Hvad er Human-genom-projektet?

Da man fik ideen om at kortlægge hele menneskets genom ("Humangenomprojektet"), så opgaven næsten håbløs omfattende ud. Men i 2000 havde man i form af en råskitse kortlagt stort set alle 3,2 milliarder basepar, som udgør bogstaverne i den genetiske opskrift på et menneske. Den genetiske kode består kun af 4 bogstaver: A, T, C og G, der er navne på kemiske "baser". Deres rækkefølge (… TCGCTAATCGTAGCCAATGA… osv.) afgør arten – og i samspil med miljøet individets egenskaber og sygdomme. Det blev til sidst en dyst mellem HUGO (HumanGenom-Projektet), der var betalt af det offentlige, og det private firma Celera Genomics med molekylærbiologen Craig Venter i spidsen. Inden for HUGO klonede man korte stykker af DNA på ca. 150.000 basepar ind i kunstige kromosomer. Hver klon blev så kortlagt stykke for stykke. Celera's metode var hurtigere. De begyndte deres humangenom-sekventering, da HUGO-projektet var halvvejs i det planlagte tidsforløb, men stadig kun havde kortlagt 3%. Firmaet valgte at hakke hele arvematerialet op i småstykker, som fik forskellig længde – men ud fra de overlappende sekvenser kunne alle småbidderne lægges i korrekt rækkefølge. Firmaet nåede deres mål fem gange hurtigere end det offentlige projekt. Men da HUGO, som var startet meget tidligere, satte alt ind på at blive først, nåede de dette nogle få måneder før firmaet. Især drevet af frygten for, at firmaet ville udtage pa patent på sekvenserne og dermed hæmme anvendelsen af den nye viden. Menneskets DNA-kode blev i løbet af 15 år kortlagt af 1100 forskere fra 16 laboratorier i 6 lande – 5 år før forventet (ref.9570).

Allerede 10 år efter, at det for milliarder kroner lykkedes at sekvensbestemme det første genom fra et nulevende menneske, var teknikkerne blevet så forbedret, at man kunne sekvensbestemme ganske små mængder af fragmenteret og ødelagt DNA – såsom fra en 4000 år gammelt hårtot. Det er forklaringen på, at Eske Willerslevs gruppe fra Københavns Universitet kunne sekvensbestemme et 4000 år gammelt genom – altså de ca. 3 milliarder af DNA-baser.

Denne nye DNA-sekventeringsteknologi kaldes “next generation high throughput sequencing”, og har fuldstændig revolutioneret molekylærbiologien og i særdeleshed studierne af fossilt DNA. Dels kan man læse rigtig mange "bogstaver" på én gang, og dels kan man finde meget lidt DNA, endog fragmenteret ned til 50-60 baser. Så små stykker kunne man tidligere ikke fange – og man ville konkludere, at der ikke var noget DNA tilbage i prøven.

Hvorfor er DNA-forurening et problem ved sekvensanalyser?

DNA-sekventeringsteknikken kan ikke skelne mellem menneske-DNA og bakterie-DNA, men læser det, der er mest af. Da man for første gang forsøgte sig på gammelt materiale, bl.a. en mammutknogle med intakt marv, var 50% af de påviste sekvenser bakterie- DNA. Knogler er porøse, så de bliver bakteriefyldt. I Neandertal-knogler var 99% af DNA'et fra bakterier. Kun 1% var enten Neandertal-DNA eller arkæologernes eget DNA.

Hvad bruges toiletrens-klorin til ved DNA-sekventering?

Der er masser af bakterier, men de sidder alle på overfladen af hår, og er aldrig trængt dybt ind. En ph.d.-studerende på Eske Willerslevs afdeling kom på den idé, at man skulle bruge hår i stedet for knogler, hvis man kunne rense håret for bakterier. Det var Tom Gilbert, der nu er blevet professor, der ii virkeligheden gik ned i Netto og købte noget lokumsrens, klorin ", fortæller Eske Willerslev, "Så dyppede vi noget mammuthår ned i det, skyllede klorinen bort med vand, og ekstraherede og bingo! 90% af alt det DNA, der kom ud, var mammut-DNA". Klorin nedbryder rigtig meget organisk materiale. Det vil sige, at alt, som ligger uden på håret, forsvinder. Men klorin nedbryder ikke selve det keratin, som hårvævet er lavet af.

Hvorfor kan man bruge hår til DNA-sekventering?

Hår er lavet af keratin, og ikke porøst. Det er som plast på oversiden af et rør, der indeholder rester af døde celler. Der er masser af bakterier, men de sidder alle på overfladen af håret, og er aldrig trængt dybt ind. "Det var så der, hvor vi i virkeligheden gik ned og købte noget lokumsrens, klorin, i Netto", fortæller Eske Willerslev, "Så dyppede vi noget mammuthår ned i det, skyllede klorinen bort med vand, og ekstraherede og bingo! 90% af alt det DNA, der kom ud, var mammut-DNA". Klorin nedbryder rigtig meget organisk materiale. Det vil sige, at alt, som ligger uden på håret, forsvinder. Men klorin nedbryder ikke selve det keratin, som hårvævet er lavet af. Hår er rørformet, og er kun levende i roden. Døde celler bliver skudt ud, efterhånden som håret vokser, men de bliver lukket inde i keratin-skaftet. For at få fat i DNA'et bruger man et enzym, som nedbryder alle proteiner – herunder keratin, som også er et protein. Håret på et levende menneske har en vis fragmentering af DNA’et. Fragmenteringen opstår, når håret dannes. Men derefter sker der kun langsomt fragmentering af DNA’et, især langsomt hvis håret ligger i permafrost.

Kan man finde gammelt DNA i gamle jordprøver?

Undersøgelser af permanent frosne sedimentprøver, der er op til flere hundredetusind år gamle, har overraskende vist, at det indeholder sedimentært- DNA, "sedaDNA", altså genetiske spor af uddøde organismer fra tidspunktet for sedimenteringen. sedaDNA kan bruges som erstatning for fossiler, hvis disse mangler, forudsat at der ikke er sket fysisk tilførsel af ældre lag eller opblanding med nyere sedimentaflejringer. En af de teknikker, man kan bruge til kontrol, er OSL (optisk stimuleret luminescens), som viser, om en prøve har været udsat for lys. For at vise, at sedaDNA kan være upåvirket af både ældre og yngre sedimenter, har man undersøgt permafrosne vådområder på Taimyr-halvøen i Sibirien samt ved en flod i Alaska. Man fandt, at ikke alle permafroststeder egner sig til sedimentære DNA-studier. Småsøer er mere sikre, hvorimod floder kan have omlejret sedimenterne. Vindaflejret DNA kan være brugbart på steder, hvor det tidligere DNA er eroderet væk (ref.9532).

Man har fundet gammelt DNA, der stammer fra forskellige mikroorganismer, planter og dyr, herunder mammut, hest, bison og moskusokser. DNA fra 2-gram prøver har muliggjort detaljerede beskrivelser af palæoøkosystemer i Sibirien, Nordamerika og New Zealand. For første gang har man kunnet forbinde fortidens dyr og planter i tid og rum, selv i mangel af makro-fossiler. Ved iskerneboring tværs gennem Grønlands indlandsis kunne man hente direkte DNA fra 450.000-800.000 år gammel, mudderholdig is, der er blevet opbevaret i al denne tid på bunden af Grønlands indlandsis. Det viste spor fra planter og dyr, som slet ikke er på Grønland i dag, bl.a. beviser på nåleskov i Grønland (Willerslev et al. 2007).

Hvorfor har DNA overlevet i gamle jordprøver?

Det er til dels uklart, hvordan DNA fra planter og dyr kan ende i sedimenter, men teoretiske overvejelser, kombineret med undersøgelser af DNA i moderne jord, peger på, at afkastede rodhætte-celler er den største kilde til plante-DNA i sedimenterne. (Bakterie-enzymer mv. kan lette frigivelsen af DNA i planters rodzone). Andre DNA-kilder er pollen og blade, og ekskrementer, hudflager og keratinmateriale, såsom hår, fjer og negle, er væsentlige kilder til DNA fra hvirveldyr. Disse væv er gået i opløsning, men har frigivet DNA til omgivelserne. Det er interessant, at for både planter og dyr er det gamle DNA af regional oprindelse. Der er kun i ubetydeligt omfang sket spredning af DNA over lange afstande. I virkeligt gamle prøver er der næsten intet DNA til stede. Man har ganske vist ekstremt effektive opformeringsmetoder for DNA (PCR-teknikken), men da der overalt findes DNA fra nutiden, er der en meget stor risiko for, at de små fund af meget gammelt DNA er forurenet med DNA fra nyere tid. Dertil kommer risikoen for, at DNA siver ind eller ud af sedimenterne. Frit DNA bindes dog hurtigt til lerpartikler, sand, humusstoffer og komplekser af mineraler og organiske stoffer, som findes i sedimentet. Jord kan være positivt ladet, og da DNA er negativt ladet kan det måske af denne grund holde sig bedre. Under frosne eller tørre forhold er DNA-sivning et mindre problem. Men i varme og fugtige miljøer er det et stort problem.

Hvad er Gården Under Sandet?

Stedet, der kaldes “Gården under sandet” (GUS, "The Farm Beneath the Sand"), er en gammel nordbo-bosættelse i Grønland. Stedet ligger i SV-Grønland ca. 80 km øst for Nuuk. I 1990 fandt man rester af gården under et 1½ m tykt lag af sand og grus på et plateau omgivet af lave bjerge. I dag er området en sandet ørken med slyngende smeltevandsfloder fra indlandsisen, men på nordbotiden voksede her græs, som husdyrene kunne æde. Gården Under Sandet blev etableret i det første tiår af 1000-tallet. Det blev forladt ca. år 1400.

Kan DNA i gammel jord vise fortidens liv?

Man har undersøgt, hvor anvendeligt det vil være at bruge DNA-analyser til arkæologiske undersøgelser. Det har man fået svar på ved at lede efter DNA på en gammel nordbo-bosættelse i Grønland (ref.9643). Stedet kaldes “Gården under sandet” (GUS, "The Farm Beneath the Sand"). (Se "Hvad er Gården Under Sandet?"). Et stykke fra den arkæologiske udgravning tog man DNA-prøver i et område, som dengang havde været åbne marker til gården. DNA-prøverne viste, at en søjle af jord fra en tidligere mark kan fortælle, hvilke dyr, der græssede her. Der er gjort traditionelle arkæologiske fund i nærheden, og den rækkefølge af begivenheder, der er blevet påvist ved de gamle metoder med at grave i jorden og lave analyser af spor efter husdyr, korrelerede godt med den historie, der kunne udledes af analysen af det gamle DNA på stedet! Dette betragtes som en revolution for den arkæologiske videnskab, og potentialet for kortlægning af menneskers, dyrs og planters arkæologiske udvikling er dermed formidabel (ref.9534).

Gården Under Sandet blev etableret i det første tiår af 1000-tallet. Det blev forladt ca. år 1400. Man har på stedet påvist 8 forskellige perioder, hvor der ikke var insekter af den type, som findes ved menneskers bygninger (synantropiske insekter). Dette tyder på, at gården ikke blev brugt uafbrudt i hele perioden. Men der var selv i disse pe- rioder en insektfauna, som viser, at der har været husdyr på stedet, formentlig dyr, der tilhørte nærliggende gårde. I prøverne fandt man DNA fra mennesker, kvæg, får, geder og mus. Desuden fandt man i en prøve, som kunne dateres til ca. år 1243 (+/- 38 år), noget DNA, der var 100% identisk med rensdyr-DNA (undergruppen Odocoileinae med 97% sandsynlighed ifølge genbank-standarder). Denne undergruppe af rensdyr findes kun i Grønland. Det fundne menneske-DNA må skyldes senere forurening, for det blev kun fundet i prøver fra efter nordbotiden (nemlig i lag fra år 1450-1520). DNA fra husdyrene blev fundet, selv om sedimenterne har været våde og ufrosne i længere tid, og selv om DNA’et er fra et sted, som dengang lå hen som ubeskyttet, åben mark. DNA-undersøgelserne viste udviklingen over tid. Kvæg, får og geder var til stede i hele nordbo-tiden på stedet (år 1040-1365). Mængden af fåre-DNA er relativ stabil over tid. Mængden af kvæg-DNA varierer derimod gennem tiden med den overordnede tendens, at der var en tilbagegang over tid. Der var ikke DNA fra husdyr i de øverste lag, efter at området blev opgivet af nordboerne. Koncentrationen af kvæg-DNA er utypisk, fordi man i sådanne undersøger typisk vil finde, at koncentrationen aftager med dybden. Faldet i kvæg- DNA i perioden fra år 1180 til 1260 afspejler derfor sandsynligvis den faktiske historie på stedet i denne periode, hvor gården blev opgivet, men hvor markederne dog stadig lejlighedsvis anvendtes af nærliggende gårde til afgræsning af husdyr. Resultatet er i overensstemmelse med knogle-fundene på stedet, der tyder på, at antallet af kvæg på gården faldt i den undersøgte periode i forhold til vilde dyr. Sælknogler udgør 28% af alle de dyreknogler, der er fundet i gårdens bygninger fra ca. år 1000-1150, og 41% fra perioden år 1300-1400. I samme periode faldt fund af kvægknogler fra 15% til 6%, mens knogler af får/geder steg fra 27% til 33-35%. Samlet set er overensstemmelsen mellem kvæg-DNA og de fossile data (kvæg-knogler) betydelig. Kvægknoglerne blev fundet i udgravninger inde i gården, medens kvæg-DNA’et er fra den menneskeskabte jord, der akkumuleredes rundt om gården. De arkæologiske udgravninger og DNA-prøverne udgør to uafhængige beviser, som fortæller forskellige dele af den samme historie og understøtter hinanden. Tilstedeværelsen af rensdyr-DNA taler for, at der har været åbne græsarealer tæt på gården – med vilde rensdyr, der græssede i sensommeren. Gammelt DNA kan altså bevares i menneskeskabte sedimenter – i det mindste på en historisk tidsskala. DNA-forskerne opfordrer nu arkæologer til at overveje steril prøvetagning af sedimenter i og omkring arkæologiske udgravninger for at muliggøre senere studier af DNA-profilering (ref.9534).

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.