Gennembrug for kortlægning af neandertaler-genomet
Gennembrud for kortlægning af neandertaler-genomet
Om måske bare to år kender vi neanderthal-menneskets genom. Man vil så kunne sammenligne med genomet hos mennesket og chimpansen. Det vil give viden om, hvordan mennesket genetisk har udviklet sig igennem de seneste få hundredetusinder af år. Den fælles forfader for det moderne menneske og neanderthal-mennesket levede for ca. ½ mill. år siden.
Man har fundet fossilrester af over 275 neanderthal-individer på over 70 lokaliteter, bl.a. i Tyskland, Rusland, Belgien, Frankrig, Italien og Spanien, men det var især et 38.000 år gammelt neandertal-fossil fra Kroatien, der gjorde det muligt at gennemføre de nye detaljerede analyser. Dette fossil var nemlig næsten helt fri for forurening med menneske-DNA.
Tidligere anset for umuligt
Det er uhyre vanskeligt at gennemføre en detaljeret analyse af meget gammelt arvemateriale, fordi DNA i tidens løb nedbrydes til småstykker på højst 100-200 basepar. Man har anset opgaven for at være umulig, men en ny metode blev opfundet, der gjorde det muligt. Forskerne har påvist ca. 1 million basepar i neanderthaler-DNA, og to forskergrupper har i 2006 publiceret vigtig information om neanderthal-DNA i henholdsvis Science og Natureref. 4841.
Nærmeste slægtning til os
Neanderthaleren er den uddøde hominid, som er nærmest beslægtet med det nulevende menneske. Hvis man kender neanderthaler-DNA’et kan man få at vide, hvorved mennesket er specielt.
Det er 150 år siden, at man fandt det første neanderthaler-fossil. Det var i Neanderthal-dalen ved Feldhofer uden for Düsseldorf i Tyskland. Mange senere fund blev gjort, og man blev efterhånden klar over, at neanderthalerne fandtes i Europa og tilstødende dele af Asien for ca. 400.000 år siden og forsvandt for 24.000-28.000 år siden. I løbet af denne tid udviklede neanderthalerne morfologiske træk, som gjorde dem stadig mere forskellige fra forfædrene til det moderne menneske, som på denne tid udvikledes nede i Afrika. F.eks. har kraniet fra de senere Neanderthalere et fremtrædende midteransigt, og deres hjernekasser buler udad på siderne. De adskiller sig også fra det moderne menneske ved udformningen af kraniets basis, ved kæbernes form og i det indre øres opbygning.
Det moderne menneske opstod i Afrika og spredte sig uden for Afrika for ca. 40.000-50.000 år siden. Det diskuteres stadig, hvordan de overtog scenen fra Neanderthalerne og andre samtidige hominider. Der er tidsmæssigt og stedmæssigt overlap i neanderthalernes udbredelse og det moderne menneskes udbredelse dengang, men der kendes ingen steder, hvor de levede samtidig på præcis samme sted. Men sent i neanderthalernes historie opstod der kulturelle træk, såsom kropsdekorationer, og måske skete det ved kulturmøder med det moderne menneske?
Sekvensbestemmelse af DNA
I 1997 sekvensbestemte man et område af mitokondrie-DNA’et fra en neanderthaler. Det pågældende mitokondrie-DNA var kendt for at være meget variabelt. Eftersom DNA’et var fra mitokondrierne, kan det kun være blevet nedarvet via mødre (idet sædceller ikke bringer deres mitokondrier ind i ægcellen). Det viste sig, at variationen hos dette mitokondrie-DNA fra Neanderthalere faldt uden for det variationsområde, som findes hos mennesket.
Man har nu analyseret mitokondrie-DNA fra 11 forskellige fund af neanderthalere. Alle viste sig nærmere beslægtet med hinanden end med menneskets mitokondrie-DNA. Mitokondriestudierne gav følgende konklusion: Den moderne mennesketype (fra Cro-Magnon mennesket til nutidsmennesket) har ingen mitokondrie-DNA-sekvenser fælles med neanderthalernes DNA-sekvenser.
Det tyder stærkt på, at ingen neanderthal-kvinde bidrog med mitokondrie-DNA. Ingen neanderthalkvinde fødte en pige med et menneske som far. Denne konklusion vedrører dog kun et enkelt sted på mitokondrie-DNA’et. Det udelukker derfor ikke, at sådanne møder kan være sket. Men også andre studier tyder på, at hvis neanderthaleren overhovedet bidrog med arvemateriale, kan det kun have været i begrænset omfang. Nogle ting vil dog bedst kunne forklares, hvis der faktisk har været sex mellem mennesket og neanderthaleren: Nemlig visse SNP’ere (DNA med ”single nukleotid polymorfisme”, altså enkeltbase-variation) og påvisning af, at neanderthalerens X-kromosom afviger mere end neanderthalerens almindelige kromosomer: Det ville kunne forklares, hvis menneske-mænd har bidraget med gener. Flere sekvensanalyser vil kunne give et svar.
Da menneskets genom og chimpansens genom blev kortlagt, viste det sig, at der er ca. 35 millioner nukleotidforskelle på mennesket og chimpanser. Snart vil også orangutan- og makakabe-genomet være kendt.
Forurenet DNA
De fleste fossiler er forurenet med menneske-DNA, når de skal undersøges. Men nogle fossiler er bedre bevarede end andre: Dette viser sig ved, 1) at de indeholder mange aminosyrer, 2) at deres aminosyresammensætning tyder på, at det bevarede protein stammer fra kollagen, samt 3) at aminosyrerne har bevaret den for biologiske aminosyrer karakteristiske venstredrejende optiske evne (og ikke ved omlejring er blevet til en lige blanding [”racemisk” blanding] af højre- og venstre-aminosyrer).
Analyserne
Stykker af 100-200 mg væv fra neanderthal-knogler blev analyseret. Det fundne DNA blev opformeret med PCR-metoden (se BioNyt nr.72). DNA-sekvensen blev indsat i et plasmid, dvs. ringformet DNA. 100 eksemplarer af hver DNA-sekvens blev ”klonet”, dvs. opformeret i bakterier.
Forureningen med menneske-DNA var ekstremt forskellig. Nogle franske og russiske neanderthalfund indeholdt 99% menneske-DNA i forhold til kun 1% neanderthal-DNA. Et neanderthalfossil fra Spanien indeholdt 25% menneske-DNA i forhold til hele 75% neanderthal-DNA, og et fund fra Kroatien indeholdt kun 1-6% menneske-DNA i forhold til ikke mindre end 94-99% neanderthal-DNA! Dette var et fund, der var gjort i 1980 i Vindija-hulen i Kroatien. Disse knogler fra Kroatien har ifølge kulstof-14 analyse en alder på 38.310 år med en usikkerhed på plus eller minus 2130 år. Der kendes 14 knogler fra stedet i Kroatien. Knoglerne herfra er meget forskelligt bevaret – formentlig på grund af forskellig udsættelse for gennemsivende vand. Det meste af det DNA, som man finder på fossilerne, er fra de mikroorganismer, som har levet på dem. Men da man kan lave hundredetusinder af sekvensanalyser, kan man alligevel finde det neanderthal-DNA, som er til stede.
Fra den bedst bevarede neanderthalknogle sekvensbestemte man 255.000 DNA-stumper med forskellig sekvens. Celler indeholder meget større mængde af mitokondrie-DNA end kerne-DNA. I det analyserede mitokondrie-DNA var der 34 steder, som kunne sammenlignes med mitokondrie-DNA fra chimpanser og mennesker. Blandt disse var der 14 steder, hvor neanderthal-DNA’et var identisk med chimpansens DNA. De øvrige 20 steder var forskellige fra både chimpansen og mennesket.
Den bedst bevarede knogle af Kroatien-fundet var fra en neanderthaler-mand (der blev fundet rester af både X- og Y-kromosomet, altså var det en mand).
Cirka 0,04% af neanderthal-DNA’et er kortlagt. Det betyder omvendt, at 99,96% stadig ikke er kortlagt.
Man fandt 434 positioner, som var anderledes hos mennesket, men ens hos chimpanser og neanderthaler. Det tyder på, at disse ændringer kun er sket i menneskeliniens udvikling. Tilsvarende fandt man 3447 positioner, som var anderledes hos neanderthaleren, men ens hos chimpanser og mennesket. Det tyder på, at disse ændringer er sket særskilt i neanderthaler-liniens udvikling. (De fleste af afvigelserne på de 3477 positioner skyldes dog nok bare opståede fejl på grund af skader på DNA’et, og nogle kan være sekvensbestemmelsesfejl).
De foreløbige sekvensdata tyder på, at ca. 8% (dvs. en trettende-del, 1/13) af de DNA-sekvensændringer, som er sket i menneskelinien, siden menneskeliniens fraspaltning fra chimpanselinien, er sket efter fraspaltningen af neanderthallinien.
Fraspaltningen fra chimpanselinien er tidsmæssigt vurderet til at være sket for 6½ mill. år siden. (Ny dansk forskning har sat tallet til 4,1 mill. år). Hvis 6½ mill. år er korrekt, tyder det på, at neanderthal-linien fraspaltedes for under ½ mill. år siden (eftersom 13 gange kortere tid end 6½ mill år er 500.000 år). Hvis der regnes med tallet 4,1 mill. år for fraspaltningen fra chimpanselinien, er neanderthallinien fraspaltet for 315.000 år siden. Disse tal må nødvendigvis være usikre, fordi det præcise tidspunkt for chimpanseliniens fraspaltning er noget usikkert.
Når man kender hele neanderthal-genomet vil man få at vide, hvilke dele af menneskets genom, som er ændret, efter at menneskelinien og neanderthallinien adskiltes. Det er blandt disse senere ændringer, at man skal finde forklaringen på, hvorfor mennesket er menneske.
Den effektive populationsstørrelse
Ud fra forskellene i generne inden for populationerne af mennesker, chimpanser og den kendte population af neanderthalere kan man sige noget om, hvor stor ”den effektive populationsstørrelse” var. Det siger noget om, hvor få individer, der har været, da det gik dårligst for populationen. Menneskets effektive populationsstørrelse er i størrelsesordenen 10.000. Den effektive populationsstørrelse for chimpanser, gorillaer og orangutaner er i størrelsesordenen 20.000-40.000. Neanderthalerens effektive populationsstørrelse var i størrelsesordenen som hos mennesket, hvilket tyder på, at denne indsnævring af den effektive populationsstørrelse allerede skete før menneskets og neanderthalerens linier adskiltes. Måske var en lille effektiv populationsstørrelse et typisk træk for mange grupper af slægten Homo – og måske forbundet med talrige udspredninger fra små grupper. Allerede Homo erectus havde formentlig genetiske eller kulturelle tilpasningsegenskaber, idet det nok var dette, som muliggjorde, at Homo erectus allerede for ca. 2 millioner år siden optrådte uden for Afrikaref. 4841.
Darwin udgav sin bog om arternes oprindelse i 1859. Tre år tidligere havde minearbejdere i august 1856 fundet neanderthalknogler i et kalkbrud (i hulen Kleine Feldhofer Grotte) i Neanderdalen uden for Düsseldorf i det vestlige Tyskland. Dette var i virkeligheden det første indicium på, at ikke kun dyrene, men også mennesket havde gennemgået en evolution, men Darwin undlod at omtale neanderthalknoglerne, selv om han kendte til fundet.
Man har naturligt troet, at neanderthalerne var slægtskabsmæssigt direkte forløbere for det moderne menneske. Men det har vist sig, at der samtidigt levede andre typer mennesker i Afrika, som var klart mere moderne end neanderthalerne, og dermed bedre kandidat til at være direkte forløbere for det moderne menneske. Neanderthalerne var en evolutionær blindgyde, med mindre de bidrog genetisk ved at have sex med mennesket, hvilket ikke er bevist, og hvis det er sket, er neanderthalernes gener atter forsvundet.
Neanderthalerne levede i Europa, fra Gibraltar til Usbekistan i det vestlige Asien. Der levede så vidt vides ingen neanderthalere i Fjernøsten, det centrale Rusland eller Sibirien, og de levede heller ikke i Afrika. Deres samlede antal var næppe over 100.000 på noget tidspunkt. De levede i mellemistiden, som kaldes Eem, og i den første del af Weichsel-istiden.
Det er sandsynligt, at neanderthalerne nedstammer fra Homo heidelbergensis. Denne art opstod i Østafrika for ca. 600.000 år siden, og var vandret til Europa for ca. 500.000 år siden ifølge fund her. I Europa var de på grund af Middelhavet isoleret genetisk fra deres slægtninge i Afrika. Det smalle stræde ved Gibraltar var umuligt at krydse på grund af stærke strømme, og geografisk isolation medfører evolutionær udvikling i en ny retning.
300.000 år gamle fund af Homo heidelbergensis fra Europa viser klare tegn på at være før-neanderthalere. Der var flere istider (hele to istider mellem for 400.000 og for 130.000 år siden), og de periodevise nedisninger medførte geografisk isolation af Europa: Neanderthalernes forfædre var således mod nord begrænset af kold tundra og gletschere, og mod syd begrænset af Middelhavet og Alpernes gletschere. Mod vest var de naturligvis begrænset af Atlanterhavet, og mod øst var de bl.a. begrænset af en voldsom forøgelse af udstrækningen af det Kaspiske hav og Sortehavet. I perioder var der kun et tåleligt klima i et smalt bælte på 100 km vandret gennem Europa et stykke nord for Alperne. Under disse forhold udvikledes neanderthalmennesket, – tilpasset anatomisk til ekstrem kulde. Deres foretrukne byttedyr var vildoksen, som de jagede med spyd, ikke ved at kaste, men ved at stikke det i dyret fra kort afstandref. 4898. Neanderthalmennesket havde ikke nutidsmenneskets højde, men vejede dog i gennemsnit 25% mere, og spiste dobbelt så mange kalorier som et hårdtarbejdende nutidsmenneske, især på grund af kulden og de anstrengende jagter, som iøvrigt ofte medførte knoglebrud. Deres liv var præget af rutine, forudsigelighed og ringe mobilitet. I begyndelsen af den sidste istid, for ca. 75.000 år siden, er nogle af Europas neanderthalere dog formentlig vandret mod øst og syd, til vestasien og mellemøsten. Men dels indhentede istiden dem, dels mødte de det moderne menneske i form af Cro-Magnon mennesket (Homo sapiens), som var langt bedre til at planlægge og forudsige udfaldet af begivenheder, og som ved hjælp af religion havde bedre gruppesammenhold (BioNyt nr.133).
Cro-Magnon mennesket havde højere pande, var kreative, opfandt hele tiden bedre og mere effektive redskaber og udnyttede ressourcerne mere effektivt. De var mere mobile, og opdelt i store stammer, som mødtes og udvekslede ideer. Undertiden hentede de materialer til deres redskaber langvejs fra. De lærte at fange laks og rensdyrref. 4898.
Neanderthalerne blev efterhånden reduceret til smågrupper på 20-25 individer. Det første sted, hvorfra de uddøde, var i Sydfrankrig, netop hvor koncentrationen af Cro-Magnon mennesket var størst. Det skete for ca. 35.000 år siden. De overlevede længere tid på den spanske halvø, hvorfra de blev trængt mod Gibraltar. I Gorham’s Cave på Gibraltar har man fundet neanderthalredskaber, som kun er 28.000 år gamle (måske kun 24.000 år gamle). Det er det sidste spor efter neanderthalerne. Men de overlevede trods alt i ikke mindre end 150.000 år, og dette var under istidernes barske klima. Hvor længe vil det politiske nutidsmenneske overleve?
Man har undersøgt mitokondrie-DNA fra syv fund af tidlige Cro-Magnon mennesker og påvist, at det helt ligner DNA fra nutidsmennesket. Derimod er der ikke fundet sekvenser af neanderthal-DNA i Cro-Magnon-fossilerne, og heller ikke i nutidsmennesker. Kreationister, som jo ikke vil tro på evolutionen, hævder, at neanderthalerne bare var almindelige menneskerref. 4897, men de var altså deres helt egen art, Homo neanderthalensis.
Det er omkring 1000 menneskegenerationer siden, at der stadig levede neanderthalere på samme tid som vore forfædre. Det er ikke så længe siden, skriver speciallægen Peter K.A. Jensen, forfatter til den velskrevne bog Menneskets oprindelse og udvikling (Gyldendal 2005).
I maj 2006 meddelte Svante Pääbo og medarbejdere på et Cold Spring Harbor møde i New York, at de nu også havde udvundet kerne-DNA fra neanderthal-knogler, og der er nu lavet et The Neandertal Genome Project.
Til studiet af DNA fra neanderthalerne benyttede Svante Pääbo og kolleger fra Max-Planck Instituttet for evolutionær antropologi i Leipzig en teknik, som kaldes pyro-sekventering. Metoden er 100 gange mere effektiv end traditionelle metoder. Pyro-sekventering indledes med, at materialet opdeles i mindre stykker, og det er derfor ikke et problem, at udgangsmaterialet i forvejen består af korte sekvenser. Metoden er tidligere blevet anvendt til at bestemme genomet for uddøde mammutter ved at sammenligne med elefantgenomet.
Edward Rubin fra Lawrence Berkeley National Laboratory var leder af den gruppe, som publicerede i Science. De anvendte en anden metode til analyse af 65.350 basepar af neanderthal-DNA, nemlig en såkaldt meta-genomisk metode. Forskellen mellem de to metoder kan kort forklares ved, at pyro-sekventering finder frem til store dele af arvematerialet, hvorimod den meta-genomiske metode er mere fokuseret. Begge metoder har deres berettigelse afhængigt af, hvilke spørgsmål, man ønsker at besvare.
Svante Pääbo’s gruppe har taget hul på et omfattende toårigt projekt, der skal finde frem til det fulde neandertal-genom med dets i alt ca. tre milliarder basepar(Kilde 4792), dvs. 3000 gange mere, end man kender af genomet i dag. Man har nu brugbare metoder til at foretage denne kortlægning og tilstrækkeligt med neanderthal-fossiler at bruge af.
Artiklen her bragtes i BioNyt nr. 137 s.8 (marts 2007)
Tegn abonnement på
BioNyt Videnskabens Verden (www.bionyt.dk) er Danmarks ældste populærvidenskabelige tidsskrift for naturvidenskab. Det er det eneste blad af sin art i Danmark, som er helliget international forskning inden for livsvidenskaberne.
Bladet bringer aktuelle, spændende forskningsnyheder inden for biologi, medicin og andre naturvidenskabelige områder som f.eks. klimaændringer, nanoteknologi, partikelfysik, astronomi, seksualitet, biologiske våben, ecstasy, evolutionsbiologi, kloning, fedme, søvnforskning, muligheden for liv på mars, influenzaepidemier, livets opståen osv.
Artiklerne roses for at gøre vanskeligt stof forståeligt, uden at den videnskabelige holdbarhed tabes.
Recent Comments