Erbgutanalyse aus Höhlensediment Neandertaler beim DNA-Test

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Den genetischen Ursprüngen der Menschheit auf die Spur zu kommen, erforderte bisher Proben von Zähnen oder Knochen. Doch auch ohne solche Fossilienfunde lässt sich nun die DNA unserer frühen Verwandten, der Neandertaler, untersuchen. Mit einem neuen Verfahren haben Max-Planck-Forscher Zellkern-Erbgut aus Höhlensedimenten analysiert und neue Einblicke in die menschliche Vergangenheit erhalten.

Leipzig – Ob Vaterschaftstest oder Ahnenforschung: per DNA-Test lässt sich heute leicht feststellen, wer mit wem verwandt ist. Alles was man braucht, ist eine Probe des Genmaterials und die entsprechende chemisch-analytische Ausrüstung. Je weiter man in die Vergangenheit zurückgeht, desto schwieriger wird es allerdings, geeignete DNA-Proben zu finden. Aus diesem Grund ist es eine große Herausforderung, unsere evolutionäre Vergangenheit zu entschlüsseln – etwa die genetischen Beziehung zu unseren ausgestorbenen Verwandten, den Denisovanern und Neandertalern.

Wenn fossile Knochen fehlen…

Bisherige Studien basierten auf Analysen der DNA aus fossilen Knochen und Zähnen, in denen das Erbgut vor Umwelteinflüssen geschützt überdauert. Solche Skelettüberreste sind aber äußerst selten, sodass ein Großteil unserer menschlichen Geschichte für genetische Untersuchungen bisher unzugänglich war.

Schmerzschwelle von Neandertaler und modernem Mensch

Das sensible Erbe der Neandertaler

Um diese Lücke zu schließen, haben Forscher am Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie nun neue Methoden zur Anreicherung und Analyse menschlicher Zellkern-DNA aus Sedimenten entwickelt, die in fast jeder Ausgrabungsstätte reichlich vorkommen. Bisher konnte aus archäologischen Sedimenten nur mitochondriale DNA gewonnen werden, die für die Untersuchung von Beziehungen zwischen verschiedenen Populationen aber nur von begrenztem Wert ist. Die Analyse chromosomaler DNA aus Sedimenten bietet Wissenschaftlern jetzt neue Möglichkeiten, die Vergangenheit des Menschen zu untersuchen.

Genetische Verwechslungsgefahr mit Hyänen

Bei der Entnahme alter menschlicher DNA aus Sedimenten mussten die Forscher sich bewusst sein, dass die Ablagerungen auch eine beträchtliche Menge an Säugetier-DNA enthalten können, z. B. von Bären oder Hyänen. Das birgt die Gefahr von Verwechslungen, weil es „im menschlichen Genom viele Bereiche gibt, die beispielsweise der DNA eines Bären ähneln“, wie Erstautor Benjamin Vernot erklärt. Die Forscher suchten daher nach solchen Regionen im Genom, bei denen sie sicher sein konnten, ausschließlich menschliche DNA vorzufinden. Darüber hinaus entwickelten sie Methoden, um den verbliebenen Anteil nicht-menschlicher DNA in einer Probe zu messen. „Wir wollten sicher sein, dass wir nicht versehentlich eine unbekannte Hyänenart untersuchen“, sagt Vernot.

Die Wissenschaftler analysierten mit ihren neuen Methoden dann mehr als 150 Sedimentproben aus drei Höhlen. In zwei dieser Höhlen – der Chagyrskaya- und der Denisova-Höhle im Altai-Gebirge in Südsibirien – wurde bereits in früheren Studien Erbgut aus Knochen analysiert. Diese Daten auf Knochenbasis dienten den Autoren als Referenz für die aus Sedimenten gewonnene DNA. Und tatsächlich war das Erbgut aus den Sedimenten den Genomen von Knochen am ähnlichsten, die an denselben Orten gefunden worden waren – was die Effektivität der neuen Methoden bestätigte.

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Neuer Einsichten zu Neandertaler-Populationen

Den Vorteil der neuartigen Genanalyse nutzten die Wissenschaftler an der Ausgrabungsstätte Galería de las Estatuas in Nordspanien. Dort hatte ein Team unter der Leitung von Juan Luis Arsuaga von der Universidad Complutense de Madrid Steinwerkzeuge aus einer Zeit vor circa 70.000 bis 115.000 Jahren ans Licht gebracht, konnte aber keine genaueren Angaben zu den Erbauern dieser Werkzeuge machen. Denn am Fundort kam nur ein einziger Neandertaler-Zehenknochen zu Tage, und dieser war für die DNA-Probenentnahme zu klein. „Es gab für uns keine Möglichkeit, die genetische Beschaffenheit der Neandertaler, die in Estatuas lebten, zu untersuchen“, sagt Asier Gómez-Olivencia, der bei den Ausgrabungen in Spanien mitforschte.

Mit der neuen Möglichkeit, Zellkern-DNA aus den Sedimenten zu extrahieren, zeigten die Anthropologen nun, dass gleich zwei Neandertaler-Populationen in der Höhle gelebt hatten. Die ursprüngliche Gruppe war vor etwa 100.000 Jahren durch eine spätere Gruppe ersetzt worden.

Wie die Forscher bei weiteren Analysen entdeckten, schien es zwei „Ausbreitungswellen“ von Neandertalern gegeben zu haben. Dies ließ sich aus dem Vergleich der Sediment-DNA mit der DNA von Skelettproben ableiten.

Der Vergangenheit des Menschen auf der Spur

Selbst für Fundstätten, wo in früheren Studien bereits DNA aus Knochen untersucht wurde, ist es noch möglich, aus Höhlenablagerungen neue Erkenntnisse zu gewinnen bzw. alte Hypothesen zu verifizieren. Ein Beispiel sind die Neandertaler aus der Chagyrskaya-Höhle in Südsibirien.

Früheren archäologischen Studien zufolge gehörten die Neandertaler dort einer einzigen Population an, die an diesem Ort nur für kurze Zeit lebte. Da jedoch nur ein einziges Genom aus einem in der Höhle gefundenen Knochen untersucht worden war, konnten die Forscher zunächst nicht klären, ob dieses repräsentativ für die gesamte Population ist, die im Umkreis der Chagyrskaya-Höhle lebte. Anhand der aus Sedimenten gewonnenen chromosomalen DNA bestätigten die Forscher diese Hypothese nun. „Wir haben Sedimentproben aus der gesamten Stratigraphie [Schichtabfolge des Sediments, Anm. d. Red.] entnommen, und sie alle sahen der DNA aus dem Knochen sehr ähnlich, obwohl die Sediment-DNA von mehreren Individuen stammte“, sagt Kseniya Kolobova vom Institut für Archäologie und Ethnographie der Russischen Akademie der Wissenschaften, die leitende Archäologin der Chagyrskaya-Höhle.

„Der Beginn der chromosomalen DNA-Analyse aus Sedimenten erweitert unsere Möglichkeiten massiv, die Evolutionsgeschichte des Menschen zu erforschen“, sagt Erstautor Vernot. „Da die Forscher nicht mehr auf menschliche Skelettreste angewiesen sind, können sie jetzt das Erbgut von mehr menschlichen Populationen an einer größeren Zahl von Orten untersuchen, als es bisher für möglich gehalten wurde.

Originalveröffentlichung: Benjamin Vernot, Elena I. Zavala, Asier Gómez-Olivencia, Zenobia Jacobs, Viviane Slon, Fabrizio Mafessoni, Frédéric Romagné, Alice Pearson, Martin Petr, Nohemi Sala, Adrián Pablos, Arantza Aranburu , José María Bermúdez de Castro, Eudald Carbonell, Bo Li, Maciej T. Krajcarz, Andrey I. Krivoshapkin, Kseniya A. Kolobova, Maxim B. Kozlikin, Michael V. Shunkov, Anatoly P. Derevianko, Bence Viola, Steffi Grote, Elena Essel, David López Herráez, Sarah Nagel, Birgit Nickel, Julia Richter, Anna Schmidt, Benjamin Peter, Janet Kelso, Richard G. Roberts, Juan-Luis Arsuaga, Matthias Meyer: Unearthing Neandertal population history using nuclear and mitochondrial DNA from cave sediments, Science 15 Apr 2021; DOI: 10.1126/science.abf1667

* S. Jacob, Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie, 04103 Leipzig

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