Արխեոգենետիկա

Արխեոգենետիկա (առաջացել է արխիո և գետենետիկ բառերից) մոլեկուլային գենետիկայի հետազոտության ոլորտ է, որտեղ պոպուլյացիայի գենետիկայի մեթոդները կիրառվում են մարդկության պատմության ուսումնասիրության համար։ «Արխեոգենետիկա» տերմինի հեղինակը բրիտանացի հնագետ Քոլին Ռենֆրյուն է։

1963 թվականին Էմիլ Ցուկերկանդլը և քիմիկոս Լինուս Փոլինգը առաջարկեցին «պալեոգենետիկա» տերմինը, իսկ նոր գիտակարգի «կնքահայրը» կենսաբան Սվանտե Պյաբոն էր, ով 2022 թվականին իր նվաճումների համար ստացավ Նոբելյան մրցանակ։

Արքեոգենետիկայի մեթոդները, մասնավորապես, ներառում են.

• հնագիտական ​​մնացորդներից ստացված ԴՆԹ-ի վերլուծություն (հնագույն ԴՆԹ);
• Ժամանակակից պոպուլյացիաների (մարդկանց, ընտանի բույսերի և կենդանիների) ԴՆԹ վերլուծություն՝ մարդու անցյալն ու կենսոլորտի հետ մարդու փոխազդեցության գենետիկ ժառանգությունը ուսումնասիրելու նպատակով.
• մոլեկուլային գենետիկայի վիճակագրական մեթոդների կիրառում հնագիտական ​​տվյալների վրա։

Արխեոգենետիկայի նախորդները արյան խմբերի ուսումնասիրություններն էին և դասական գենետիկական մարկերների և լեզվական և էթնիկ խմբերի միջև փոխհարաբերությունների վերաբերյալ վաղ աշխատանքը։ Այս ուղղությամբ առաջին հետազոտողների թվում են Լյուդվիկ Հիրշֆելդը և Հանկա Հիրշֆելդը, Ուիլյամ Բոյդը և Արթուր Մուրանը։ Սկսած 1960-ականներից, Լուիջի Լուկա Կավալի-Սֆորզան դասական գենետիկական մարկերներ օգտագործեց՝ ուսումնասիրելու Եվրոպայի նախապատմական պոպուլյացիաները, ինչի արդյունքում 1994 թվականին հրատարակվեց իր «Մարդկային գեների պատմություն և աշխարհագրություն» ուսումնասիրությունը։

Հետագայում գենետիկները վերլուծեցին բոլոր հիմնական մշակաբույսերի (օրինակ՝ ցորեն, բրինձ, եգիպտացորեն) և ընտանի կենդանիների (օրինակ՝ կով, այծ, խոզ, ձի) գենետիկական պատմությունը։ Առաջարկվել են մոդելներ դրանց ընտելացման և հետագա բազմացման ժամանակագրության և կենսաաշխարհագրության համար՝ հիմնականում հիմնված միտոքոնդրիալ ԴՆԹ տվյալների վրա։

Անտոնիո Ամորիմը օգտագործել է «արխեոգենետիկա» տերմինը բացառապես անթրոպոգենեզի գենետիկ տվյալների հետ կապված։ Գենետիկական մեթոդներով անհետացած տեսակների վերականգնման շատ հավակնոտ հայեցակարգ է առաջ քաշվել Լինուս Փոլինգի և Էմիլ Ցուկերքանդլի կողմից։

Վաղ աշխատանք

Լյուդվիկ Հիրշֆելդ (1884-1954)

Լյուդվիկ Հիրշֆելդը լեհ միկրոկենսաբան և շճաբան էր, Արյան փոխներարկման երկրորդ միջազգային կոնգրեսի արյան խմբերի բաժնի նախագահ։ Նա 1910 թվականին Էրիխ ֆոն Դանգերնի հետ հիմնեց ժառանգական արյան տիպի որոշման մեթոդը և մեծ ներդրում ունեցավ մեթոդի մեջ իր ողջ կյանքի ընթացքում։ Նա ուսումնասիրել է ABO արյան խմբերը։ 1919 թվականին իր ուսումնասիրություններից մեկում Հիրսֆելդը փաստագրեց ABO արյան տեսակները և մազերի գույնը Մակեդոնիայի ճակատում գտնվող մարդկանց մոտ, ինչը հանգեցրեց նրան, որ մազերի գույնը և արյան խումբը կապ չունեն։ Բացի այդ, նա նկատեց, որ Արևմտյան Եվրոպայից մինչև Հնդկաստան և հակառակը արյան խմբի անկում է նկատվում կամ B մուտացիա է արյան O խմբից և խառնվում է միգրացիայի կամ խաչասերման միջոցով։ Նրա աշխատանքի մեծ մասը նվիրված էր արյան խմբերի կապերի ուսումնասիրությանը սեռի, հիվանդության, կլիմայի, տարիքի, սոցիալական դասի և ռասայի հետ։ Նրա աշխատանքը նրան հանգեցրեց այն բացահայտմանը, որ պեպտիկ խոցային հիվանդությունն ավելի գերիշխող է արյան O խմբի մեջ, և որ արյան AB խմբի մայրերը ծնվելիս ունեին տղամարդու և իգական բարձր հարաբերակցությունը։

Արթուր Մորանտ (1904-1994)

Արթուր Մորանտը բրիտանացի արյունաբան և քիմիկոս էր։ Նա ստացել է բազմաթիվ մրցանակներ, մասնավորապես՝Թագավորական համայնքի թոշակ։ Նրա աշխատանքը ներառում էր գոյություն ունեցող արյան խմբի գեների հաճախականության տվյալների կազմակերպումը և զգալի ներդրում ունենալով աշխարհի գենետիկ քարտեզի վրա՝ բազմաթիվ պոպուլյացիաների արյան խմբերի ուսումնասիրության միջոցով։ Մորանտը հայտնաբերել է նոր արյան խմբի անտիգեններ Լյուիս, Հենշոու, Քելլ և Մակաք համակարգերում, ինչպես նաև վերլուծել է արյան խմբերի և տարբեր այլ հիվանդությունների միջև կապը։ Նա նաև կենտրոնացավ պոլիմորֆիզմների կենսաբանական նշանակության վրա։ Նրա աշխատանքը հիմք հանդիսացավ հնոգենետիկայի համար, քանի որ այն նպաստեց անհատների միջև կենսաբանական հարաբերությունների վերաբերյալ գենետիկական տվյալների փոխանակմանը։ Այն նաև տրամադրեց նյութ, որը կարող էր օգտագործվել բնակչության գենետիկայի տեսությունները գնահատելու համար։

Ուիլյամ Բոյդ (1903-1983)

Ուիլյամ Բոյդը ամերիկացի իմունոքիմիկոս և կենսաքիմիկոս էր, ով հայտնի դարձավ 1950-ականներին ռասայական գենետիկայի իր հետազոտություններով։ 1940-ականների ընթացքում Բոյդ և Կառլ Օ. Սա ի վերջո հանգեցրեց այդ սպիտակուցներ պարունակող հազարավոր բույսերի հայտնաբերմանը։ Ռասայական տարբերությունները և տարբեր ռասայական խմբերի բաշխման ու միգրացիայի ձևերն ուսումնասիրելու համար Բոյդը համակարգված կերպով հավաքեց և դասակարգեց արյան նմուշներ ամբողջ աշխարհից, ինչը հանգեցրեց նրան, որ արյան խմբերը չեն ենթարկվում շրջակա միջավայրի ազդեցությանը և ժառանգական են։ Իր «Genetics and the Races of Man» (1950) գրքում Բոյդը աշխարհի բնակչությանը բաժանեց 13 տարբեր ռասաների՝ ելնելով նրանց արյան խմբի տարբեր պրոֆիլներից և իր գաղափարից, որ մարդկային ռասաները տարբեր ալելներով պոպուլյացիաներ են։ Ռասայի հետ կապված ժառանգական հատկությունների մասին տեղեկատվության ամենատարածված աղբյուրներից մեկը մնում է արյան խմբերի ուսումնասիրությունը։

Մեթոդներ

Բրածո ԴՆԹ-ի պահպանում

Բրածոների որոնումը սկսվում է պեղումների վայր ընտրելով։ Հնարավոր պեղումների վայրերը սովորաբար բացահայտվում են տեղանքի հանքաբանությամբ և տարածքում ոսկորների տեսողական հայտնաբերմամբ։ Այնուամենայնիվ, կան պեղումների տարածքները հայտնաբերելու այլ եղանակներ՝ օգտագործելով այնպիսի տեխնոլոգիաներ, ինչպիսիք են շարժական դաշտային ռենտգենյան ֆլուորեսցենցիան[9] և խիտ ստերեո վերակառուցումը։ Օգտագործված գործիքները ներառում են դանակներ, խոզանակներ և սրածայր մալաներ, որոնք օգնում են գետնից հանել բրածոները։

ԴՆԹ-ի պահպանումը դժվար է, քանի որ ոսկրերի բրածոացումը վատանում է, և ԴՆԹ-ն քիմիապես ձևափոխվում է, սովորաբար հողի բակտերիաների և սնկերի միջոցով։ Համրքից ԴՆԹ-ից հանելու լավագույն ժամանակն է, երբ այն պարզապես պեղվել է, քանի որ այն պարունակում է վեց անգամ ավելի ԴՆԹ, քան պահված ոսկորներ։ Արդյունահանման վայրի ջերմաստիճանը նույնպես ազդում է վերականգնված ԴՆԹ-ի քանակի վրա, ինչի մասին է վկայում ԴՆԹ-ի ուժեղացման հաջողության նվազումը, եթե բրածոները հայտնաբերվեն ավելի տաք շրջաններում։ Բրածո միջավայրի կտրուկ փոփոխությունները նույնպես ազդում են ԴՆԹ-ի պահպանման վրա։ Քանի որ պեղումները բրածո միջավայրում կտրուկ փոփոխություններ են առաջացնում, դա կարող է հանգեցնել ԴՆԹ-ի մոլեկուլի ֆիզիկաքիմիական փոփոխությունների։ Բացի այդ, ԴՆԹ-ի պահպանման վրա ազդում են նաև այլ գործոններ, ինչպիսիք են չաղտոտված բրածոների մշակումը (ինչպիսիք են լվացումը, մաքրումը և արևի չորացումը), pH-ը, ճառագայթումը, ոսկորների և հողի քիմիան և հիդրոլոգիան։ Պահպանման երեք դիագենետիկ փուլ կա. առաջին փուլը բակտերիաների փտածությունն է, որը, ըստ գնահատումների, առաջացնում է ԴՆԹ-ի 15 անգամ դեգրադացիա։ 2-րդ փուլն այն է, երբ ոսկորը քիմիապես քայքայվում է, հիմնականում՝ դեպուրինացիայի միջոցով։ Երրորդ դիագենետիկ փուլը տեղի է ունենում բրածոի վերականգնումից և պահպանումից հետո, և այս փուլում ոսկրային ԴՆԹ-ի քայքայումը տեղի է ունենում ամենաարագը։

ԴՆԹ արդյունահանման մեթոդներ

Հնագիտական ​​տեղամասից վերցված նմուշը, ԴՆԹ-ն կարող է արդյունահանվել մի շարք գործընթացների միջոցով։ Ամենատարածված մեթոդներից մեկը օգտագործում է սիլիկոն եւ պոլիմերազային շղթայական ռեակցիայի առավելություններ, ոսկրային նմուշներից հնագույն ԴՆԹ-ն հավաքելու համար։

Կան մի քանի խնդիրներ, որոնք ավելացնում են հնագույն ԴՆԹ-ն հանածոներից հանելու մասին փորձելու դժվարությունը եւ պատրաստել այն վերլուծության։ ԴՆԹ-ն անընդհատ քայքայվում է։ Մինչ մարմինը կենդանի է, այս ճաքերը վերականգնվում են։ Այնուամենայնիվ, օրգանիզմը մահացել է, ԴՆԹ-ն կսկսի քանդվել առանց վերանորոգման։ Սա հանգեցնում է ԴՆԹ-ի տողեր ունեցող նմուշների, որոնք երկար են մոտ 100 բազային զույգ։ Աղտոտումը եւս մեկ հիմնական մտահոգություն է մի քանի փուլերի ընթացքում `ամբողջ գործընթացի ընթացքում։ Հաճախ այլ ԴՆԹ, օրինակ, բակտերիալ ԴՆԹ-ն, ներկա կլինի բնօրինակ նմուշում։ Աղտոտումից խուսափելու համար պետք է ձեռնարկվեն բազմաթիվ նախազգուշական միջոցներ, օրինակ՝ առանձին օդափոխման համակարգեր և աշխատատեղեր ԴՆԹ-ի արդյունահանման հնագույն աշխատանքների համար։ Օգտագործման լավագույն նմուշները թարմ բրածոներ են, քանի որ անզգույշ լվացումը կարող է հանգեցնել բորբոսի աճի:ԴՆԹ-ն բրածոներից գալիս է նաեւ երբեմն պարունակում է մի բարդույթ, որը խանգարում է ԴՆԹ-ի կրկնօրինակմանը:Կոնսենսուսի հասնելը, թե որ մեթոդներն են լավագույնս խնդիրները մեղմելու համար, նույնպես դժվար է կրկնելիության բացակայության պատճառով, որը պայմանավորված է նմուշների եզակիությամբ։

Սիլիցիումի վրա հիմնված ԴՆԹ-ի արդյունահանումը մեթոդ է, որն օգտագործվում է որպես մաքրման քայլ՝ հնագիտական ​​ոսկրային արտեֆակտներից ԴՆԹ-ն մեկուսացնելու և ԴՆԹ արտադրելու համար, որը կարող է ուժեղացվել՝ օգտագործելով պոլիմերազային շղթայական ռեակցիայի (PCR) տեխնիկան:Այս պրոցեսն աշխատում է՝ օգտագործելով սիլիցիումը՝ որպես ԴՆԹ-ն կապելու և այն բրածո գործընթացի այլ բաղադրիչներից առանձնացնելու միջոց, որոնք արգելակում են ՊՇՌ ուժեղացումը։ Այնուամենայնիվ, սիլիցիումն ինքնին նաև PCR-ի ուժեղ արգելակիչ է, ուստի պետք է զգույշ միջոցներ ձեռնարկվեն՝ ապահովելու համար, որ սիլիցիումը հեռացվի ԴՆԹ-ից արդյունահանումից հետո։ ԴՆԹ-ի արդյունահանման ընդհանուր գործընթացը սիլիցիումի վրա հիմնված մեթոդով նկարագրված է հետևյալ կերպ.

• Ոսկրածուծի նմուշը մաքրվում է, իսկ արտաքին շերտը քերվում է
• Նմուշը հավաքվում է գերադասելի կոմպակտ հատվածից
• Նմուշը մանրացվում է նուրբ փոշու վերածելու և ավելացվում է արդյունահանման լուծույթին՝ ԴՆԹ-ն ազատելու համար։

Սիլիցիումի լուծույթը ավելացվում է և ցենտրիֆուգվում՝ հեշտացնելու ԴՆԹ-ի կապը Կապող լուծույթը հեռացվում է և լուծույթին ավելացվում է բուֆեր՝ սիլիցիումից ԴՆԹ-ն ազատելու համար։

Սիլիցիումի վրա հիմնված ԴՆԹ-ի արդյունահանման հիմնական առավելություններից մեկն այն է, որ այն համեմատաբար արագ և արդյունավետ է, որը պահանջում է միայն հիմնական լաբորատոր կարգավորում և քիմիական նյութեր։ Այն նաև անկախ է նմուշի չափից, քանի որ գործընթացը կարող է մասշտաբավորվել՝ ավելի մեծ կամ փոքր քանակությամբ տեղավորելու համար։ Մեկ այլ առավելություն այն է, որ գործընթացը կարող է իրականացվել սենյակային ջերմաստիճանում։ Այնուամենայնիվ, այս մեթոդը որոշ թերություններ ունի. Ընդհանուր առմամբ, սիլիցիումի վրա հիմնված ԴՆԹ-ի արդյունահանումը կարող է կիրառվել միայն ոսկորների և ատամների նմուշների վրա. Նրանք չպետք է օգտագործվեն փափուկ գործվածքների վրա։ Թեև դրանք լավ են աշխատում տարբեր բրածոների վրա, դրանք կարող են ավելի քիչ արդյունավետ լինել ոչ թարմ բրածոների վրա (օրինակ՝ վերամշակված բրածոները թանգարանների համար)։ Բացի այդ, աղտոտումը վտանգ է ներկայացնում ԴՆԹ-ի ընդհանուր վերարտադրության համար, և այս մեթոդը կարող է ապակողմնորոշիչ արդյունքներ տալ, երբ կիրառվում է աղտոտված նյութի վրա։

Պոլիմերազային շղթայական ռեակցիան գործընթաց է, որը կարող է ուժեղացնել ԴՆԹ-ի հատվածները և հաճախ օգտագործվում է արդյունահանված հին ԴՆԹ-ի վրա։ Այն բաղկացած է երեք հիմնական քայլերից՝ դենատուրացիա, կռում և ընդլայնում։ Դենատուրացիան բարձր ջերմաստիճանում ԴՆԹ-ն բաժանում է երկու առանձին շղթաների։ Եռացումը ներառում է ԴՆԹ-ի պրայմերային շղթաների միացումը միայնակ շղթաներին, որոնք թույլ են տալիս Taq պոլիմերազին միանալ ԴՆԹ-ին։ Ընդլայնումը տեղի է ունենում, երբ Taq պոլիմերազը ավելացվում է օրինաչափությանը և համընկնում է հիմքերի զույգերին՝ երկու միայնակ շղթաները վերածելու երկու ամբողջական կրկնակի թելերի։ Այս գործընթացը կրկնվում է բազմիցս և սովորաբար կրկնվում է ավելի շատ, երբ օգտագործվում է հին ԴՆԹ-ի հետ։ PCR-ի հետ կապված որոշ խնդիրներ այն են, որ այն պահանջում է հնագույն ԴՆԹ-ի պրայմերների զույգերի համընկնումը կարճ հաջորդականությունների պատճառով։ Կարող է լինել նաև «PCR hopping», որը առաջացնում է ռեկոմբինացիա PCR գործընթացի ընթացքում, ինչը կարող է դժվարացնել ԴՆԹ-ի վերլուծությունը տարասեռ նմուշներում։

ԴՆԹ-ի վերլուծության մեթոդներ

Բրածո մնացորդներից արդյունահանված ԴՆԹ-ն հիմնականում հաջորդականացվում է զանգվածային զուգահեռ հաջորդականության միջոցով, որը թույլ է տալիս միաժամանակյա ուժեղացնել և հաջորդականացնել ԴՆԹ-ի բոլոր հատվածները նմուշում, նույնիսկ եթե այն խիստ մասնատված է և ցածր կոնցենտրացիայով։ Սա ներառում է յուրաքանչյուր առանձին շղթային մի ընդհանուր հաջորդականություն, որին կարող են կապվել սովորական պրայմերները, և այդպիսով առկա ողջ ԴՆԹ-ն ուժեղացվում է։

Բայց հին ԴՆԹ ուժեղացման հետ կապված դժվարությունների շնորհիվ այն ավելի էժան է եւ ավելի արդյունավետ։ Զանգվածային զուգահեռ հաջորդականության մեթոդը, որը մշակվել է Մարգուլիսի և այլոց կողմից, օգտագործում է բշտիկների վրա հիմնված էմուլսիա PCR և պիրոսեքվենցիան, և պարզվել է, որ այն հզոր է ԴՆԹ-ի վերլուծության մեջ, քանի որ այն խուսափում է նմուշների հնարավոր կորստից, կաղապարների համար սուբստրատի մրցակցությունից և վերարտադրության ժամանակ սխալների տարածումից։

ԴՆԹ-ի հաջորդականությունը վերլուծելու ամենատարածված միջոցը այն այլ աղբյուրներից հայտնի հաջորդականության հետ համեմատելն է, և դա կարող է արվել տարբեր ձևերով՝ տարբեր նպատակների համար։

Գրականություն

• Cann, R.L., Stoneking, M., and Wilson, A.C., 1987, Mitochondrial DNA and human evolution, Nature 325; pp 31–36
• Cavalli-Sforza, L. L., Menozzi, P., and Piazza, A., 1994, The History and Geography of Human Genes. Princeton: Princeton University Press.
• Renfrew, A.C., and Boyle, K.V., (Eds), 2000, Archaeogenetics: DNA and the population prehistory of Europe. Cambridge: McDonald Institute for Archaeological Research.
• Indian Genome Variation Consortium. Genetic landscape of the people of India: a canvas for disease gene exploration (англ.) // Journal of Genetics (англ.)рус. : journal. — 2008. — Vol. 87, no. 1. — P. 3—20. [1]
• Amorim A (1999) Archaeogenetics. Journal of Iberian Archaeology 1: 15-25
• Pauling L, Zuckerkandl E (1963) Chemical paleogenetics: molecular restoration studies of extinct forms of life. Acta Chem. Scand 17: 89
• Molecular Genetics Laboratory, McDonald Institute for Archaeological Research
• С. Боринская. Достижения и особенности в работе с древней ДНК и ДНК из сложных криминалистических образцов