elk genoom dat uit archeologisch materiaal gehaald wordt, is een technologisch huzarenstukje, dat ons beeld over de humane evolutie bijstelt. de autobiografie van svante pääbo, de pionier van de paleogenetica, beschrijft de lange zoektocht naar verloren gewaande genomen. ze vormt ook een aanleiding om de euforie over recente ontdekkingen op het kruispunt van genetica, biologie, archeologie en antropologie van nabij te bekijken.

Van bot tot genoom

Maarten Larmuseau

De Zweedse geneticus Svante Pääbo (1955) van het Max Planck Instituut voor evolutionaire antropologie in Leipzig is zonder overdrijven de persoon die de huidige paleogenetische revolutie grotendeels heeft gestuurd. In zijn autobiografie Neanderthal Man. In Search of Lost Genomes beschrijft hij de lange weg van vallen en opstaan naar deze wetenschappelijke revolutie, met gereconstrueerde genomen van de neanderthaler en de voordien onbekende denisovan. Zijn zoektocht naar verloren gewaande genomen begon in de jaren 1980 met zijn eerste pogingen om DNA uit Egyptische mummies te halen. Ze kende een voorlopig hoogtepunt in 2010 met de ontrafeling van het volledige neanderthalergenoom. In zijn terugblik behandelt Pääbo vooral de grote moeilijkheden om met DNA uit archeologisch materiaal te werken. Dit ‘oude DNA’ heeft immers erg specifieke karakteristieken in vergelijking met ‘vers’ DNA van levende individuen, waardoor het hele analyseproces via een omslachtig protocol moet worden uitgevoerd. Elke onnauwkeurigheid in het proces kan verkeerde resultaten opleveren – wat in het verleden ook vaak gebeurd is. Daarom worden spectaculaire bevindingen op basis van oud DNA tot op vandaag nog vaak op enig scepticisme onthaald. Het is net de verdienste van Pääbo dat hij in de loop der jaren voor elke stap in het protocol – van de opgraving van geschikte botten tot het statistisch analyseren van de uiteindelijke genetische data – specifieke regels opstelde die nu standaard in een laboratorium voor oud DNA worden gebruikt.

Alleen archeologisch materiaal dat in uitzonderlijk goede omstandigheden bewaard is, kan in aanmerking komen voor genetisch onderzoek

Zoals algemeen geweten zit de erfelijke informatie van een organisme in zijn genoom, dat een verzameling is van alle DNA-moleculen in een cel. Van zodra het organisme echter sterft, wordt het DNA doorheen de tijd aangetast. Hierbij verdwijnt onder andere de informatie die vervat zit in de volgorde van de bouwstenen waaruit DNA-moleculen bestaan, namelijk de nucleotiden. Daarenboven wordt de intensiteit van de schade aan de DNA-moleculen ook beïnvloed door de temperatuur en de vochtigheidsgraad van de omgeving. Daardoor kan alleen archeologisch materiaal dat in uitzonderlijk goede omstandigheden bewaard is, in aanmerking komen voor genetisch onderzoek. Omdat de hoeveelheid oorspronkelijk DNA die in archeologisch materiaal bewaard blijft erg gering is, raakt dit materiaal ook heel snel gecontamineerd door DNA van personen die met dit materiaal in contact komen, zoals archeologen of genetici. Het vermijden van deze contaminatie in elke stap van het onderzoek is cruciaal om zeker te zijn dat alleen het oorspronkelijke DNA uit het archeologisch materiaal wordt onderzocht. Het genetisch onderzoek van dergelijke stalen kan daarom alleen worden uitgevoerd in een ‘clean lab’, waar zeer streng nageleefde regels gelden. De methoden voor werken met oud DNA leverden overigens ook extra kennis en ervaring op die vandaag bijzonder nuttig zijn bij forensisch onderzoek van sporenmateriaal, waar gelijkaardige voorzorgsmaatregelen gelden. Het is daarom niet uitzonderlijk dat labo’s die onderzoek op oud DNA verrichten, geïntegreerd zijn binnen forensisch genetische laboratoria. Daarnaast is de huidige revolutie in de paleogenetica, net als in de algemene genetica, voornamelijk het resultaat van de recente technologische ontwikkeling van ‘next-generation sequencing’ (NGS), dat startte vanaf de tweede helft van de jaren 2000. Die maakte het mogelijk om alle aanwezige fragmenten in een DNA-staal af te lezen. Via de nodige aanpassingen van de NGS-methoden voor een contaminatievrije analyse van oud DNA volgde dan ook de explosie aan hoogkwalitatieve paleogenomen in de voorbije vier jaar.

Het eerste tot de verbeelding sprekende paleogenoom dat geanalyseerd werd, was dat van de neanderthaler. Sinds het opgraven van een schedeldak en enkele botten in het Neanderdal, niet ver van Düsseldorf, in 1856, heeft deze uitgestorven mensensoort tot de verbeelding gesproken. Over de jaren heen was het onderzoek er daarom op gericht meer botmateriaal van neanderthalers te verzamelen, uit te zoeken waar en wanneer ze precies voorkwamen, en uiteindelijk te achterhalen of de moderne mens (Homo sapiens) verantwoordelijk was voor hun plotse verdwijning ongeveer 30 000 jaar geleden. Al in 1997 publiceerde Pääbo de eerste fragmenten van het mitochondriaal DNA (mtDNA) van neanderthalers, de kleine hoeveelheid DNA die aanwezig is in elk van onze mitochondriën. Hieruit bleek dat het mtDNA sterk verschillend was van de menselijke varianten. Doordat mtDNA echter enkel via overerving langs de moeder doorgegeven wordt, was het wachten op het volledige paleogenoom om conclusies te trekken over onze verwantschap met de neanderthaler.

Nagenoeg alle moderne mensen, behalve die met een Afrikaanse origine, hebben DNA van de neanderthaler in hun genoom

De eerste versie van het volledige neanderthalergenoom, afkomstig van een bot uit de Vindijagrot in Kroatië, werd uiteindelijk gepubliceerd in 2010. Dit genoom is ondertussen ontrafeld tot hetzelfde kwaliteitsniveau als bij een nu levende persoon. Uit de vergelijking tussen het genoom van de moderne mens en dat van de neanderthaler valt onmiddellijk op dat nagenoeg alle moderne mensen, behalve die met een Afrikaanse origine, DNA van de neanderthaler in hun genoom hebben als gevolg van een kruising of hybridisatie. Deze hybridisatie deed zich het meest waarschijnlijk voor tussen 90 000 en 40 000 jaar geleden, toen de moderne mens zich vanuit Afrika in het Midden-Oosten ging vestigen. Hierdoor hebben alle mensen met een niet-Afrikaanse origine zo’n één tot vier procent (gemiddeld twee procent) neanderthaler-DNA in hun genoom. Dit lijkt op het eerste gezicht niet veel, maar het is wel voldoende om een biologische impact te hebben. Zo zit in dit overgedragen neanderthaler-DNA informatie over gezichtspigmentatie, en een specifiek type keratine, een eiwit dat in onze huid en nagels voorkomt. Daarenboven blijkt de neanderthaler een aparte genetische variant van het MHC-complex, betrokken bij het immuunsysteem, te hebben doorgegeven aan de moderne mens. Daaruit werd geconcludeerd dat de moderne mens, door de hybridisatie met de neanderthaler, beter in staat was om de gebieden in Azië en Europa te koloniseren die de neanderthalers al vele tienduizenden jaren hadden bewoond. Anderzijds geven de laatste analyses ook een overdracht aan van bepaalde genetische afwijkingen die vandaag resulteren in een hoger risico voor diabetes type 2 bij Aziaten en autochtone Amerikanen, alsook voor de ziekte van Crohn. Het blijft echter een fascinerend resultaat dat neanderthalers niet volledig uitgestorven blijken te zijn, maar dat hun DNA nog deels in ons aanwezig is.

Al meteen na de eerste mtDNA-resultaten voor de neanderthaler, werd het mtDNA ook gebruikt als toetssteen bij de identificatie van resten van prehistorische mensen of menselijke voorlopers. Voordien gebeurden soortidentificaties vooral op basis van fysieke kenmerken. mtDNA bleek dan ook erg nuttig bij stalen die een twijfelachtige toewijzing hadden op basis van fysieke kenmerken. Door dit type onderzoek kon rechtstreeks het gekende distributiegebied van de neanderthaler uitgebreid worden met regio’s in Rusland en Oezbekistan. Bij een dergelijk routineonderzoek van een minuscuul vingerkootje uit de Denisovagrot in Zuid-Siberië, werd in 2010 onverwacht een uitzonderlijke variant van het mtDNA gevonden, die sterk afwijkt van het DNA van neanderthalers en moderne mensen. Onmiddellijk daarop werd het volledige genoom uit dit vingerkootje gereconstrueerd, en in 2012 werd uiteindelijk een versie van het genoom gepubliceerd met dezelfde hoge kwaliteit als voor de nu levende mens. Hieruit werd duidelijk dat het DNA afkomstig is van een aparte mensengroep binnen de evolutionaire boom van het geslacht Homo, een lijn die intussen de denisovans wordt genoemd. Tegenwoordig schat men dat de voorlopers van de denisovans en neanderthalers zich zo’n 600 000 jaar geleden van onze lijn afsplitsten, waarna de denisovans en neanderthalers zo’n 300 000 jaar geleden van elkaar zijn afgesplitst.

Uit het paleogenoom van de denisovan blijkt dat er ook hybridisaties met de moderne mens hebben plaatsgevonden

Ontdekker Svante Pääbo is er echter als de dood voor om de denisovans officieel als een nieuwe ‘mensensoort’ te omschrijven. Taxonomen beschrijven een soort als een groep individuen die alleen onderling tot vruchtbare nakomelingen kunnen komen. Volgens deze definitie kunnen denisovans op basis van de genetische resultaten niet als soort worden beschouwd. Net als met de neanderthaler – die Pääbo ook niet als een aparte ‘mensensoort’ beschouwt – was het meest verrassende resultaat uit dit nieuwe paleogenoom dat er ook hybridisaties tussen denisovans en de moderne mens hebben plaatsgevonden. Zo’n vijf procent van het genoom van de inwoners van Papoea-Nieuw-Guinea blijkt immers van oorsprong denisovan te zijn, en in tal van andere Melanesische en Zuidoost-Aziatische populaties worden sporen van een dergelijke prehistorische hybridisatie teruggevonden. Net zoals bij de neanderthaler blijkt ook hier dat deze hybridisatie voor een rijkere genetische diversiteit gezorgd heeft bij de moderne mens, met biologische relevantie. Zeer recent werd immers aangetoond dat de specifieke genetische variant waardoor Nepalezen lokaal aangepast zijn aan het leven op grote hoogte, oorspronkelijk afkomstig is uit de hybridisatie tussen Homo sapiens en de denisovans. Desondanks is er nog maar weinig gekend over deze mysterieuze denisovans. Zelfs informatie over waar en wanneer ze exact leefden, ontbreekt nog grotendeels. Tot nu toe zijn er naast het vingerkootje nog maar twee kiezen en een stukje teen aan hen toegeschreven, die met veel inspanningen gedateerd werden tussen 60 000 en 30 000 jaar oud. Daarmee behoren de denisovans tot de eerste mensengroep die we nu voornamelijk kennen via de paleogenetica. Maar misschien zijn er wel al denisovanbotten opgegraven en beschreven – vooral in China zijn er wel wat kandidaten – die we nog niet hebben kunnen koppelen aan het denisovangenoom.

Naast paleogenomen van uitgestorven verwante ‘mensengroepen’ richt onderzoek naar oud DNA zich uiteraard ook op genomen van vroege voorouders binnen de moderne mens. In de voorbije vier jaar werd ook het paleogenoom gepubliceerd van één van de oudste reeks botten van de moderne mens buiten Afrika, namelijk die gevonden werden in Ust-ishim (Siberië) en die ongeveer 45 000 jaar oud zijn. Daarnaast werd ook het volledige genoom gepubliceerd van een 13 000-jaar oude jongen, gevonden in Montana, van een Iberische jager-verzamelaar die zo’n 7 000 jaar geleden leefde, van de ijsmummie Ötzi en van een 4 000-jaar oude paleo-eskimo. Elk van die genomen bevestigde al eerder gekende migratiepatronen en demografische gebeurtenissen bij de moderne mens, maar bracht ook telkens eigen verrassingen met zich mee, die onze inzichten over de humane evolutie bijsturen. Zo toonde het genoom van de Iberische jager-verzamelaar aan dat hij zoals verwacht een donkere huidskleur had en lactose-intolerant was. Verrassend genoeg bezat hij ook de genetische variant voor blauwe ogen, hoewel men eerder dacht dat deze laatste variant pas na de introductie van de landbouw was verspreid in Europa.

De denisovans zijn de eerste mensengroep die we voornamelijk kennen via de paleogenetica

De paleogenetica beperkt zich bovendien niet tot menselijke genomen. Zo werden de middeleeuwse bacteriële genomen van Yersinia pestis (pestbacterie) en Mycobacterium leprae (leprabacterie) gereconstrueerd, wat wetenschappers een uniek inzicht verschaft in de verspreiding en de karakteristieken van de middeleeuwse varianten van de pest en lepra. Paleogenomen van allerhande dieren en planten worden ook gereconstrueerd om ons verder inzicht te verschaffen in het proces van domesticatie (met recent nog het volledige genoom van een 700 000-jaar oud paard), in evolutionaire veranderingen die planten en dieren hebben ondervonden door menselijke activiteit (zoals de effecten van visserij) en in de kenmerken van uitgestorven organismen zoals de mammoet en de quagga.

Het proces van nieuwe ontdekkingen en inzichten dat werd ingezet met het genoom van de neanderthaler, moet eigenlijk nog beginnen. Zo zouden nieuwe ontdekkingen van goed bewaard botmateriaal kunnen leiden tot verdere nieuwe lijnen in de evolutionaire boom van het geslacht Homo. De grootste verwachtingen liggen hier in Azië en vooral in China, de reden waarom Pääbo intussen een nieuw laboratorium in Peking heeft opgestart. Anderzijds zal naast de zoektocht naar nog niet geanalyseerde mensengroepen of organismen, ook de analyse van grotere aantallen paleogenomen binnen een populatie of mensengroep essentieel zijn. Zo is het reeds vermelde genoom van de jager-verzamelaar uit het mesolithicum in Spanje maar afkomstig van één individu, waaruit de verspreiding van de genetische variatie binnen zijn populatie uiteraard niet kan worden afgeleid. Naast genoomgegevens worden er bovendien ook steeds meer epigenoomgegevens over oude stalen gepubliceerd. Met het bepalen van het epigenoom krijgen we essentiële informatie over de mate waarin bepaalde genen actief afgeschreven werden in een individu, en aldus tot expressie werden gebracht. De eerste gegevens over neanderthalers en denisovans laten bijvoorbeeld al zien dat schizofrenie en autisme bij hen niet in dezelfde frequentie voorkwamen als bij de huidige mens, maar toekomstig onderzoek zal dit nog verder moeten bevestigen.

Ten slotte zijn er grote wetenschappelijke uitdagingen om de biologische relevantie van alle genetische verschillen tussen de moderne mens en de neanderthaler of denisovan verder uit te klaren. Op die manier zullen we meer inzicht krijgen in wat ons specifiek tot mens maakt, en in hoeverre we verschillend zijn van onze nauwste verwanten. Het effect van vele genetische verschillen tussen de paleogenomen en die van de moderne mens zijn immers nog vaak onbekend. Hoewel sommige wetenschappers hierbij al de controversiële mogelijkheid hebben gesuggereerd om een neanderthaler te kloneren of een genetische variant van de neanderthaler in het genoom van een mens in te brengen, zal dit onderzoek vermoedelijk moeten gebeuren via het arbeidsintensief opsporen van zogenaamde terugmutaties bij mensen die eenzelfde variant hebben als de neanderthaler of denisovan, of via het inplanten van bepaalde genvarianten in muizen.

Door de grotere garanties op hoogkwalitatieve paleogenomen met een beperkte contaminatie en het fabelachtige aantal nieuwe gegevens over onze voorouders en verwante mensengroepen of -soorten, is de paleogenetica een mijlpaal geworden in het onderzoek naar humane evolutie. Vroeger waren inzichten in humane evolutie alleen mogelijk vanuit archeologisch en morfologisch onderzoek van botten, tanden, schedels en artefacten. Nu komt daar een immense hoeveelheid DNA-gegevens bij, die empirische gegevens biedt voor de studie van de humane evolutie. Daardoor is deze studie ook een goede interdisciplinaire oefening geworden tussen exacte en humane wetenschappers. En hoewel anno 2014 interdisciplinaire interactie alom gestimuleerd wordt, zijn er nog te weinig initiatieven voor uitwisseling van kennis en concrete samenwerking tussen de verschillende wetenschapsdisciplines. Dit probleem werd onlangs nog uitgebreid aangekaart tijdens één van de grote internationale congressen over humane evolutie in 2014 in Sitges in Spanje. De paleogenetische revolutie dwingt ons daarom nog meer in te zetten op interdisciplinaire onderwijs- en onderzoeksprogramma’s om verder wetenschappelijke vooruitgang te boeken. Deze programma’s moeten ook leiden tot een kwalitatieve publiekscommunicatie, al was het maar om goede antwoorden te formuleren op de vraag waarom elke niet-Afrikaan gemiddeld 2,5 procent neanderthaler-DNA bezit, en om uit te leggen welk belang dit heeft in cruciale vragen die ieder van ons zich stelt, zoals wie wij zijn en waar wij vandaan komen.

Svante Pääbo, Neanderthal Man. In Search of Lost Genomes. (New York: Basic Books, 2014).
Emilia Huerta-Sánchez, Xin Jin, et al. ‘Altitude adaptation in Tibetans caused by introgression of Denisovan-like DNA’ in: Nature, 2014, 512, 194-197.

Maarten Larmuseau is als evolutionair geneticus verbonden aan de KU Leuven.