Genenbank met prehistorisch DNA bron van nieuwe ontdekkingen

0
148
Foto Pixabay

Vier artikelen die begin10 januari gelijktijdig zijn gepubliceerd in het hoog aangeschreven wetenschappelijke tijdschrift Nature traceren de genetische sporen en geografische oorsprong van menselijke ziekten ver terug in de tijd. De analyses geven een gedetailleerd beeld van de prehistorische menselijke diversiteit en migraties en suggereren tegelijkertijd een verklaring voor het verhoogde genetische risico op het ontwikkelen van multiple sclerose (MS). Dit alles dankzij een unieke genenbank met DNA-profielen die vele duizenden jaren oud zijn.

Door het analyseren van gegevens van oud DNA in ’s werelds grootste genenbank van 5000 prehistorische menselijke genomen uit Europa en West-Azië (Eurazië), is nieuw onderzoek in staat geweest om de prehistorische menselijke genenpools in West-Eurazië bloot te leggen. De resultaten worden gepresenteerd in vier artikelen die tegelijkertijd in Nature zijn gepubliceerd.

Het onderzoeksteam werd geleid door experts van de Universiteit van Kopenhagen en de internationale onderzoeksgroep bestaat uit ongeveer 175 experts van universiteiten en musea in Zweden, het Verenigd Koninkrijk, de VS, Duitsland, Australië, Denemarken, Noorwegen, Frankrijk, Polen, Zwitserland, Armenië, Oekraïne, Rusland, Kazachstan en Italië.

Een aantal onderzoekers van de Universiteit van Göteborg nam deel. Kristian Kristiansen, hoogleraar archeologie aan de afdeling historische studies, nam deel aan alle vier de onderzoeken en leidde een ervan.

De vele betrokken onderzoekers vertegenwoordigen een breed scala aan wetenschappelijke disciplines, zoals archeologie, evolutiebiologie, geneeskunde, oud DNA-onderzoek, onderzoek naar infectieziekten en epidemiologie.

De bevindingen zijn gebaseerd op analyses van een subset van de 5000 genomen en omvatten:

  • de belangrijkste genetische implicaties van een cultureel bepaalde barrière, die zich tot ongeveer 4000 jaar geleden door Europa uitstrekte van de Zwarte Zee in het zuiden tot de Oostzee in het noorden;
  • het in kaart brengen van twee bijna volledige bevolkingsovergangen in Denemarken, binnen één millennium;
  • het in kaart brengen van hoe risicogenen voor verschillende ziekten, waaronder diabetes type 2 en de ziekte van Alzheimer, zich in Eurazië hebben verspreid in de nasleep van grote migratiebewegingen meer dan 5000 jaar geleden
  • nieuw wetenschappelijk bewijs van oude migraties die een verklaring bieden voor het feit dat multiple sclerose twee keer zo veel voorkomt in Scandinavië als in Zuid-Europa.

Meer dan 5000 DNA-profielen
De genenbank bestaat vandaag uit meer dan 5000 menselijke DNA-profielen – voornamelijk van botten en tanden die bij archeologische opgravingen zijn gevonden en beschikbaar zijn gemaakt door wetenschappelijke samenwerking met musea en universiteiten in heel Eurazië. Qua leeftijd variëren de archeologische fragmenten van de steentijd via de bronstijd, de ijzertijd en de vikingtijd tot de middeleeuwen. Het oudste genoom in de dataset is van een individu dat ongeveer 34.000 jaar geleden leefde.

“Het oorspronkelijke doel van het Ancient Human Genome project was om 1000 oude menselijke genomen uit Eurazië te reconstrueren als een nieuw precisie-instrument voor hersenziektenonderzoek,” zeggen de drie professoren aan de Universiteit van Kopenhagen, die in 2018 met het idee voor de genenbank kwamen en het oorspronkelijke projectconcept beschreven: Eske Willerslev, Thomas Werge en Rasmus Nielsen.

Door deze oude DNA-profielen te vergelijken met het DNA van nu levende individuen en te combineren met onderzoek in een lange lijst van wetenschappelijke disciplines, was het idee om een precisie-instrument te ontwikkelen waarmee onderzoekers de geografie van verschillende hersenziekten zouden kunnen volgen en hun genetische ontwikkeling zo ver mogelijk terug in de tijd zouden kunnen volgen om een nieuw medisch en biologisch begrip van deze ziekten te krijgen – door informatie uit de oude DNA-profielen te vergelijken met gegevens uit vele andere wetenschappelijke disciplines.

Neurologische en psychiatrische ziekten
De ziekten die werden beoordeeld als potentiële kandidaten om te gaan onderzoeken waren neurologische hersenziekten zoals Parkinson, Alzheimer en multiple sclerose (MS) en psychiatrische aandoeningen zoals ADHD en schizofrenie.

In 2018 benaderden de drie professoren de Lundbeck Foundation – een grote Deense onderzoeksstichting – voor financiering. Ze kregen een vijfjarige onderzoekssubsidie van in totaal 60 miljoen DKK (ongeveer 8 miljoen euro) voor het project, dat gecoördineerd zou worden aan de Universiteit van Kopenhagen via een nieuw opgericht centrum, het Lundbeck Foundation GeoGenetics Centre.

“De reden waarom de Lundbeck Foundation zo’n grote onderzoekssubsidie toekende aan dit project, zoals in 2018, was dat als alles goed zou uitpakken, het een baanbrekende manier zou zijn om meer inzicht te krijgen in de genetische architectuur achter hoe hersenziekten zich in de loop der tijd hebben ontwikkeld. En hersenziekten zijn ons specifieke aandachtsgebied,” zegt Jan Egebjerg, directeur Wetenschap bij de Lundbeck Foundation.

De Lundbeck Foundation ondersteunt ook het iPYSCH consortium, een van de grootste wereldwijde onderzoeken naar genetische en omgevingsoorzaken van autisme, ADHD, schizofrenie, bipolaire stoornis en depressie, waarbij de focus ook ligt op het zo nauwkeurig mogelijk maken van genetische risicoprofielen voor deze stoornissen.

De in Nature gerapporteerde resultaten werden ondersteund door de oude genomische dataset te vergelijken met niet-geïdentificeerde genetische gegevens van het grote Deense i PSYCH consortium en DNA-profielen van 4000.000 hedendaagse personen die geregistreerd staan in de UK Biobank.

“De grootte van de dataset heeft zowel de bruikbaarheid als de precisie van de resultaten aanzienlijk verbeterd,” zegt professor Eske Willerslev, een expert in de analyse van prehistorisch DNA aan de Universiteit van Kopenhagen en de Universiteit van Cambridge.

Grote belangstelling
Het uitgangspunt voor het project was experimenteel volgens professor Thomas Werge, expert op het gebied van de genetische oorzaken van psychische stoornissen:

“We wilden oude menselijke specimens samenbrengen om te zien welke kennis we eruit konden halen, bijvoorbeeld om te proberen iets te begrijpen van de omgevingsachtergrond van hoe ziekten en aandoeningen zich ontwikkelden. Zoals ik het zie, is het project vrij uniek omdat het zulke enorme, complexe proporties aannam dat Nature wilde dat het in vier artikelen werd beschreven.

De laatste jaren krijgt de Deense genenbank steeds meer aanvragen van onderzoekers uit de hele wereld die allerlei ziekten willen onderzoeken. Thomas Werge, Eske Willerslev en Rasmus Nielsen verzekeren ons dat de genenbank, die een bron blijft voor veel nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen, in grotere mate vrij toegankelijk zal worden gemaakt:

“De vier artikelen in Nature laten zien dat de grote hoeveelheid gegevens functioneert als een precisie-instrument dat nieuwe inzichten kan verschaffen in ziekten en aandoeningen wanneer het wordt gecombineerd met analyses van de huidige menselijke DNA-gegevens en input vanuit meerdere andere onderzoeksgebieden.

Dat is op zich al verbazingwekkend, vindt Eske Willerslev:

“Het lijdt geen twijfel dat het toepassingen zal hebben in veel verschillende contexten van ziekteonderzoek. Wanneer nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen uit de genenbank worden gepubliceerd, zullen geleidelijk meer gegevens vrij beschikbaar worden gesteld voor alle onderzoekers. Uiteindelijk zal de volledige dataset voor iedereen toegankelijk zijn.”

Ontbrekende DNA-sequenties kunnen worden gereconstrueerd
Een bloedmonster van een individu is voldoende om zonder veel moeite het DNA van die persoon in kaart te brengen. Maar het is ingewikkelder om met archeologisch materiaal te werken en een DNA-profiel te reconstrueren van de botten of tanden van iemand die al duizenden jaren dood is. Als iemand zo lang begraven is geweest, is zijn DNA afgebroken en de DNA-sequenties van skeletresten zijn daarom meestal gefragmenteerd.

Maar met behulp van een speciale techniek op basis van een extreem complex wiskundig model dat miljoenen datapunten van menselijke DNA-profielen gebruikt, is het mogelijk om de ontbrekende sequenties ‘op te vullen’. Op deze manier kunnen de onderzoekers ontbrekende sequenties zo nauwkeurig reconstrueren dat het historische genoom bruikbaar en betrouwbaar wordt in een hedendaagse wetenschappelijke context.

Professor Rasmus Nielsen, expert in statistische en computationele analyses van oud DNA, was verantwoordelijk voor de planning van de statistische en bio-informatica-analyses van de gegevens van de oude tanden en botten. Een enorme hoeveelheid gegevens, waarbij het DNA vaak ernstig was aangetast.

“Niemand had eerder zoveel oude genomen geanalyseerd. Nu moesten we uitzoeken hoe we met zulke grote hoeveelheden gegevens konden omgaan. Het probleem was dat de ruwe gegevens erg moeilijk zijn om mee te werken omdat je veel korte DNA-sequenties krijgt met veel fouten, en dan moeten die sequenties correct in kaart worden gebracht op de juiste positie in het menselijk genoom. Daarnaast was er het probleem van de vervuiling door alle micro-organismen die op de oude tanden en botten werden gevonden.

“Stel je voor dat je een puzzel van miljoenen stukjes mengt met vier andere incomplete puzzelsets en dat je alles dan een uur lang in de vaatwasser stopt. Het is niet eenvoudig om alles daarna weer in elkaar te zetten,” zegt Rasmus Nielsen.

Vier artikelen in Nature

Population Genomics of Postglacial Western Eurasia (Allentoft et al.)

The Selection Landscape and Genetic Legacy of Ancient Eurasians (Irving-Pease et al.)

Elevated Genetic Risk for Multiple Sclerosis Originated in Steppe Pastoralist Populations (Barrie et al.)

100 Ancient Genomes Show Repeated Population Turnovers in Neolithic Age Denmark (Allentoft et al.) 

Onderzoeksprojecten aan de Universiteit van Göteborg
Twee van de artikelen in Nature hebben betrekking op het onderzoeksproject RISE II, dat wordt gefinancierd door de Bank of Sweden Tercentenary Foundation (RJ) en een samenwerking is tussen het Department of Historical Studies van de Universiteit van Göteborg, de Universiteit van Kopenhagen en het Lundbeck Foundation GeoGenetics Centre. De andere twee artikelen in Nature over de steentijd gebruiken materiaal van de langdurige samenwerking tussen de Universiteit van Göteborg en de Universiteit van Kopenhagen in de onderzoeksprojecten RISE I en RISE II. Deze samenwerking begon in 2011.

Lees meer over het RISE II project

LAAT EEN REACTIE ACHTER

Vul alstublieft uw commentaar in!
Vul hier uw naam in

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.