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ADNAVorlage:DISPLAYTITLE:aDNA aDNA stammt aus dem englischen „ancient DNA“ (alte DNA) und ist die technische Bezeichnung für Reste von Erbgutmolekülen in toten Organismen. Laut Konvention handelt es sich um aDNA, wenn die Probe von einem toten Organismus stammt und keine direkten Verwandten des beprobten Organismus mehr leben. Z.B. wird menschliche DNA dann als aDNA angesprochen, wenn das Individuum mindestens 75 Jahre vor der Probenuntersuchung verstorben ist. Außerdem wird auch derjenige Forschungszweig der Molekularbiologie mit „aDNA“ bezeichnet, der die alten Erbmoleküle - eben die aDNA - erforscht. Die aDNA-Forschung ist in Zielen und Methoden eng mit der genetischen Rechtsmedizin und der forensischen Anthropologie (s. Anthropologie) verwandt. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
GeschichteDie Geschichte der aDNA ist eng mit der Entwicklung der Polymerase-Kettenreaktion (engl. Polymerase Chain Reaction, PCR), einer speziellen molekularbiologischen Technik verwoben, die es ermöglicht, auch geringe Mengen Erbgut zu vervielfältigen und zu untersuchen. In der Anfangszeit der aDNA kam es zu einer Reihe von Berichten über aDNA, die sich später als falsch herausstellten und Material verwendeten, das aus heutiger Sicht keine Aussicht auf Erhaltung von amplifizierbarer DNA hat. Die Anwendung von aDNA hat daher auch heute noch ein Image-Problem, was sich jedoch zunehmend bessert. AnwendungsgebieteDer Erkenntnisgewinn anhand von aDNA ist für die genetische Biologie, die Paläozoologie, die Paläobotanik sowie die Anthropologie (besonders Paläoanthropologie) und mit letzterer im Schulterschluss auch für die Archäologie von Bedeutung. ArtbestimmungJede biologische Art ist durch ein spezifisches genetisches Merkmalsmuster gekennzeichnet, deswegen ermöglicht die Untersuchung des Erbgutes schon einer einzigen Zelle die eindeutige artspezifische Zuweisung. aDNA nutzt man zur Artbestimmung, wenn die Erhaltungsbedingungen keine anderen eindeutigen Identifikationsmöglichkeiten mehr zulassen oder die Trennschärfe anderer Methoden zu ungenau ist. So lassen lassen sich z.B. Schafe und Ziegen aufgrund hoher Ähnlichkeit im Knochenbau allein anhand der Skelettmerkmale nicht auseinanderhalten. PhylogeneseDie Evolution der Arten und ihre verwandtschaftlichen Beziehungen untereinander lassen sich statistisch anhand ihrer verschiedenen genetischen Merkmalsmuster darstellen; als Maßzahl dient hier der genetische Abstand. Zur Einordnung bereits ausgestorbener Arten behilft sich die phylogenetische Forschung der aDNA. Individuelle VerwandtschaftsanalyseZwei Individuen sind im biologischen Sinne miteinander verwandt, wenn sie mindestens einen gemeinsamen Vorfahren aufweisen. Der Grad der biologischen Verwandtschaft zweier Individuen lässt sich ebenfalls anhand ihres Erbgutes ablesen. Verfahren ähnlich dem genetischen Vaterschaftstest finden auch in der aDNA-Analyse Anwendung. Einschränkend wirkt sich hier allerdings die sehr bruchstückhafte Erhaltung der DNA-Moleküle aus, die die Untersuchung jeweils nur kleiner Abschnitte ermöglicht. Besonderes Augenmerk gilt hier den Bereichen hoher Variabilität, d.h. Stellen, an denen häufig Mutationen auftreten. Im speziellen sind das STRs (Short Tandem Repeats) und in zunehmenden Maße auch SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms). Vielversprechend ist hier v.a. die Auswertung mitochondrialer DNA, da diese im Vergleich zur DNA des Zellkerns in wesentlich größerer Kopienzahl vorliegt (etwa 1000 mitochondriale Kopien, aber nur 2 nukleare pro Zelle) und so Erhaltungsprobleme gelindert werden. Allerdings werden Mitochondrien nur von der Mutter, nicht aber vom Vater an die Kinder weitergegeben, d.h. es lässt sich nur die - im biologischen Sinne - matrilineare Abstammungslinie verfolgen. GeschlechtsdiagnostikDas genetische Geschlecht eines Individuums ist bei günstigen Erhaltungsbedingungen, d.h. bei der Überlieferung chromosomaler DNA, bestimmbar. Bei Arten, die wie der Mensch nur ein geschlechtsspezifisches Chromosom (Y-Chromosom) besitzen, sind sichere Differenzierungsmöglichkeiten jedoch eingeschränkt. Mit dem Nachweis von aDNA-Bruchstücken, die vom Y-Chromosom stammen (z.B. aus der SRY-Region) ist das genetische Geschlecht eindeutig als männlich belegt, dagegen kann aus dem Fehlen Y-spezifischer Merkmale nicht sicher auf weibliches Geschlecht geschlossen werden, denn unwägbare Erhaltungsbedingungen könnten ebenso der Grund hierfür sein. Trotz dieser Unsicherheit wird die molekulare Geschlechtsdiagnostik v.a. bei menschlichen Skelettresten angewendet. Insbesondere bei Individuen, an denen aufgrund des jungen Sterbealters oder unspezifischer Skelettmerkmale nur eine unsichere Einordnung mittels biologisch-anthropologischer Methoden möglich ist, hilft die aDNA weiter. Identifizierung von Individuen und GegenständenAls Ausnahmen, die allerdings meist unter großer Anteilnahme der Öffentlichkeit stattfinden, können die Identifizierungen historisch bedeutender Personen mit sterblichen Überresten gelten. Der Wissenschaftler extrahiert dazu zunächst aDNA aus Gewebeproben des fraglichen Individuums (Knochen, Haare, Kleidung), vor allem um daraus die mt-Haplogruppe bzw. bei männlichen Individuen auch den Y-Haplotypen zu bestimmen. Anschließend vergleicht er diesen mit "authentischer" DNA, die bestenfalls von noch lebenden mutmaßlichen Verwandten stammt. In manchen Fällen hilft auch die Rekonstruktion des genetischen Fingerabdrucks der Person, um diesen mit dem von eng verwandten Personen aus gesicherten Bestattungen zu vergleichen. Eine Extraktion aus persönlichen Gegenständen des fraglichen Individuums ist ebenfalls möglich, allerdings können hier aus Zweifeln an der Authentizität Probleme in der Beweisführung folgen. Bei signifikanter Übereinstimmung zwischen fraglichen und authentischen Proben gilt das Individuum als identifiziert. PaläopathologieDie wenigsten Krankheiten lassen sich eindeutig an Skeletten diagnostizieren, deswegen versucht die aDNA-Forschung seit ca. Mitte der 1990er Jahre Erreger von Infektionskrankheiten in menschlichen Überresten nachzuweisen. Im Mittelpunkt stehen dabei zunächst neben der Methodenentwicklung u.a. der Nachweis eventuell ausgestorbener infektiöser Bakterienstämme und die Gegenüberstellung geschichtlich überlieferter Krankheitsverläufe und -symptome mit den heutigen Erkenntnissen über die jeweilige Krankheit. Mit wachsender Datenzahl kann dieser Zweig in der Zukunft außerdem einen wichtigen Beitrag zur historischen Epidemiologie liefern. Überlieferungsbedingungen und ProblemeIn trockener und kühler Umgebung kann DNA lange Zeit überdauern, allerdings lösen sich die empfindlichen Makromoleküle in kleine Kettenbruchstücke auf. Wärme, Feuchtigkeit, saure und basische pH-Werte begünstigen diesen Zerfallsprozess in immer kleinere Stückchen. Als Faustregel gilt, dass aDNA hauptsächlich Nukleotid-Ketten enthält, die kürzer als 200 Basenpaare sind - das ist im Vergleich zur theoretischen Gesamtlänge des z.B. menschlichen Genoms von 3x109 Basenpaaren, sehr gering (Hummel 2003). Für gegebene Umweltparameter lassen sich "Halbwertszeiten" berechnen, mit denen die zu erwartende Qualität der Ergebnisse abgeschätzt werden kann (z.B. Marota et al 2002). Da aDNA meist in sehr geringen Mengen überliefert ist, bedient sich die Forschung der PCR, um die erhaltenen Stücken zunächst zu vervielfältigen. Aufgrund der ausgesprochen hohen Sensibilität der PCR sind Fehlamplifikationen sehr häufig, d.h. es werden anstatt der originären alten Ziel-DNA entweder das Erbgut anderer Organismen (häufig von Boden-Bakterien) oder moderne DNA des Ziel-Organismus vervielfältigt, die durch ungenügende Aufbereitung des Materials oder unsauberes Arbeiten in die Probe gelangt ist. Ein weiteres, bisher kaum erforschtes Problem liegt in den so genannten "Hot Spots", denn diese DNA-Stellen können nach dem Ableben des Organismus durch chemische Reaktionen derart verändert werden. So entstehen Pseudo-Mutationen, die es zu erkennen gilt. Von geringerer Bedeutung sind sogenannte Inhibitoren, die aus dem Liegenmilieu der DNA, z.B. dem Boden, stammen und die PCR durch Blockieren des Enzyms verhindern können. Häufig wird Bovines Serumalbumin (s. Albumin), ein aus Rinderblut gewonnenes Eiweiß, zur Bindung von Eisen, dem häufigsten Inhibitor, dem Reaktionsgemisch zugefügt. Liegen dennoch Hinweise vor, dass PCR-Inhibition die Ursache für falsch negative Ergebnisse ist, hilft es die aDNA-Probe verdünnt einzusetzen. Leider verringert sich durch die Verdünnung auch die DNA-Konzentration in der Probe, was die Chancen auf PCR-Erfolg wieder verringert. Schließlich sagt die sichtbare Erhaltung eines Organismus wenig über den Zustand der enthaltenen aDNA aus. So ist z.B. aus Moorleichen aufgrund des sauren Liegemilieus selten verwertbare DNA zu extrahieren. Auch Trockenmumien mit hervorragender Weichteilerhaltung enthalten oftmals nur noch sehr geringe aDNA Spuren. VerfahrenDie Methodik ist auf die Gewinnung möglichst reiner, vieler und großer Oligonukleotid-Ketten ausgerichtet. Je nach Überlieferungsbedingungen stehen verschiedene Gewebe zu Verfügung, jedoch sind aufgrund der Abgeschlossenheit Hartgewebe (Knochen, Dentin) vorzuziehen, in denen die DNA von z.B. Osteoklasten am besten vor Umwelteinflüssen geschützt erhalten bleibt. Nach der Gewinnung und Reinigung der DNA-Reste aus dem Gewebe werden aus diesen zuerst die zu untersuchenden Sequenzen in einer PCR bis zur Nachweisgrenze vervielfältigt. Die PCR-Amplifikate können dann durch Fragmentgrößenbestimmung oder Sequenzierung untersucht werden. Bei der Sequenzierung wird, um Kontaminations-Mischspuren bzw. bestimmte PCR-Artefakte aufzudecken, häufig das PCR Amplifikat kloniert und selektiert. Berühmte und wichtige BeispieleDie vorgestellte Auswahl soll einen Überblick über die Spannweite der aDNA-Forschung geben. Da auch negative Ergebnisse von wissenschaftlicher Bedeutung sind, werden "berühmte und wichtige Misserfolge" im folgenden ebenfalls angeführt. ProkaryotenEine wichtige Frage in der Paläopathologie, dem Streit um die Herkunft der Syphilis-Erreger, wurde versucht unter anderem mittels aDNA-Analysen zu beantworten. Die gezielte Suche nach allen bekannten Treponema-Erregern in einer 46 Skelette umfassenden Studie blieb jedoch erfolglos. Die Entdeckung von alten Tuberkulose-Bakterien in einigen Individuen derselben Serie bestätigte dagegen die allgemeine Nachweismöglichkeit von Erregern bestimmter Krankheiten (Bouwman & Brown 2004). Pflanzen
TiereAncient DNA wurde in einer Vielzahl von Arbeiten zur Klärung von Verwandtschaftsverhältnissen bei Tieren verwendet, im folgenden findet sich eine Auswahl der bearbeiteten Taxa.
MenschenaDNA-Forschung ist aufgrund ihres jungen Alters und der ungewohnt tiefen Einblicke, die sie in vergangene Zeiten zu liefern vermag sehr medienwirksam. V.a. Ergebnisse, die an menschlichen Überresten gewonnen wurden, tauchen hin und wieder als "Sensationsmeldungen" in Presse und Rundfunk auf, z.T. auch in einer Form, die die Grenzen der Pietät überschreitet. Einige Wissenschaftler unterstützen gezielt diese Richtung der Berichterstattung, indem sie sich aus wissenschaftlicher Sicht wenig aufschlussreichen, dafür aber öffentlichkeitswirksamen Themen widmen. Als Beispiel seien hier die Erforschung von Krankheiten historisch bekannter Personen genannt. Man beachte deshalb bei der Betrachtung des folgenden: Trotz aller menschlicher Neugier an sich selbst und seinen Artgenossen darf die Würde des untersuchten Individuums nie vergessen oder gar verletzt werden.
Siehe auch
LiteraturZur Einführung
Fachartikel
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel ADNA aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |