ADNA

Begriff und Vorgehensweise

aDNA (englisch ancient DNA, „alte DNA“) ist meist über 100 Jahre alte DNA, also erhaltene Reste von Erbgutmolekülen toter Organismen. Sie ist wichtig, weil sie ausgestorbene Arten, frühere Populationen, Krankheiten und Verwandtschaftsverhältnisse genetisch untersuchbar macht. Die Forschung ist eng mit genetischer Rechtsmedizin und forensischer Anthropologie verbunden.

Grundlage ist häufig die Polymerase-Kettenreaktion (PCR): Sie vervielfältigt kleinste Mengen DNA bis zur Nachweisgrenze. Anschließend werden die PCR-Amplifikate, also die vervielfältigten DNA-Stücke, über ihre Fragmentgröße bestimmt oder sequenziert, das heißt ihre Basenfolge wird gelesen. Um Kontaminationen und PCR-Artefakte aufzudecken, wird das Amplifikat vor der Sequenzierung oft kloniert und selektiert.

Die Methode zielt darauf, möglichst reine, zahlreiche und lange Oligonukleotid-Ketten zu gewinnen. Als Proben eignen sich je nach Erhaltung verschiedene Gewebe; Knochen und Dentin sind wegen ihrer Abgeschlossenheit besonders günstig. Dort ist DNA, beispielsweise von Osteoklasten, besser vor Umwelteinflüssen geschützt. Frühe aDNA-Berichte erwiesen sich teilweise als falsch; deshalb werden Ergebnisse bis heute mit Vorbehalt bewertet.

Wofür alte DNA genutzt wird

aDNA liefert Erkenntnisse für genetische Biologie, Paläozoologie, Paläobotanik, Anthropologie und besonders Paläoanthropologie sowie für Archäologie. Daraus entwickelte sich die Paläogenetik. Neben Knochen und Zähnen werden seit den 2010er-Jahren, verstärkt seit 2020, auch DNA-Reste aus Höhlensedimenten oder Permafrost untersucht. Dadurch lassen sich Besiedelungen rekonstruieren und über das Sedimentalter datieren, obwohl sichtbare Spuren fehlen. Im Dezember 2022 wurde so ein rund 2 Millionen Jahre altes Ökosystem in Grönland rekonstruiert.

Für die Artbestimmung nutzt man das artspezifische genetische Merkmalsmuster: Schon das Erbgut einer Zelle kann eine Art eindeutig zuweisen. Das ist besonders hilfreich, wenn Skelettmerkmale nicht trennscharf genug sind, etwa bei Schafen und Ziegen.

Phylogenese bezeichnet die Darstellung der Evolution und Verwandtschaft von Arten. Sie vergleicht genetische Merkmalsmuster statistisch; eine wichtige Maßzahl ist der genetische Abstand. aDNA ermöglicht dabei die Einordnung ausgestorbener Arten.

Auch biologische Verwandtschaft einzelner Individuen kann untersucht werden. Wegen stark fragmentierter DNA konzentriert man sich auf kurze, besonders variable Bereiche: STRs (Short Tandem Repeats) und zunehmend SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms). Mitochondriale DNA ist dafür oft günstig, denn eine Zelle besitzt etwa 1000 mitochondriale, aber nur 2 nukleare Kopien. Sie verfolgt jedoch ausschließlich die mütterliche, matrilineare Abstammung, weil Mitochondrien nicht vom Vater weitergegeben werden.

Bei erhaltenen Chromosomen lässt sich genetisches Geschlecht bestimmen. Der Nachweis von Y-Chromosom-DNA, etwa aus der SRY-Region, belegt männliches Geschlecht eindeutig. Ihr Fehlen beweist dagegen kein weibliches Geschlecht, da Y-DNA auch nicht erhalten sein kann. Das hilft besonders bei jungen menschlichen Skeletten oder unspezifischen Skelettmerkmalen.

Identifizierung, Krankheiten und Menschheitsgeschichte

Zur Identifizierung historischer Personen wird aDNA aus Knochen, Haaren, Kleidung oder anderen Proben gewonnen. Bestimmt werden vor allem mt-Haplogruppe und bei Männern Y-Haplotyp; diese Werte werden mit möglichst authentischer DNA mutmaßlicher lebender Verwandter verglichen. Auch ein genetischer Fingerabdruck kann mit gesicherten Bestattungen eng Verwandter verglichen werden. DNA aus persönlichen Gegenständen ist möglich, ihre Authentizität kann aber die Beweisführung erschweren. Eine signifikante Übereinstimmung gilt als Identifizierung.

In der Paläopathologie wird seit etwa Mitte der 1990er-Jahre versucht, Erreger von Infektionskrankheiten in menschlichen Überresten nachzuweisen. Das kann ausgestorbene Bakterienstämme erfassen, historische Krankheitsverläufe mit heutigen Erkenntnissen vergleichen und künftig zur historischen Epidemiologie beitragen.

Vollständig rekonstruierte menschliche Genome sind nach Stand 2021 bis zu etwa 45.000 Jahre alt. Sie informieren über Migrationen, genetische Geschichte und Kreuzungen archaischer mit modernen Menschen, etwa zwischen den ersten europäischen modernen Menschen und Neandertalern.

Grenzen der Aussagekraft

aDNA-Nachweise gelten als problematisch, weil sie sich häufig nicht reproduzieren ließen. Besonders kritisch ist Kontamination durch fremde rezente DNA, auch durch DNA der Untersuchenden. Ein Review von 2004 berichtete beispielsweise, dass aus einem alten Bärenzahn reproduzierbar menschliche DNA nachgewiesen wurde, und forderte besondere Vorsichtsmaßnahmen.

DNA zerfällt mit der Zeit in kurze Ketten. Wärme, Feuchtigkeit sowie saure und basische pH-Werte fördern die Schäden. Dennoch können Fragmente mit weniger als 200 Basenpaaren verwertbar sein; das menschliche Genom umfasst theoretisch 3×10^9 Basenpaare. Morten Allentoft und ein internationales Team nannten 5,5 DNA-Brüche pro 1 Million Molekülen pro Jahr. Bei −5 °C beträgt die Halbwertszeit kleiner DNA-Stücke im Knochen 158.000 Jahre; bei höheren Temperaturen ist sie kürzer. Das Team hielt intakte Fragmente aus 80 bis 85 Millionen Jahre alten Knochen für extrem unwahrscheinlich, während andere Forschende Erhaltungsmöglichkeiten sehr alter aDNA betonen. Die gemessene Aktivierungsenergie des DNA-Zerfalls beträgt 155 kJ/mol.

Postmortal, also nach dem Tod, kann Cytosin zu Uracil verändert werden. Zudem können chemisch veränderte „Hot Spots“ Pseudo-Mutationen erzeugen. PCR ist so empfindlich, dass statt alter Ziel-DNA oft Bodenbakterien-DNA oder moderne menschliche DNA verstärkt wird. Inhibitoren aus dem Boden können das PCR-Enzym blockieren; Bovines Serumalbumin kann Eisen, einen häufigen Inhibitor, binden. Verdünnen hilft bei Inhibition, senkt aber zugleich die DNA-Konzentration. Sichtbar gut erhaltene Organismen enthalten nicht unbedingt brauchbare aDNA: Moorleichen liefern wegen ihres sauren Milieus selten verwertbare DNA, und auch Trockenmumien enthalten oft nur geringe Spuren.

Beispiele aus Erregern, Pflanzen und Tieren

aDNA belegt nicht nur positive Befunde, sondern auch wissenschaftlich wichtige Misserfolge. Veröffentlichungen zu DNA, Proteinen oder lebensfähigen Organismen aus Bernstein-Inklusen wurden kontrovers diskutiert; die Vorstellung einer Wiederzucht ausgestorbener Arten aus Bernstein prägte Film und Roman „Jurassic Park“.

Aus Gewebe von Opfern der Spanischen Grippe von 1918/19 wurde RNA des Influenza-A-Virus H1N1 gewonnen. Aus rund 700 Jahre altem Karibu-Kot wurde das DNA-Virus aCFV isoliert und in Zellen der Tabakpflanze Nicotiana benthamiana reaktiviert. Bei Krankheitserregern wurde 2011 das Genom eines Yersinia-pestis-Stamms aus dem „Schwarzen Tod“ in England von 1348 bis 1350 beschrieben; damit wurde die mittelalterliche Pest mit dem heutigen Erreger verbunden. Genome von Mycobacterium tuberculosis aus drei jeweils tausend Jahre alten präkolumbischen Skeletten belegten 2014 seine Verbreitung in Südamerika vor dem Eintreffen der Europäer.

Bei Pflanzen erlaubten bis zu 4700 Jahre alte Maisproben Rückschlüsse auf unterschiedliche Wildpopulationen als Ursprung heutigen Maises. Teile des Genoms von etwa 3300 Jahre altem Einkorn wurden identifiziert; Herbarproben ermöglichten die Untersuchung des Kartoffelmehltau-Erregers seit 1845.

Tierbeispiele zeigen, wie aDNA Verwandtschaften korrigieren kann: Das Quagga wurde nach den ersten 1984 gewonnenen Nukleotidsequenzen als Unterart des Steppenzebras eingeordnet. Beim Wollhaarmammut zeigten spätere Analysen eine nähere Beziehung zum Asiatischen als zum Afrikanischen Elefanten; die beiden Linien trennten sich vor rund 6,7 Millionen Jahren. DNA aus einem sibirischen Steppenmammut-Backenzahn ist mit rund 1,2 Millionen Jahren nach Stand Februar 2021 der älteste DNA-Beleg dieser Art. Der ursprünglich als Wolfsverwandter geltende dire wolf wurde 2021 aufgrund paläogenetischer Befunde in die Gattung Aenocyon verschoben.

Beispiele beim Menschen

Teile der Neandertaler-DNA wurden 1997 erstmals in der Arbeitsgruppe von Svante Pääbo sequenziert. 2008 lag die vollständige mitochondriale DNA vor, 2010 waren mehr als drei Milliarden Basenpaare beziehungsweise 60 Prozent der DNA analysiert. Auch die DNA der Denisova-Menschen wurde in dieser Arbeitsgruppe weitgehend rekonstruiert.

Das bislang älteste größtenteils sequenzierte menschliche Genom stammt aus dem Oberschenkelknochen eines Mannes einer ausgestorbenen westsibirischen Population und ist etwa 43.000 bis 47.000 Jahre alt. Pääbo veröffentlichte 1985 erstmals alte DNA aus ägyptischen Mumien, wies später aber auf eine mögliche moderne Kontamination seiner damaligen Proben hin.

Bei Gustav Adolf II., der 1632 in der Schlacht bei Lützen fiel, enthielten Blutreste auf erhaltenen Kleidungsstücken genügend alte DNA für einen Vergleich mit Nachfahren des schwedischen Herrscherhauses; die Echtheit wurde bestätigt. Bei Martin Bormann ergab die Übereinstimmung mitochondrialer Muster eines Skeletts mit einer lebenden Cousine eine verwandtschaftliche Beziehung in mütterlicher Linie und machte seine Identifizierung wahrscheinlich. Die Untersuchung war wegen eines Alters von unter 75 Jahren definitionsgemäß noch keine aDNA-Analyse.