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Antike DNA-Proben

Unter antiker DNA versteht man DNA, die aus antiken Proben wie Skelettmaterial, mumifizierten Geweben oder sonstigen Proben gewonnen wird, die nicht speziell für eine weitere DNA-Analyse aufbewahrt wurden.

Die Untersuchung antiker DNA ist spannend, weil sie einen Zugang zu einem evolutionären Punkt in der Vergangenheit bieten kann! DNA kann aus fast jeder Zelle extrahiert werden. Antike DNA hat jedoch aufgrund von Temperatur- und Wassereinwirkung sowie sonstigen Faktoren einen gewissen Abbau erfahren. Je älter die DNA-Probe, desto stärker ist sie wahrscheinlich geschädigt. Dank der jüngsten Fortschritte in der DNA-Analysetechnik kann jedoch auch antike DNA mittels Next Generation Sequencing analysiert werden. Aufgrund der Schädigung ist die Anzahl der Zyklen in einer PCR normalerweise begrenzt. Bei jedem Zyklus können Fehler auftreten.

Einige Eigenschaften antiker DNA sind wie folgt: (a) Einzelstrangbrüche, (b) Vernetzungen und (c) oxidative und hydrolytische Modifikation von Basen.

Drei Darstellungen. Die oberste zeigt die chemische Struktur von 3 DNA-Basen, die über Phosphatgruppen verbunden sind. Die Hydrolyse ist beschriftet und Pfeile zeigen von den DNA-Basen zu den Ansichten, wie sie auseinandergebrochen und in kleinere chemische Komponenten aufgeteilt werden. Die Pfeile dieser Komponenten deuten darauf hin, dass der Text nur wenige Vorlagenmoleküle oder eine kurze Fragmentlänge liest. Der Pfeil zeigt dann auf den Text, der Verunreinigungen oder kurze PCR-Produkte anzeigt. Die zweite Darstellung zeigt die Alkylierung oder Maillard-Reaktion mit einem Pfeil, der auf Vernetzungen zwischen den Strängen eines DNA-Moleküls hinweist. Ein anderer Pfeil zeigt auf intermolekulare Vernetzung, die Verbindungen zwischen einem DNA-Strang und einem anderen DNA-Molekül oder einem Protein darstellen. Beide Situationen führen zu einer Nichtamplifikation und Kontamination. Die dritte Darstellung ist mit Oxidation und Hydrolyse beschriftet. Der Pfeil der Oxidation weist auf blockierende Läsionen in einer chemischen Struktur hin, die in springenden PCR- und Chimären-Sequenzen enden. Der Pfeil der Hydrolyse zeigt auf Fehlcodierungsläsionen, bei denen ein Atom in einer Base durch ein anderes Atom ersetzt wird, was zu Basenfehlkombinationen und Sequenzfehlern führt.

Abbildung 1. Einige Eigenschaften der antiken DNA sind: (a) Einzelstrangbrüche, (b) Vernetzungen und (c) oxidative und hydrolytische Modifikation von Basen. (Willerslev, E. and Cooper, A., 2005, Proc.R.Soc.B, 272,3–16)

Eigenschaften antiker DNA

Alte DNA-Proben haben einige Merkmale, die auf den Schaden zurückzuführen sind, den sie erlitten haben. Anhand dieser Merkmale können wir eine antike DNA-Sequenz von einer modernen, verunreinigten DNA-Sequenz unterscheiden (z. B. von der DNA-Probe einer Person, die die Probe vor der Analyse im Labor nicht richtig behandelt hat). Im Folgenden sind einige der Merkmale antiker DNA aufgeführt, die normalerweise bei einer Next Generation Sequencing-Analyse verwendet werden.

  • Hydrolytische Schäden

Hydrolytische Schäden sind für Schäden im Zuckergerüst verantwortlich. Sie können zu Einzelstrangbrüchen oder zum Verlust von DNA-Basen führen. Wenn Purine (Adenin oder Guanin) verloren gehen, wird dieser Vorgang als Depurinierung bezeichnet. Die Hydrolyse kann zu einer Umwandlung von Cytosin in Uracil führen, wobei Ammoniak freigesetzt wird. Dieser Vorgang wird als Desaminierung bezeichnet. Die Desaminierung kann auch bei anderen Basen (Cytosin, Adenin oder Guanin) auftreten.

  • Basensubstitutionsmuster

In antiken DNA-Proben treten häufige Basensubstitutionsmuster auf. Die Basensubstitutionen C > T und G > A werden in antiken DNA-Proben häufiger beobachtet als in modernen DNA-Proben. Allerdings sind diese Substitutionen nicht gleichmäßig über die DNA-Moleküle verteilt. Die Substitutionen C > T finden sich am häufigsten am 5'-Ende des DNA-Moleküls, während die Substitutionen G > A am häufigsten am 3'-Ende des DNA-Moleküls zu finden sind.

  • Oxidative Schäden

Oxidative Schäden werden durch die direkte Wechselwirkung von ionisierender Strahlung mit der DNA oder durch die Wechselwirkung von freien Radikalen (die durch ionisierende Strahlung aus Wassermolekülen entstehen) mit der DNA verursacht. Dies führt zu veränderten Basen. Einige oxidative Schäden führen zu Läsionen, die das Polymerase-Enzym blockieren und durch „springende PCR“ chimäre Sequenzen fördern.

  • Vernetzung

Vernetzungen zwischen Basen können auf demselben DNA-Strang (intramolekulare Vernetzung) oder zwischen DNA und anderen Molekülen (intermolekulare Vernetzung) auftreten. Bei der intermolekularen Vernetzung kann sich die DNA mit einem anderen DNA-Strang oder einem Protein vernetzen. Vernetzungen können die Vervielfältigung von körpereigenen Vorlagenmolekülen verhindern, aber auch das DNA-Molekül im Laufe der Zeit stabilisieren und damit die Fragmentierung verringern.

  • Fragmentierung

Wie oben beschrieben, treten bei antiker DNA viele Arten von Schäden auf, darunter Strangbrüche und Depurinierung, die zu einer Fragmentierung in kurze DNA-Moleküle führen. Da die DNA-Stränge bereits fragmentiert sind, müssen wir die DNA-Probe bei der Probenvorbereitung für das Next Generation Sequencing keiner weiteren Fragmentierung aussetzen. Jüngsten Studien zufolge schwankt die durchschnittliche Länge antiker DNA-Fragmente zwischen 50 und 150 bp.

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