Muinais-DNA, eli tervetuloa tulevaisuuteen

800px-dinornis1387
Richard Owen ja moan luuranko. Owenille uudet tutkimukset moan biologiasta kuulostaisivat silkalta magialta, eikä se kovin kaukana ole minustakaan.

80-luvun alkupuolella nuori Uppsalan yliopiston väitöskirjatutkija nimeltä Svante Pääbo sai päähänsä kokeilla, voisiko egyptiläisistä muumioista eristää DNA:ta. Kukaan ei tietenkään antanut paloja oikeista muumioista moiseen hulluun päähänpistoon, joten Pääbo osti lihatiskiltä vasikan maksaa ja muumioi sitä laboratoriossa matalalla lämmöllä – salaa ohjaajaltaan, koska hänen olisi oikeastaan pitänyt tehdä väitöskirjaansa.

Siitä sai alkunsa muinais-DNA:n tutkimusala. Se on nyt ehtinyt neljännelle vuosikymmenelleen ja kehittynyt yli nuoren Svante Pääbon hurjimpienkin unelmien. Nyt kauan sitten kuolleista eliöistä voidaan saada tietoa, jota ei vielä vähän aikaa sitten osattu edes kuvitella – vaikkapa paljastaa kuninkaallisten vuosisatojen takaisia syrjähyppyjä. Menetelmätkin ovat kuin suoraan scifistä. Esittelen tässä kuusi mielenkiintoista tutkimuskohdetta parin viime vuoden ajalta: niihin kuuluvat jättiläislintujen sosiaalinen elämä, viikinkien madot ja iberianilves, joka ei olekaan aivan niin iberialainen.

Moan perhe-elämä oli outoa

Uudessa-Seelannissa eli maorien saapuessa yhdeksän lajia lentokyvyttömiä moalintuja. Ne kuolivat sukupuuttoon 1400-luvulla, mutta niiden jäänteistä – ja etenkin muinais-dna:sta – on opittu paljon näiden erikoisten jättiläislintujen elämästä.

Naarasmoat olivat paljon koiraita isompia ja myös yleisempiä. Monilla löytöpaikoilla naaraita on vähintään viisi kertaa enemmän kuin koiraita. Syy sukupuolijakaumaan on edelleen arvoitus, mutta uusi DNA-analyysi osoittaa, että naaraspuoliset eteläsaarenmoat (Dinornis robustus) elivät sukulaistensa parissa koko elämänsä. Samalta paikalta kerättyjen aikuisten naaraiden joukossa oli kahdeksan lähisukulaista. Ne saattoivat olla siskoksia, emoja ja tyttäriä, tätejä tai serkkuja.

Kolmen ja puolen metrin korkeuteen kurkottaneella jättiläislinnulla oli erikoislaatuinen sosiaalinen järjestelmä. Kenties pienet ja hauraat koiraat vaelsivat kauas kotiseuduiltaan ja jäivät usein mahtavan haastinkotkan saaliiksi. Sen sijaan suuret naaraat olivat enimmäkseen turvassa pedoilta.

Allentoft ym. 2015: Ancient DNA microsatellite analyses of the extinct New Zealand giant moa (Dinornis robustus) identify relatives within a single fossil site. Heredity. (kokonaan luettavissa)

Jos etsit muinaishiivaa, lue tuoteseloste ensin

Manchesterin yliopiston uunituoreessa väitöskirjassa selvitettiin leivinhiivan (Saccharomyces cerevisiae) ja lähisukuisen S. paradoxus -hiivalajin tutkimuksen mahdollisuuksia muinais-DNA:n avulla. Koska tavoitteena oli kehittää uusia menetelmiä, varsinaiset tulokset jäivät hajanaisiksi, mutta hauskoiksi tiedonmurusiksi.

Väitöskirjatutkija Heather A. Robinson etsi hiivan perimäainesta antiikin ajan ruukuista. Kahdesta amforasta löytyi kyllä perimäainesta, mutta se ei kuulunut leivinhiivalle, vaan härkäpavulle. Tutkija huomauttaa, että mikäli jatkossa halutaan löytää nimenomaan viinin tuotannossa käytettyä hiivaa, sitä on paras etsiä ruukuista, joiden kyljessä lukee, että ne sisältävät viiniä. Nimeämättömissä ruukuissa pidettiin todennäköisemmin vähemmän arvokasta tavaraa, kuten papuja.

Myös hiivan DNA:n eristys moderneista viiniastioista epäonnistui. Robinson toteaa, että modernien ihmisten käyttämien hiivatyyppien tutkiminen tulevaisuudessa voi osoittautua hyvin vaikeaksi, koska valmistusprosessi puhdistaa hiivan jäänteet tehokkaasti pois lopputuotteesta. Eipä olisi tullut itselleni mieleen huolestua tulevaisuuden viinistä kiinnostuneiden paleomikrobiologien työskentelymahdollisuuksista!

Robinson 2016: The geographic distributions of Saccharomyces cerevisiae and Saccharomyces paradoxus, and the potential to detect past yeast populations with ancient DNA. Manchesterin yliopiston väitöskirja. (kokonaan luettavissa)

1280px-rock_ptarmigan_lagopus_muta
Kiirunapari Norjassa. Kuva: Jan Frode Haugseth / Wikipedia. CC 3.0-lisenssi.

Kuinka käy kiirunan?

Ilmaston lämmetessä tutkijoita kiinnostaa, kuinka eläimet ovat onnistuneet selviämään edellisistä nopeista ilmastonmuutoksista. Ovatko ne ehtineet muuttaa levinneisyyttään muuttuvien säiden mukana, vai onko eristyneitä populaatioita kuollut sukupuuttoon?

Eurooppalainen tutkimusryhmä selvitti asiaa riekon ja kiirunan muinais-DNA:n avulla. Molemmat mielletään Suomessa tunturilinnuiksi, mutta niiden levinneisyys on laajempi. Riekko pesii avosoilla Etelä-Suomessa saakka (sikäli kuin soita on jäljellä), Britannian nummilla ja Baltian maissa. Kiiruna on puolestaan puuttomien huippujen laji, jonka voi tavata suurtunturien lisäksi esimerkiksi Alpeilta ja Pyreneiltä.

Molemmilla on nyt lämpenevän ilmaston tieltä kiire joko pohjoiseen tai ylöspäin. Kuinka ne selvisivät viime kerralla? Ilmeisesti oikein hyvin. Viimeisten 20 000 vuoden aikana molemmilla lajeilla on ollut yhtenäinen populaatio yli Euroopan: aukkoja levinneisyydessä todennäköisesti oli, muttei niin suuria, etteivät linnut olisi pystyneet lentämään niiden yli. Ajanjaksoon mahtui paitsi viimeinen jäätikkömaksimi, myös nykyistä lämpimämpi Atlanttinen lämpökausi, keskiajan lämmin kausi ja sitä seurannut Euroopan pieni jääkausi.

Nyt molempien kanalintujen populaatio on kuitenkin pirstoutunut elinympäristöjen tuhoamisen myötä, eikä mahdollisuuksia siirtyä lämpenevän ilmaston tai katoavien pesimäpaikkojen alta aina ole. Nykyinen tilanne on muinais-DNA:n valossa ennenkuulumaton ainakin viimeisten parinkymmenen vuosituhannen aikaskaalalla.

Lagerholm ym. 2016: Range shifts or extinction? Ancient DNA and distribution modelling reveal past and future responses to climate warming in cold-adapted birds. Global Change Biology.

Ei-niin-endeeminen iberianilves

Iberianilves (Lynx pardinus) elää mitättömän pienellä alueella Espanjan ja Portugalin eteläosissa. Vuonna 2005 eläimiä oli jäljellä vain satakunta, mutta (enimmäkseen EU:n kustantamat) intensiiviset suojelutoimet ovat nostaneet niiden luvun uusimpien tietojen mukaan noin neljäänsataan. Mutta onko se aina elänyt näin pienellä alueella?

Ilveksen luita holoseeni- ja pleistoseenikausilta on kerätty pitkin Eurooppaa, mutta huonosti säilyneitä luunpalasia on vaikea tunnistaa varmuudella, kun Euroopassa on jääkaudella liikkunut ainakin kahta sorttia ilveksiä. Muinais-DNA:n avulla lajinmääritys pystyttiin varmistamaan.

Kävi ilmi, että iberianilves on kuin onkin ollut paljon laajemmalle levinnyt. Sen luiksi tunnistettiin löytöjä kaikkialta Iberian niemimaalta, mutta myös Etelä-Ranskasta ja Pohjois-Italiasta. Ranskassa laji on elänyt vielä 3800 vuotta sitten.

Ei siis ehkä olisi kaukaa haettu idea parantaa äärimmäisen uhanalaisen kissan selviämismahdollisuuksia siirtoistuttamalla sitä muihinkin Euroopan maihin. Olisihan häpeä, että eurooppalaisesta ilveksestä tulisi ensimmäinen sukupuuttoon kuollut iso kissalaji sitten sapelihammaskissa Smilodonin!

Rodríguez-Varela ym. 2015: Ancient DNA evidence of Iberian lynx palaeoendemism. Quaternary Science Reviews. (kokonaan luettavissa)

bettongia_penicillata_woylie1
Harjashäntäkaniinikenguru ja kartalla sen historiallinen (oranssi) ja nykyinen (punainen) levinneisyys. Kuvat: Arthur Chapman ja Wilhelm Klave / Wikipedia. CC 2.0 ja 3.0 -lisenssit.

Kaniinikengurun surullinen historia

Usein muinais-dna kertoo, kuinka paljon olemme menettäneet. Niin tässäkin tutkimuksessa, jossa verrattiin äärimmäisen uhanalaisen harjashäntäkaniinikengurun (Bettongia penicillata) nykyistä geneettistä monimuotoisuutta museonäytteisiin.

Kaniinikengurun elinalue on pirstoutunut viljelymaan tieltä, ja sitä uhkaavat ketut ja muut vieraspedot. Se näkyy geeneissä: kaniinikenguru on menettänyt valtavasti geneettistä monimuotoisuutta lyhyessä ajassa. Tulokset myös osoittavat, että aikaisemmin harjashäntäkaniinikengurun levinneisyys on ollut yhtenäinen: nyt se on pirstaleina.

Tuloksella on välittömiä käytännön sovellutuksia. Kaniinikenguruita pitäisi oitis alkaa siirtää elinaluelaikulta toiselle, jotta lajin geneettinen monimuotoisuus ei hupenisi entisestään.

Tulos voi kuulostaa ilmiselvältä, mutta aina uhanalaisten lajien sisäsiittoisuus ei suinkaan ole uusi ilmiö, eikä siitä ole niille erityisesti haittaa. Esimerkiksi iberianilves on aikaisempien tutkimusten valossa ollut yhtä yksipuolisen sisäsiittoinen viimeiset 50 000 vuotta. Se antaa toivoa, ettei käynti sukupuuton partaallakaan sammuta lajin tulevaisuutta.

Pacioni ym. 2015: Genetic diversity loss in a biodiversity hotspot: ancient DNA
quantifies genetic decline and former connectivity in a  critically endangered marsupial. Molecular Ecology. (kokonaan luettavissa)

Viikinkien hengitys haisi

Viikingeistä tulevat ehkä mieleen liehuvat vaaleat hiukset, sotaretket ja sarvikypärät. Uusi muinais-DNA-tutkimus tanskalaiselta arkeologiselta löytöpaikalta antaa muinaisskandinaaveista vähemmän romanttisen kuvan.

Löytöpaikan maaperästä löytyi useaa sorttia loismatojen munia, mutta päällisin puolin mikroskooppisia pallukoita on mahdotonta tunnistaa lajilleen. DNA-analyysi kuitenkin paljasti, että viikinkejä vaivasivat sekä piiskamadot että suolinkaiset. Piiskamadot ovat yleensä oireettomia, ellei niitä ole suolistossa satamäärin, mutta suolinkaisenmunat kertovat viikinkien poteneen oireina esimerkiksi yskää, päänsärkyä, vatsanväänteitä, maksakirroosia, heikotusta ja pahanhajuista hengitystä.

Myös kiistanalainen grönlantilainen viikinkilöytö osoittautui vähemmän romanttiseksi kuin arkeologit ehkä toivoivat. Löytöpaikalta kaivettiin esiin viikinkiaikaisia turkiksia, jotka tunnistettiin turkin laadun perusteella biisonin, mustakarhun ja harmaakarhun turkeiksi. Löytöä hehkutettiin todisteena siitä, että viikingit kävivät ahkerasti kauppaa Pohjois-Amerikan alkuperäisasukkaiden kanssa.

Paras olla innostumatta liikaa. Turkiksista eristettu DNA osoitti, että ”biisoni” oli itse asiassa hevosta ja ”karhut” vuohta. Hupsista.

Søe ym. 2015: DNA Typing of Ancient Parasite Eggs from Environmental Samples Identifies Human and Animal Worm Infections in Viking-Age Settlement. Journal of Parasitology.

Sinding ym. 2015: Ancient DNA unravels the truth behind the controversial GUS
Greenlandic Norse fur samples: the bison was a horse, and the muskox
and bears were goats. Journal of Archaeological Science. (kokonaan luettavissa).

Kaiken kaikkiaan…

Vaikka muinais-DNA:han perustuvia tutkimustuloksia näyttää ilmestyvän kuin sieniä sateella, mitään sunnuntaiharrastelua se ei ole. Perimäaines alkaa nopeasti eliön kuoleman jälkeen hajota. Ajan mittaan se rikkoutuu yhä pienemmiksi palasiksi, ja sen lukeminen ja kokoon kursiminen muuttuu yhä painajaismaisemmaksi urakaksi. Nykyiset analyysimenetelmät kuulostavat enimmäkseen heprealta, vaikka opiskelin yliopistossa jonkin verran genetiikkaa ja tein gradutyöni museonäytteiden DNA:n parissa.

Lisäksi on tietenkin kontaminaation ongelma. Jos joku edes hengittää näytteen lähellä, siinä on todennäköisesti moninkertaisesti enemmän hengittäjän kuin alkuperäisen eliön perimäainesta. Jotenkin näytteet ja laboratoriot täytyy pitää puhtaina kaikesta ylimääräisestä. Svante Pääbo kertoo Neandertalilainen-kirjassaan elävästi, kuinka suunnaton vaikeuksien sarja tutkimusryhmän oli selätettävä, ennen kuin neandertalilaisen DNA:ta viimein onnistuttiin lukemaan.

denisova_molar
Kopio denisovanihmisen poskihampaasta Brysselissä. Kuva: Thilo Barg / Wikipedia.

Nyt sen avulla on osoitettu, että nykyihmiset risteytyivät neandertalilaisten kanssa ja kantavat edelleen heidän geenejään. Kaupan päälle Pääbon ryhmä löysi kokonaan tuntemattoman ihmislajin, denisovanihmisen. Denisovalaisista on löydetty vain yksi sormiluu, yksi varvasluu ja kaksi poskihammasta. Silti lajin koko genomi ja sen risteytymishistoria muiden ihmislajien kanssa tunnetaan. Scifiä!

Ala etenee edelleen valtavin harppauksin. Nyt DNA:ta on saatu eristettyä jo satoja tuhansia vuosia vanhoista näytteistä. Ennätystä hallitsee ikiroudasta löytynyt hevonen, joka eli Yukonissa noin 700 000 vuotta sitten. Miljoonan vuoden rajan rikkoutuminen taitaa olla vain ajan kysymys.

Muinais-genetiikka on hyvää vauhtia muuttumassa muinais-genomiikaksi. Svante Pääbon ryhmän ensimmäiset muutaman kymmenen tai sadan emäksen mittaiset palaset neandertalilaisen dna:ta olivat valtavan työ- ja rahamäärän takana, mutta nyt fossiileista luetaan säännöllisesti vähintään koko mitokondriogenomi (ihmisellä 16 569 emäsparia) ja usein sen lisäksi paljon suurempi ja vaikeammin luettava tuman genomi (yli kuusi miljardia emäsparia). Tämä tehdään kursimalla kokoon usein vain muutaman kymmenen emäksen mittaisia dna:n sirpaleita.

Uusia tutkimuksia yhä mielikuvituksellisemmista aiheista tulee jatkuvasti. Tervetuloa molekyylibiologian jännittävään tulevaisuuteen!

Yksi ajatus artikkelista “Muinais-DNA, eli tervetuloa tulevaisuuteen”

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Google photo

Olet kommentoimassa Google -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s