Vier Forschungsartikel veröffentlicht in Natur Verfolgen Sie die genetischen Spuren und geografischen Ursprünge menschlicher Krankheiten weit zurück in der Zeit. Die Analysen liefern detaillierte Bilder der prähistorischen menschlichen Vielfalt und Migration und schlagen gleichzeitig eine Erklärung für einen Anstieg des genetischen Risikos für Multiple Sklerose (MS) vor.
Durch die Analyse von Daten aus dem bislang weltweit größten Datensatz zu 5.000 alten menschlichen Genomen aus Europa und Westasien (Eurasien) haben neue Forschungen die prähistorischen menschlichen Genpools West-Eurasiens in beispielloser Detailliertheit aufgedeckt.
Die Ergebnisse werden in vier Artikeln vorgestellt, die in derselben Ausgabe von veröffentlicht wurden Natur von einem internationalen Forscherteam unter der Leitung von Experten der Universität Kopenhagen und Beiträgen von rund 175 Forschern von Universitäten und Museen im Vereinigten Königreich, den USA, Deutschland, Australien, Schweden, Dänemark, Norwegen, Frankreich, Polen, der Schweiz, Armenien und der Ukraine , Russland, Kasachstan und Italien. Die vielen Forscher repräsentieren ein breites Spektrum wissenschaftlicher Disziplinen, darunter Archäologie, Evolutionsbiologie, Medizin, antike DNA-Forschung, Infektionskrankheitsforschung und Epidemiologie.
Die in der vorgestellten Forschungsergebnisse Natur Die Artikel basieren auf Analysen einer Teilmenge der 5.000 Genomen und umfassen:
Das 5.000 alte menschliche Genome-Projekt
Der beispiellose Datensatz von 5.000 antiken menschlichen Genomen wurde mithilfe der Analyse von Knochen und Zähnen rekonstruiert, die im Rahmen einer wissenschaftlichen Partnerschaft mit Museen und Universitäten in ganz Europa und Westasien verfügbar gemacht wurden. Der Sequenzierungsaufwand wurde mithilfe der Leistungsfähigkeit der Illumina-Technologie erreicht.
Das Alter der Exemplare reicht vom Mesolithikum und Neolithikum über die Bronzezeit, Eisenzeit und Wikingerzeit bis ins Mittelalter. Das älteste Genom im Datensatz stammt von einem Individuum, das vor etwa 34.000 Jahren lebte.
„Das ursprüngliche Ziel des Projekts „Alte menschliche Genome“ bestand darin, 1.000 alte menschliche Genome aus Eurasien als neuartiges Präzisionswerkzeug für die Erforschung von Hirnerkrankungen zu rekonstruieren“, sagen die drei Professoren der Universität Kopenhagen, die 2018 die Idee für die DNA hatten Datensatz und skizzierte ursprünglich das Projektkonzept: Eske Willerslev, Expertin für die Analyse antiker DNA, gemeinsam an der Universität Cambridge und Leiterin des Projekts; Thomas Werge, Experte für genetische Faktoren, die psychischen Störungen zugrunde liegen, und Leiter des Instituts für Biologische Psychiatrie, das psychiatrische Dienste in der Hauptstadtregion Dänemarks betreut; und Rasmus Nielsen, Experte für statistische und rechnerische Analysen antiker DNA, gemeinsam an der University of California, Berkeley, in den USA
Ziel war es, einen einzigartigen alten Genomdatensatz zu erstellen, um die Spuren und die genetische Evolutionsgeschichte von Hirnerkrankungen so weit wie möglich in der Zeit zu untersuchen, um neue medizinische und biologische Erkenntnisse über diese Erkrankungen zu gewinnen. Dies sollte durch den Vergleich von Informationen aus den alten DNA-Profilen mit Daten aus mehreren anderen wissenschaftlichen Disziplinen erreicht werden.
Zu den Hirnerkrankungen, die die drei Professoren ursprünglich als Kandidaten für diese Untersuchung identifizierten, gehörten neurologische Erkrankungen wie Parkinson, Alzheimer und Multiple Sklerose sowie psychische Störungen wie ADHS und Schizophrenie.
Im Jahr 2018 wandten sich die drei Professoren dann an die Lundbeck-Stiftung – eine große dänische Forschungsstiftung – um eine Finanzierung für die Erstellung des speziellen DNA-Datensatzes. Sie erhielten ein fünfjähriges Forschungsstipendium in Höhe von insgesamt 60 Mio. DKK (ca. 8 Mio. EUR) für das Projekt, das an der Universität Kopenhagen über ein neu gegründetes Zentrum koordiniert werden sollte, das später den Namen Lundbeck Foundation GeoGenetics Center erhielt.
„Der Grund für die Vergabe eines so großen Forschungsstipendiums an dieses Projekt, wie es die Lundbeck-Stiftung bereits im Jahr 2018 tat, war, dass es, wenn alles klappte, ein bahnbrechendes Mittel wäre, um ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden genetischen Architektur zu erlangen „Hirnerkrankungen haben sich im Laufe der Zeit entwickelt. Und Gehirnerkrankungen sind unser besonderer Schwerpunkt“, sagt Jan Egebjerg, Forschungsdirektor der Lundbeck Foundation.
Die Lundbeck Foundation unterstützt außerdem das iPYSCH-Konsortium, eine der weltweit größten Studien zu genetischen und umweltbedingten Ursachen von psychischen Störungen wie Autismus, ADHS, Schizophrenie, bipolaren Störungen und Depressionen, bei der der Schwerpunkt auch auf der Erstellung genetischer Risikoprofile für diese Störungen liegt so präzise wie möglich.
Die Ergebnisse berichteten in Naturwurden durch den Vergleich des alten Genomdatensatzes mit nicht identifizierten genetischen Daten des großen dänischen iPYSCH-Konsortiums und DNA-Profilen von 400.000 heutigen Individuen, die in der britischen Biobank registriert sind, untermauert.
Viele Herausforderungen
Die Prämisse für das Projekt sei experimentell gewesen, erzählt Professor Werge. „Wir wollten alte menschliche Exemplare sammeln, um zu sehen, was wir aus ihnen herausholen können, und zum Beispiel versuchen, einige der Umwelthintergründe für die Entstehung von Krankheiten und Störungen zu verstehen. Aus meiner Sicht war die Tatsache, dass das Projekt so umfangreich und komplex war.“ Proportionen, die Natur „Wollte es in vier Artikeln beschrieben werden, ist ziemlich einzigartig.“
Professor Willerslev bemerkt, dass die Zusammenstellung des DNA-Datensatzes große logistische Herausforderungen mit sich brachte. „Wir brauchten Zugang zu archäologischen Proben menschlicher Zähne und Knochen, von denen wir wussten, dass sie in Museen und anderen Institutionen in der eurasischen Region verstreut waren, und das erforderte viele Kooperationsvereinbarungen. Aber als sie erst einmal zustande kamen, ging es richtig los – mit den Daten.“ Der Datensatz boomte und umfasst mittlerweile mehr als 5.000 alte menschliche Genome. Die Größe des Datensatzes hat sowohl die Benutzerfreundlichkeit als auch die Präzision der Ergebnisse enorm verbessert.
Professor Nielsen war für die Planung der statistischen und bioinformatischen Analysen der Informationen verantwortlich, die in den Labors der Universität Kopenhagen aus den alten Zähnen und Knochen gewonnen wurden. Und er hatte es mit einer überwältigenden Menge an Daten zu tun, bei denen die DNA oft stark beeinträchtigt war.
„Niemand hatte zuvor so viele alte Genome analysiert. Jetzt mussten wir herausfinden, wie wir mit solch riesigen Datenmengen umgehen können. Das Problem war, dass die Arbeit mit den Rohdaten sehr schwierig ist, weil man am Ende viele kurze DNA-Sequenzen mit vielen Fehlern erhält.“ , und dann müssen diese Sequenzen korrekt an der richtigen Stelle im menschlichen Genom zugeordnet werden. Außerdem besteht das Problem der Kontamination durch alle Mikroorganismen, die auf den alten Zähnen und Knochen vorhanden sind.
„Stellen Sie sich vor, Sie hätten ein Puzzle, das aus Millionen von Teilen besteht, mit vier anderen unvollständigen Puzzle-Sets vermischt und das Ganze dann eine Stunde lang in der Spülmaschine laufen lassen. Danach alles wieder zusammenzusetzen, ist keine leichte Aufgabe. Einer der Schlüssel zu unserem Erfolg in.“ Am Ende haben wir uns mit Dr. Olivier Delanau von der Universität Lausanne zusammengetan, der Algorithmen entwickelt hat, um genau dieses Problem zu lösen“, sagt Professor Nielsen.
Internationales Interesse
Schon bald kursierten in wissenschaftlichen Kreisen Gerüchte, dass ein großer Datensatz des antiken menschlichen Genoms zusammengestellt würde. Und seit 2022 ist das Interesse sehr groß, sagen die Professoren Werge, Willerslev und Nielsen. „Wir nehmen ständig Anfragen von Forschern auf der ganzen Welt entgegen – insbesondere von solchen, die Krankheiten erforschen –, die typischerweise Zugang zur Erforschung des alten DNA-Datensatzes beantragen.“
Die Vier Natur Artikel zeigen, dass der große Datensatz von 5.000 Genomen als Präzisionswerkzeug dient, das in Kombination mit Analysen aktueller menschlicher DNA-Daten und Eingaben aus mehreren anderen Forschungsbereichen neue Erkenntnisse über Krankheiten liefern kann.
Das allein ist laut Professor Willerslev immens erstaunlich. „Es besteht kein Zweifel daran, dass ein alter Genomdatensatz dieser Größe in vielen verschiedenen Kontexten der Krankheitsforschung Anwendung finden wird. Mit der Veröffentlichung neuer wissenschaftlicher Entdeckungen, die aus dem 5.000-Genom-Datensatz abgeleitet werden, werden nach und nach weitere Daten allen Forschern frei zugänglich gemacht.“ . Letztlich wird der komplette Datensatz für jedermann offen zugänglich sein.“
Mehr Informationen:
Morten E. Allentoft et al., Populationsgenomik des postglazialen westlichen Eurasiens, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06865-0
Evan K. Irving-Pease et al., Die Selektionslandschaft und das genetische Erbe der alten Eurasier, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06705-1
William Barrie et al.: In Steppenpastoralistenpopulationen trat ein erhöhtes genetisches Risiko für Multiple Sklerose auf. Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06618-z
Morten E. Allentoft et al., 100 antike Genome zeigen wiederholte Populationswechsel im neolithischen Dänemark, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06862-3