindernissen te overwinnen voordat oude eiwitten de takken van de menselijke evolutionaire boom in beeld kunnen brengen. Tot nu toe konden onderzoekers de sequenties van oude hominine-eiwitten vrij gemakkelijk afleiden, omdat ze al DNA van Neanderthalers, Denisovans en H. sapiens hebben . Hierdoor kunnen ze de eiwitsequenties voorspellen die waarschijnlijk in hun massaspectrometriesignalen verschijnen. “Je kunt fragmenten identificeren die je verwacht te zijn van gekende genoomsequenties, van oude organismen of hedendaagse mensen, en ze opzoeken”, zegt Svante Pääbo, een paleogeneticus aan het Max Planck Instituut voor Evolutionaire Antropologie in Leipzig, Duitsland.

Maar naarmate wetenschappers verder teruggaan in de tijd, moeten ze de volgorde van die aminozuren zonder kaart uitwerken. Dat is een voortdurende uitdaging voor oude proteomics, omdat eiwitten worden afgebroken tot kleine fragmenten en monsters vaak worden besmet met moderne eiwitten, zegt Pääbo.

Geïsoleerde linker lagere kies van een Stephanorhinus uit Dmanisi

Eiwitten die bijna 1,8 miljoen jaar in tandglazuur bleven, hielpen de fylogenie van een oude neushoorn in Dmanisi, Georgia, ophelderen. Krediet: Natural History Museum of Denmark

Collins is ervan overtuigd dat het kan worden gedaan. Hij wijst op een 2015 paper 9 waarin hij, Welker en anderen brachten de fylogenetische boom voor inheemse hoefdieren van Zuid-Amerika, een gevarieerde groep van eigenaardige uitziende zoogdieren die uitgestorven ongeveer 12.000 jaar geleden ging. Omdat er geen DNA beschikbaar was bij hoefdieren-fossielen, moest het team de collageeneiwitten van nul af aan sequensen om ze te vergelijken met die van andere dieren. Ze ontdekten dat twee uitgestorven inheemse hoefdieren, Toxodon en Macrauchenia , nauw verwant waren aan een groep die paarden en neushoorns omvat – en niet, zoals sommige onderzoekers hadden gedacht, de groep Afrotheria, die olifanten en lamantijnen omvat.

Andere beperkingen zijn meer fundamenteel. Oude tanden en botten bevatten een klein aantal eiwitten, dus er zijn relatief weinig brokken informatie die kunnen worden gebruikt om een ​​exemplaar te identificeren. Analyse van het Tibetaanse Denisovan onthulde bijvoorbeeld sequenties van acht verschillende soorten collageeneiwit, in totaal iets meer dan 2000 aminozuren. Slechts één van deze aminozuren verschilde van Neanderthaler en moderne menselijke sequenties, waarbij het monster werd geïdentificeerd als Denisovan. Dat betekent dat, zelfs als een onderzoeker in staat zou zijn om de eiwitten van een H. erectus- specimen te sequensen, er bijvoorbeeld eenvoudigweg niet genoeg informatie in de aminozuursequenties is om iets definitiefs te zeggen over de relatie met moderne of archaïsche mensen. Ter vergelijking: één oud genoom bevat in de orde van grootte van drie miljoen varianten vergeleken met elk ander genoom, zegt Skoglund, en is dus veel informatief over evolutie.

En omdat eiwitten vaak cruciale functies vervullen – bijvoorbeeld de structuur van bot vormen – veranderen ze niet altijd zo veel als soorten evolueren. Eiwitten die specifiek zijn voor glazuur, bijvoorbeeld, zijn exact hetzelfde in Denisovans, H. sapiens en Neanderthalers, dus kan niet worden gebruikt om onderscheid te maken tussen deze groepen. Welker zegt echter dat deze eiwitten verschillen bij andere mensapen en dat ze informatief kunnen zijn als het gaat om oudere homininegroepen.

Toch weten onderzoekers heel weinig over hoe eiwitsequenties variëren in populaties van oude mensen. Wetenschappers hebben bijvoorbeeld maar een enkel Denisovan-genoom bepaald, wat betekent dat het team om de Tibetaanse Denisovan te identificeren, de eiwitsequenties vergeleek met slechts één ander lid van die groep. Het kan zijn dat andere Denisovans verschillende varianten hadden. “Veel genetici staan ​​nogal sceptisch tegenover de methodologie, maar ik denk dat het komt omdat ze een lange weg hebben afgelegd in het begrijpen van genomische variatie in oude populaties,” zegt Douka.

Leren van het verleden

Er zijn ook andere uitdagingen. Sommige onderzoekers vrezen dat het bredere geroezemoes rond palaeoproteomics ertoe zou kunnen leiden dat het veld in dezelfde valstrikken valt als het oude DNA-veld 20 jaar geleden deed. Veel ogenschijnlijk opwindende resultaten uit de jaren 1990 en begin 2000 – de ontdekking van DNA van dinosaurussen of insecten die in barnsteen gevangen waren – bleken later vals te zijn omdat ze het product waren van besmetting of andere methodologische fouten. “Ik zou niet verbaasd zijn als dit gebeurt met de proteomics wereld,” zegt Douka.

Degenen die het voortouw nemen in het veld zijn zich bewust van deze problemen en veel onderzoekers leveren gezamenlijke inspanningen om een ​​robuuste wetenschap te creëren. Onder hen is Jessica Hendy, een archeoloog aan de Universiteit van York, Verenigd Koninkrijk, die pionier is op het gebruik van eiwitten om het dieet van vroege mensen te bestuderen. In een document uit 2018 identificeerden Hendy en haar collega’s eiwitten in 8000 jaar oude keramiek uit Çatalhöyük in het hedendaagse Turkije, waaruit bleek dat de oude bewoners verschillende planten en dieren aten en zelfs melk verwerkten tot wei 10 .

“Deze techniek is zo interessant en zo fascinerend en krijgt echt veel aandacht, vooral nu,” zegt Hendy. “We moeten echt voorzichtig zijn,” voegt ze eraan toe. Samen met Welker is Hendy hoofdauteur op een document met de beste werkwijzen voor het veld, van het voorkomen van besmetting tot het delen van gegevens in openbare archieven 11 .

Hendy voegt eraan toe dat er meer fundamenteel onderzoek moet worden gedaan naar hoe eiwitten overleven en degraderen gedurende lange tijdschalen. Dit soort onderzoek maakt misschien geen krantenkoppen, zegt ze, maar kan onderzoekers veel meer vertrouwen geven in hun resultaten. Ze noemt Demarchi’s werk als voorbeeld: Demarchi ontdekte dat de eiwitten in haar 3,8 miljoen jaar oude eierschaal waren gebonden aan het oppervlak van de minerale kristallen in de schaal, waardoor ze in wezen bevroren werden. “Wat cool is, is dat het feitelijk uitlegt waarom de eiwitten overleven, wat de bevinding zo veel robuuster maakt”, zegt Hendy.

Hoewel er nog steeds problemen zijn die moeten worden opgelost, vertoont de voortgang in het veld geen tekenen van vertraging. En waar menselijke evolutie de meeste aandacht zou kunnen krijgen, gebruiken wetenschappers oude proteomics op allerlei manieren, van het bestuderen van markers van ziekte in de tandsteen van oude tanden 12 , tot het onderzoeken welke dierenhuiden werden gebruikt om middeleeuwse perkamenten te maken 13 .

Demarchi zegt dat ze enthousiast is van alles. En als het gaat om het uitwerken van de stambomen van lang uitgestorven organismen, zegt ze dat proteomics de potentie heeft om golven te maken. “Ik denk niet dat ik tijdens mijn leven het einde ervan zal zien,” zegt ze. “Het wordt echt behoorlijk groot”.

Read More

Plaats een reactie