11. september 2019

Banebrydende metode til rekonstruktion af arternes evolution

Evolution

Ved at analysere en tand fra et næsten to millioner år gammelt, uddødt næsehorn introducerer forskere fra Københavns Universitet og University of Cambridge en ny molekylær metode til at undersøge evolutionshistorien for fossile arter, der går millioner af år tilbage i tiden.

Stephanorhinus kranie fra Dmanisi
Foto: Mirian Kiladze, Georgian National Museum

Startskuddet er gået til en evolutionær revolution, efter det er lykkedes forskere at udlede genetisk information fra et 1,77 millioner år gammelt næsehorn – det største genetiske datasæt af så høj en alder, der nogensinde er identificeret med sikkerhed.

Forskerne identificerede et næsten komplet sæt proteiner, et proteom, i tandemaljen fra det nu uddøde næsehorn. Resultatet er genetisk information, der er én million år ældre end det hidtil ældste DNA, der er sekventeret fra en 700.000 år gammel hest.

Resultaterne fra Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet, Københavns Universitet, og St John's College, University of Cambridge, offentliggøres i dag i tidsskriftet Nature. Studiet er et gennembrud inden for forhistorisk molekylærbiologi og kan bidrage til at løse nogle af de største mysterier omkring den forhistoriske dyre- og humanbiologi, fordi de gør det muligt for forskerne nøjagtigt at rekonstruere evolutionen længere tilbage i tiden, end det nogensinde før har været muligt.

”I 20 år er forhistorisk DNA blevet brugt til at opklare spørgsmål omkring uddøde arters evolution, adaption og menneskelig migration, men det har sine begrænsninger. For første gang har vi været i stand til at indhente forhistorisk genetisk information, der giver os mulighed for at rekonstruere evolutionen langt ud over den sædvanlige tidsgrænse for DNA-konservering,” siger professor Enrico Cappellini, lektor i palæoproteomik ved Globe Institute, Københavns Universitet, og førsteforfatter på artiklen.

”Denne nye analyse af forhistoriske proteiner fra tandemalje er startskuddet til et spændende nyt kapitel i studiet af molekylær evolution.”

For eksempel gjorde brugen af DNA-analyser det muligt genetisk at spore evolutionsprocesserne bag arternes oprindelse, som den er foregået igennem de sidste cirka 400.000 år. Det betyder imidlertid, at i forhold til de nedarvede anlæg, der leder frem til vores art, det moderne menneske, og til vores nærmest levende slægtsart, chimpansen, hvor forgreningen skete for cirka seks til syv millioner år siden, så mangler vi i øjeblikket genetisk information fra mere end 90% af den evolutionsgren, der førte frem til os.

Derfor kender vi stadig ikke den præcise genetiske sammenhæng mellem os og for eksempel Homo Erectus – den ældst kendte menneskeart med moderne, menneskelignende kropsbygning – eller mellem os og Australopithecus-artsgruppen, herunder det ikoniske fossil der ofte refereres til som Lucy.

Forhistorisk proteinsekventering, baseret på en banebrydende teknologi kaldet massespektrometri, har nu gjort det muligt at ekstrahere genetisk information fra en 1,77 millioner år gammel Stephanorhinus – et uddødt næsehorn, der levede i Eurasien i pleistocænperioden. Forskerne ekstraherede proteinrester af tandemalje fra en fossil tand, der blev opdaget i Dmanisi, Georgien, og brugte massespektrometri til sekventering af de forhistoriske proteiner og til udledning af genetisk information, der tidligere ikke kunne opnås ved brug af DNA-sekventering.

Tandemalje er det hårdeste materiale, der findes i et pattedyrs krop. I denne analyse opdagede forskerne, at det sæt proteiner, tandemaljen indeholder, er mere holdbart end DNA og genetisk mere informativt end kollagen, det eneste andet forhistoriske protein, der hidtil er hentet fra fossiler, der er over en million år gamle.

I sidste ende forbedrer forhistorisk proteinsekventering ved hjælp af massespektrometri mulighederne for at hente pålidelig og fremragende genetisk information fra pattedyrsfossiler, der ikke blot er tusinder, men millioner af år gamle.

”Med den nye, proteinsekvensbaserede metode er mulighederne for at opnå genetisk information udvidet, langt ud over forhistorisk DNA,” forklarer professor og korresponderende forfatter, Jesper Velgaard Olsen fra Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research.

”Grundlæggende kan denne metode ikke blot fortælle os arten og kønnet af et forhistorisk fossil, men den tillader os også at trække en evolutionær linje – alt sammen fra en enkelt tand,” siger han.

”Der er masser af tandemalje, og det er meget holdbart. Derfor stammer en stor andel af de fossile registreringer netop fra tænder,” tilføjer Enrico Cappellini.

”Vi har været i stand til at finde en måde til at indhente genetisk information, der er mere illustrativ og pålidelig end nogen anden kilde af sammenlignelig alder, og dét fra materiale, som der er rigeligt af i fossile registreringer. Det betyder, at denne metode har et stort potentiale.”

Sekventeringen af ​​det gamle proteom fra Dmanisi Stephanorhinus-fossilet har ført til, at forskerne har integreret det i det evolutionære træ, der omfatter andre uddøde og eksisterende næsehornsarter, og til at definere dets genetiske relation til dem, forklarer hovedforfatter på artiklen, Lundbeckfondens professor Eske Willerslev. Eske Willerslev besidder forskellige poster ved St John's College, University of Cambridge, og er leder af Lundbeck Foundation Center for GeoGenetics ved Københavns Universitet.

”Der er uddøde arter af tidlige mennesker, som vi ikke har været i stand til at opnå noget DNA fra – arter såsom Homo Erectus. De rester, vi har, er for gamle og for dårligt konserverede til, at DNA'et kan overleve,” siger han.

”Denne forskning ændrer spillereglerne fuldstændigt, og der åbner sig en masse muligheder for yderligere evolutionære undersøgelser i relation til både mennesker og pattedyr. Det vil revolutionere metoderne til at undersøge evolutionen, baseret på molekylære markører, og det åbner for et helt nyt område inden for forhistoriske molekylærstudier.”

Dette skifte i de evolutionære, nedarvede anlæg for en enkelt art kan virke som en mindre justering, men at identificere ændringer for adskillige uddøde pattedyr og mennesker kan føre til store forskydninger i vores forståelse af, hvordan dyrelivet har udviklet sig. Forskerholdet arbejder allerede på at inkorporere resultaterne i deres aktuelle forskning.

Opdagelsen kan gøre det muligt for forskere over hele kloden at indsamle genetiske data fra forhistoriske fossiler og opbygge et større, mere præcist billede af evolutionen af ​​hundredvis af arter, herunder vores egen.

Studiet 'Early Pleistocene enamel proteome from Dmanisi resolves Stephanorhinus phylogeny' er publiceret i Nature.


Kontakt:
Lektor Enrico Cappellini, Globe Institute, Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet ved Københavns Universitet
ecappellini@bio.ku.dk
+45 93 50 91 24

Professor Jesper Velgaard Olsen, vicedirektør ved Novo Nordisk Foundation Centre for Protein Research,
Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet ved Københavns Universitet
jesper.olsen@cpr.ku.dk
+45 24 42 59 56

Professor Eske Willerslev, leder af Lundbeck Foundation Centre for GeoGenetics, Globe Institute, Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet ved Københavns University og St John’s College, University of Cambridge
ewillerslev@bio.ku.dk
+45 35 32 13 09