Aus einem paläolithischen Anhänger geborgene alte menschliche DNA

Nature Band 618, Seiten 328–332 (2023)Diesen Artikel zitieren

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Artefakte aus Steinen, Knochen und Zähnen sind von grundlegender Bedeutung für unser Verständnis menschlicher Lebensstrategien, Verhaltensweisen und Kultur im Pleistozän. Obwohl diese Ressourcen reichlich vorhanden sind, ist es unmöglich, Artefakte bestimmten menschlichen Individuen1 zuzuordnen, die morphologisch oder genetisch charakterisiert werden können, es sei denn, sie werden in Bestattungen gefunden, die in dieser Zeit selten sind. Daher ist unsere Fähigkeit, die gesellschaftlichen Rollen pleistozäner Individuen anhand ihres biologischen Geschlechts oder ihrer genetischen Abstammung zu erkennen, begrenzt2,3,4,5. Hier berichten wir über die Entwicklung einer zerstörungsfreien Methode zur schrittweisen Freisetzung von DNA, die in alten Knochen- und Zahnartefakten eingeschlossen ist. Die Anwendung der Methode auf einen Hirschzahnanhänger aus dem Jungpaläolithikum aus der Denisova-Höhle in Russland führte zur Wiederherstellung alter mitochondrialer Genome von Menschen und Hirschen, was es uns ermöglichte, das Alter des Anhängers auf etwa 19.000–25.000 Jahre zu schätzen. Die nukleare DNA-Analyse identifiziert den mutmaßlichen Hersteller oder Träger des Anhängers als ein weibliches Individuum mit starker genetischer Verwandtschaft zu einer Gruppe altnord-eurasischer Individuen, die etwa zur gleichen Zeit lebten, aber zuvor nur weiter östlich in Sibirien gefunden wurden. Unsere Arbeit definiert neu, wie kulturelle und genetische Aufzeichnungen in der prähistorischen Archäologie verknüpft werden können.

Paläolithische Ansammlungen enthalten typischerweise eine Vielzahl von Objekten, deren Alter sich um Hunderte oder Tausende von Jahren unterscheiden kann, selbst wenn sie in unmittelbarer Nähe gefunden werden1. Daher kann es schwierig sein, menschliche Überreste bestimmten Objekten zuzuordnen. Jüngste Fortschritte bei der Gewinnung menschlicher DNA aus Sedimenten6,7,8 können genutzt werden, um Artefakte mit genetischen Populationen zu verknüpfen. Eine genaue Identifizierung der spezifischen Hersteller oder Benutzer dieser Objekte würde jedoch die Gewinnung menschlicher DNA direkt aus den Objekten selbst erfordern, analog zu modernen forensischen Untersuchungen. Theoretisch sind solche Analysen für Artefakte aus Tierknochen oder Zähnen am erfolgversprechendsten, nicht nur weil sie porös sind und dadurch das Eindringen von Körperflüssigkeiten (zum Beispiel Schweiß, Blut oder Speichel) begünstigen, sondern auch weil sie Hydroxylapatit enthalten, das Es ist bekannt, dass es DNA adsorbiert und deren Abbau durch Hydrolyse und Nukleaseaktivität reduziert9,10. Alte Knochen und Zähne können daher nicht nur als Falle für DNA fungieren, die innerhalb eines Organismus während seines Lebens und der anschließenden Zersetzung freigesetzt wird, sondern auch für exogene DNA, die postmortal durch mikrobielle Besiedlung11 oder Handhabung durch Menschen in die Matrix gelangt. Allerdings erfordert die DNA-Extraktion aus altem Skelettmaterial entweder eine destruktive Probenahme oder es besteht die Gefahr einer Veränderung der Proben, wenn sie direkt in Extraktionspuffer eingetaucht werden12,13. Die Konservierung ist ein vorrangiges Anliegen, da an pleistozänen Fundstellen nur wenige Knochen- und Zahnartefakte vorhanden sind, insbesondere an Anhängern und anderen Schmuckstücken, die häufig berührt oder in engem Körperkontakt getragen wurden. Wir haben uns daher vorgenommen, eine Methode zur DNA-Isolierung aus Knochen und Zähnen zu entwickeln, die die Integrität des Materials, einschließlich der Oberflächenmikrotopographie, bewahrt, und die Möglichkeit der DNA-Gewinnung aus Knochen- und Zahnartefakten zu untersuchen.

Um Reagenzien zu identifizieren, die mit der zerstörungsfreien DNA-Extraktion kompatibel sind, haben wir zehn unveränderte Tierreste aus den paläolithischen Stätten Quinçay und Les Cottés in Frankreich ausgewählt (erweiterte Datentabelle 1 und ergänzende Informationen 1), die in Größe und Form dem typischerweise verwendeten Material ähnelten zur Herstellung von Knochenartefakten und tauchte sie in mehrere Reagenzien ein, die zuvor bei der Extraktion antiker DNA verwendet wurden, sowie in Wasser zum Vergleich. Dazu gehörten (1) ein Guanidiniumthiocyanat-haltiges Reagenz, das zuvor für die zerstörungsfreie DNA-Extraktion vorgeschlagen wurde12, (2) eine Ethylendiamintetraacetat (EDTA)-Lösung, ein Entkalker, der häufig bei der antiken DNA-Extraktion verwendet wird14,15,16, (3) ein Natrium Hypochloritlösung (Bleichmittel), bei der es sich um ein oxidierendes Reagenz handelt, das zur Entfernung von oberflächenexponierter verunreinigter DNA11,17 verwendet wird, und (4) ein mit Detergens ergänzter Natriumphosphatpuffer11, der kürzlich gezeigt hat, dass er eine temperaturgesteuerte DNA-Freisetzung aus pulverisierten Knochenproben ermöglicht18 .

Die Kartierung der Mikrotopographie mittels quantitativer 3D-Oberflächentexturanalyse19,20 vor und nach den Behandlungen ergab erhebliche Oberflächenveränderungen auf allen Objekten, die entweder dem Guanidiniumthiocyanat-Reagenz oder EDTA ausgesetzt waren (Erweiterte Daten, Abb. 1 und Zusatzinformationen 2). Im Gegensatz dazu wurden bei den anderen Reagenzien, einschließlich Natriumphosphatpuffer (Abb. 1b), nur sporadische und kleinere Veränderungen festgestellt, die möglicherweise auf die Entfernung von Sedimentspuren und anderen kleinen Partikeln zurückzuführen sind, was durch sichtbare Farbveränderungen einiger dieser Reagenzien angezeigt wird Objekte (Extended Data Abb. 2). Auf der Grundlage dieser Ergebnisse haben wir eine zerstörungsfreie DNA-Isolierungsmethode für die schrittweise Freisetzung von DNA aus der Knochen- oder Zahnmatrix mithilfe serieller Inkubationen in Natriumphosphatpuffer bei 21, 37, 60 und 90 °C mit jeweils drei Inkubationen entwickelt Temperatur (Abb. 1a).

a, Arbeitsablauf der schrittweisen, zerstörungsfreien DNA-Extraktionsmethode unter Verwendung von Natriumphosphatpuffer bei erhöhten Temperaturen. b, Vier 3D-Oberflächentexturmessungen (1–4), angezeigt auf dem Umriss eines zum Testen verwendeten Zahns (SP6649), vor und nach der zerstörungsfreien DNA-Extraktion, die keine wesentlichen Oberflächenveränderungen zeigen. c, Fotos von DCP1 vor und nach der Reinigung und zerstörungsfreien DNA-Extraktion.

Anschließend wandten wir diese Methode auf 11 Knochenobjekte mit den Bezeichnungen Q10 bis Q19 sowie Q27 an, die vor mehreren Jahrzehnten in den Châtelperronium-Schichten der Quinçay-Höhle in Frankreich ausgegraben wurden und möglicherweise vor etwa 35.000 bis 45.000 Jahren als Werkzeuge verwendet wurden ( ka)21 (Extended Data Table 1 und Extended Data Abb. 3). Wir haben einzelsträngige DNA-Bibliotheken22,23 aus der ersten DNA-Fraktion hergestellt, die bei jeder Temperatur gewonnen wurde, und die Bibliotheken mit mitochondrialer (mt) DNA von Säugetieren angereichert24. Eine metagenomische Pipeline zur Zuordnung sequenzierter mtDNA-Fragmente zu Säugetiertaxa auf der Ebene der biologischen Familie6 identifizierte 1.628 Cervid-mtDNA-Fragmente in den 60 °C- und 90 °C-Fraktionen von Objekt Q10, einem Rentierknochen (109 bzw. 1.519 Fragmente; Abb. 2 und Ergänzende Daten 1). Diese Fragmente zeigten eine erhöhte Häufigkeit von Cytosin (C)-zu-Thymin (T)-Substitutionen an ihren Enden, was mit der Desaminierung von Cytosinresten in alter DNA übereinstimmt6,25 (Ergänzende Daten 1). Ein weiteres Objekt, Q15, das aus Elfenbein bestand, ergab 2.004 Elefanten-mtDNA-Sequenzen mit erhöhter Häufigkeit von C-zu-T-Substitutionen in den Fraktionen 37 °C, 60 °C und 90 °C (248, 325 bzw. 1.431 Fragmente). . Darüber hinaus identifizierten wir hominide und suidische mtDNA-Fragmente ohne Hinweise auf Schäden an alten DNA-Basen in jeder DNA-Fraktion der 11 Objekte, die also auf eine Kontamination mit menschlicher und Schweine-DNA nach der Ausgrabung zurückzuführen waren. Die Kontamination menschlicher DNA war besonders schwerwiegend und machte zwischen 70,9 % und 98,3 % der identifizierten mtDNA-Fragmente aus (insgesamt zwischen 293 und 92.949 Fragmente; durchschnittlich 17.627), wodurch möglicherweise Spuren alter menschlicher oder anderer Säugetier-DNA verdeckt wurden.

DNA-Fraktionen werden mit S (anhaftendes Sediment), P (bei der Wasserwäsche gewonnenes Sedimentpellet) und 21, 37, 60 und 90 (drei Inkubationen in Phosphatpuffer bei den angegebenen Temperaturen in °C) bezeichnet. Geringe Effizienz bei der Bibliotheksvorbereitung weist auf eine verringerte DNA-Wiedergewinnung aufgrund der Co-Extraktion hemmender Substanzen hin. Die Zuordnung zu „alten“ und „anderen“ Taxa wurde für jede Familie unabhängig auf der Grundlage der Bedeutung der Hinweise auf eine Cytosin-Desaminierung durchgeführt. Das Diagramm unten rechts zeigt die Anzahl der desaminierten Hominin-mtDNA-Fragmente, die in jeder Fraktion nach der Hominin-spezifischen mtDNA-Erfassung gewonnen wurden (nur positive Fraktionen). Bov, Bovidae; Can, Canidae; Cer, Cervidae; Ele, Elephantidae; Equ, Equiden; Fel, Felidae; Hom, Hominidae; Hya, Hyaenidae; Andere, andere; Mur, Muridae; Mus, Mustelidae; Rhi, Rhinocerotidae; Spa, Spalacidae; Sui, Suidae; Urs, Ursidae.

Da die Kontamination heutiger menschlicher DNA auf Oberflächen von Objekten, die während und nach der Ausgrabung mit bloßen Händen gehandhabt wurden, allgegenwärtig zu sein schien, sammelten wir Artefakte aus laufenden Ausgrabungen an zwei paläolithischen Stätten und trugen Handschuhe und Gesichtsmasken, sobald sie teilweise freigelegt wurden, um dies zu verhindern Kontamination. In der Bacho-Kiro-Höhle in Bulgarien haben wir drei Zahnanhänger aus dem Jungpaläolithikum (im Folgenden „BKP1–BKP3“) aus den Schichten I, H/I und I/J von Nische 1 geborgen (Erweiterte Daten, Abb. 3). In der Denisova-Höhle wurde ein Zahnanhänger („DCP1“) aus Schicht 11 der Südkammer geborgen (Abb. 1c und erweiterte Daten Abb. 4).

Größere Sedimentklumpen, die an den Artefakten hafteten, wurden manuell entfernt und die Artefakte anschließend durch drei aufeinanderfolgende Wasserwäschen gereinigt. Anschließend wurde aus den Sedimentklumpen DNA extrahiert, das Wasser zum Waschen verwendet und die Sedimentpartikel in diesem Verfahren („Sedimentpellets“) sowie direkt aus den Artefakten mit der oben beschriebenen zerstörungsfreien Methode gesammelt. In allen analysierten Fraktionen wurde mtDNA alter Säugetiere nachgewiesen, mit Ausnahme einiger der Wasserwaschungen und der zugehörigen Sedimentpellets (Abb. 2). Die Trajektorien der aus den vier Artefakten freigesetzten DNA waren insofern ähnlich, als die höchste Ausbeute an Säugetier-mtDNA bei 90 °C bei der phosphatbasierten DNA-Extraktion erzielt wurde (bis zu 734, 6.614, 456 und 77.910 mtDNA-Fragmente für BKP1, BKP2, BKP3). bzw. DCP1; Ergänzende Daten 1). Allerdings war die Effizienz der Bibliotheksvorbereitung für das Material der Bacho-Kiro-Höhle niedrig (weniger als 10 % für viele Fraktionen), vermutlich aufgrund der Co-Extraktion hemmender Substanzen (Abb. 2), was darauf hindeutet, dass mehr DNA freigesetzt wurde, als gewonnen werden konnte sequenziert.

Die bei 37 °C, 60 °C und 90 °C erhaltenen Phosphat-DNA-Fraktionen werden in Übereinstimmung mit ihrer morphologischen Identifizierung von alten Ursiden-mtDNA-Fragmenten für BKP2 und BKP3 und Cerviden-mtDNA-Fragmenten für DCP1 dominiert (erweiterte Datentabelle 1). Für BKP1, das morphologisch unbestimmt ist, werden die Phosphatfraktionen von boviden mtDNA-Fragmenten dominiert. Im Gegensatz zu den Phosphatfraktionen ist die aus dem an den Artefakten haftenden Sediment gewonnene DNA taxonomisch heterogener (Abb. 2). Darüber hinaus wurde aus den frisch ausgegrabenen Artefakten eine wesentlich geringere Anzahl menschlicher mtDNA-Fragmente (zwischen 0 und 2.969 pro Fraktion, durchschnittlich 246; Ergänzende Daten 1) gewonnen als aus dem Quinçay-Material. Ebenso wurden nur sehr wenige suid-mtDNA-Fragmente (15 oder weniger) geborgen, was darauf hindeutet, dass nach der Ausgrabung nur eine geringe Kontamination aufgetreten war. Bemerkenswert ist, dass bei den menschlichen mtDNA-Fragmenten, die in einer der 90 °C-Fraktionen von DCP1 gewonnen wurden, signifikante Signale der Cytosin-Desaminierung beobachtet wurden.

Um die Rückgewinnung menschlicher DNA zu steigern, haben wir alle Bibliotheken erneut mit einem Einfangsondensatz angereichert, der speziell auf menschliche mtDNA abzielt. Für das Material der Bacho-Kiro-Höhle ermöglichte dies den Nachweis kleiner Spuren alter menschlicher DNA in einem Sedimentpellet von BKP3 (29 desaminierte mtDNA-Fragmente), jedoch keiner der anderen Fraktionen. Für DCP1 wurden menschliche mtDNA-Fragmente mit signifikanten Hinweisen auf Schäden an alten DNA-Basen in den ersten beiden Sedimentpellets identifiziert, die aus den Wasserwäschen gewonnen wurden, den ersten 37 °C- und 60 °C-Fraktionen und allen drei 90 °C-Fraktionen (Abb. 2). ). Die größte Anzahl desaminierter menschlicher mtDNA-Fragmente wurde in der zweiten und dritten 90 °C-Fraktion erhalten (971 bzw. 1.096), was darauf hindeutet, dass eine längere Inkubation bei hoher Temperatur die Freisetzung alter menschlicher DNA aus dem Anhänger ermöglichte.

Die Vorbereitung zusätzlicher Bibliotheken aus der zweiten 90 °C-Fraktion von DCP1, der Fraktion mit der niedrigsten Schätzung der heutigen menschlichen Kontamination (0,1 %, 95 %-KI: 0,0–2,8 %), ergab eine 62-fache durchschnittliche Abdeckung der menschlichen mtDNA Genom und eine nahezu vollständige Konsensussequenz (Ergänzende Informationen 5). Diese Sequenz, die mit mtDNA-Sequenzen zusammenfällt, die der Haplogruppe U in einem phylogenetischen Baum zugeordnet sind (Abb. 3a), enthält sieben „diagnostische“ Positionen, die sie von den mtDNA-Sequenzen anderer menschlicher Individuen unterscheiden (erweiterte Datentabelle 2). Von den mtDNA-Fragmenten, die diese Positionen überlappen, stimmen 86,6 % (95 %-KI: 82,2–90,5 %) mit dem Zustand von DCP1 überein (erweiterte Datentabelle 3), was darauf hindeutet, dass die in dieser Fraktion gewonnenen mtDNA-Fragmente überwiegend, aber nicht ausschließlich, von a stammen einzelnes antikes menschliches Individuum, vermutlich der Benutzer oder Hersteller des Anhängers. Die Unterstützung für die DCP1-Konsensussequenz ist in der ersten (77,8 %, 95 %-KI: 40,0–97,2 %) und dritten (82,8 %, 95 %-KI: 78,9–86,2 %) Phosphatfraktion bei 90 °C etwas geringer, was mit dem geringfügigen Anstieg übereinstimmt höhere Schätzungen der heutigen menschlichen Kontamination in diesen Fraktionen (12,8 %, 95 %-KI: 1,0–24,6 % bzw. 6,6 %, 95 %-KI: 4,3–8,9 %). Im Gegensatz dazu ist die Unterstützung für den DCP1-Konsens in der vorangehenden 60-°C-Fraktion gering (37,5 %, 95 %-KI: 8,5–75,5 %), in der 37-°C-Fraktion unbestimmt und in der ersten gering (20,0 %, 95 %-KI). : 5,7–43,7 %) und zweite (9,5 %, 95 % KI: 1,2–30,4 %) Sedimentpellets. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die anfänglichen Wasserwäschen und Inkubationen in Phosphatpuffer bei unter 90 °C hauptsächlich alte menschliche DNA von einem oder mehreren anderen Individuen freisetzten, die in kleineren Mengen im umgebenden Sediment vorhanden waren oder direkt an der Oberfläche von DCP1 adsorbiert waren.

a, Die Position von DCP1 in einem Bayes'schen Baum, der aus modernen31,32 und alten33 menschlichen mtDNA-Sequenzen rekonstruiert wurde (siehe Ergänzende Informationen 5 für den vollständigen Baum). Knoten sind mit den entsprechenden Posterior-Wahrscheinlichkeiten beschriftet und die X-Achse stellt Jahre ab der Gegenwart dar. Identifizierte Haplogruppen werden durch die Balken auf der rechten Seite dargestellt. rCRS, überarbeitete Cambridge-Referenzsequenz. b, X-Autosomen-Verhältnis in DCP1 (unter Verwendung aller und nur desaminierter Moleküle) im Vergleich zu Daten von sechs anderen alten Hominin-Individuen34,35. Kreise entsprechen den berechneten Werten der Verhältnisse für die Anzahl von X- zu (X + autosomalen) Fragmenten für jedes Individuum (n (von Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs)) = 20.526, 3.734, 124.862, 85.901, 34.756, 41.632, 34.677 und 72.992 SNPs für jede Berechnung, wie auf der x-Achse geordnet). Die Fehlerbalken stellen 95 % binomiale KIs der Messung bei jedem Individuum dar. c, Hauptkomponentenanalyse (PC) nicht-afrikanischer moderner menschlicher Genome36 (grau) mit darüber projizierten alten menschlichen Genomen (farbig). DCP1 wurde zweimal analysiert, wobei alle Daten im Vergleich zu nur desaminierten Fragmenten verwendet wurden. AG3, Afontova Gora 3; ANA, alte amerikanische Ureinwohner; MA1, Malta 1; Russia_HG, russische Jäger und Sammler; UKY001, Ust Kyakhta; WSHG, westsibirische Jäger und Sammler.

Auf der Grundlage der Zweiglänge der DCP1-Konsensussequenz in einem Baum mit anderen heutigen und alten menschlichen mtDNA-Genomen (Abb. 3a) schätzten wir sein Alter auf 18,5 Tausend Jahre (kyr), mit einer höchsten hinteren Dichte von 95 % Intervall im Bereich von 4,6 bis 31,6 kyr (Ergänzende Informationen 5). Darüber hinaus verwendeten wir Cervid-mtDNA-Sonden, um das vollständige mtDNA-Genom des Zahns, identifiziert als Wapiti (Cervus canadensis), mit 635-facher Abdeckung zu rekonstruieren. Ein Baum mit acht zusätzlichen alten Wapiti-mtDNA-Genomen bekannten Alters, die in dieser Studie generiert wurden (Ergänzungsinformationen 6), schätzt das Alter von DCP1 auf 24,7 Tausend Jahre (höchstes hinteres Dichteintervall von 12,8–39,0 Tausend Jahren). Beide genetischen Alter stimmen miteinander und mit dem jüngeren von zwei Radiokarbondaten überein, die wir aus Holzkohle erhalten haben, die in der Nähe von DCP1 in Schicht 11 entdeckt wurde (OxA-X-3089-11: 24.200–23.830 kalibrierte Jahre vor heute (cal bp) und OxA-X-3089-12: 39.180–37.560 cal bp) mit einer Wahrscheinlichkeit von 95,4 % (Ergänzende Informationen 1). Wir schlagen daher vor, dass die genetische Datierung die Notwendigkeit einer direkten Radiokarbondatierung des Anhängers überflüssig macht, obwohl dies nach zerstörungsfreier DNA-Extraktion technisch weiterhin möglich ist (Ergänzende Informationen 3).

Für die Kern-DNA-Analyse wurde die Hybridisierungserfassung unter Verwendung von Bibliotheken aus der zweiten und dritten 90 °C-Phosphatfraktion durchgeführt, wobei auf Stellen im menschlichen Genom abgezielt wurde, von denen bekannt ist, dass sie bei modernen oder archaischen Menschen polymorph sind und die sich in Regionen mit hoher Sequenzdivergenz zwischen ihnen befinden Menschen und andere Säugetiere8. Für 336.429 dieser Standorte (71,5 % der Zielstandorte) wurden Sequenzinformationen erhalten, wobei die Schätzungen der heutigen Kontamination durch Mensch und Tier jeweils unter 1 % liegen. Vergleiche mit heutigen menschlichen Populationen26 unter Verwendung der ƒ3-Statistik und der D-Statistik27,28 zeigen hohe Affinitäten zu amerikanischen Ureinwohnern (Extended Data Abb. 5). Wenn man es in eine Hauptkomponentenanalyse mit anderen antiken menschlichen Individuen projiziert (Abb. 3c), fällt DCP1 in eine Gruppe von antiken nordeurasischen Individuen aus weiter östlich Sibiriens, zu der die etwa 24.000 Jahre alte Mal'ta 1 und die etwa 17.000 Jahre alte Afontova gehören Gora 3 Personen29,30. Beide Individuen sind DCP1 genetisch näher als nicht-antike nordeurasische Individuen, wenn sie mit der D-Statistik getestet werden (Extended Data Abb. 6b), und alle drei zeigen ähnliche Affinitäten zu alten Sibiriern und amerikanischen Ureinwohnern mit ƒ3-Statistik und D-Statistik (Erweiterte Daten Abb. 6a, c). Darüber hinaus wurden Shotgun-Daten aus einer der Bibliotheken erstellt, um einen Vergleich der Sequenzabdeckung für das X-Chromosom und die Autosomen zu ermöglichen, die mit der menschlichen DNA in der 90 °C-Fraktion kompatibel sind, die überwiegend von einer weiblichen Person stammt (Abb. 3b). und ergänzende Informationen 7).

Zusammenfassend zeigt unsere Arbeit, dass aus Knochen oder Zähnen hergestellte Artefakte eine bisher unerschlossene Quelle alter menschlicher DNA sind, die Einblicke in die Abstammung und das biologische Geschlecht der Personen geben kann, die diese Objekte in der tiefen Vergangenheit gehandhabt, getragen oder getragen haben. Die hier beschriebene zerstörungsfreie DNA-Extraktionsmethode ermöglicht eine schrittweise Freisetzung dieser DNA und ermöglicht so die Unterscheidung von DNA, die während der Herstellung oder Verwendung eines Objekts tief in das Objekt eingedrungen ist, von DNA, die möglicherweise aus dem umgebenden Sediment stammt. Bemerkenswert ist, dass die mit DCP1 erzielte Abdeckungstiefe der Zielstellen im menschlichen Kerngenom der ähnelt, die mit der Hybridisierungserfassung aus gut erhaltenen menschlichen Überresten aus dem Pleistozän erzielt wurde30. Darüber hinaus ermöglichte die Gewinnung sowohl menschlicher als auch tierischer DNA zwei unabhängige genetische Schätzungen seines Alters.

Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um festzustellen, wie oft menschliche DNA aus paläolithischen Knochenartefakten gewonnen werden kann. Da eine Oberflächen-DNA-Kontamination diese Analysen behindern kann, fordern wir Archäologen dringend auf, Protokolle zur Minimierung der Handhabung während und nach der Ausgrabung anzuwenden. Wenn dies geschieht, könnte es möglich werden, genetische und kulturelle Analysen systematisch zu kombinieren, um die Verwendung von pleistozänen Artefakten zu untersuchen und mögliche Aufgabenspezialisierungen durch Personen eines bestimmten biologischen Geschlechts oder einer bestimmten genetischen Abstammung aufzudecken.

Für die Reagenzienprüfung haben wir zehn unveränderte Tierreste aus den Lagerstätten des späten Mittelpaläolithikums und frühen Jungpaläolithikums der französischen Standorte Quinçay (sieben) und Les Cottés (drei) gesammelt, die in Größe und Form dem für die Artefaktproduktion verwendeten Material ähneln (Erweitert). Datentabelle 1 und erweiterte Daten Abb. 2). Das geschätzte Alter dieser Exemplare liegt zwischen 55 und 35.000 Jahren21,37,38. Anschließend wurde eine zerstörungsfreie DNA-Extraktion auf 15 in der Quinçay-Höhle ausgegrabene Knochenproben angewendet, die alle aus Schichten stammen, die dem Châtelperron-Technokomplex zugeschrieben werden und wahrscheinlich auf das Jahr 45–35 ka21,37 datieren, bis hin zu drei Zahnanhängern, die im ersten Oberpaläolithikum (45–43) ausgegraben wurden ka)39 Schichten im Nischenbereich 1 der Bacho-Kiro-Höhle40,41, sowie auf einem Zahnanhänger, der 2019 in Schicht 11 (39–24 ka), Quadrat E-3, der Südkammer der Denisova-Höhle (erweitert) ausgegraben wurde Datentabelle 1 und erweiterte Daten Abb. 3). Proben aus Bacho Kiro und der Denisova-Höhle wurden ausgegraben und mit sterilen Handschuhen gehandhabt. Außerdem wurden zusätzliche Vorsichtsmaßnahmen getroffen, um die Einführung moderner DNA-Kontaminationen zu minimieren. Weitere Informationen zu den Proben und dem archäologischen Kontext, in dem sie geborgen wurden, finden Sie in den Zusatzinformationen 1.

Wir haben vier Reagenzien auf ihre potenzielle Verwendung in der zerstörungsfreien DNA-Extraktion untersucht, indem wir sie jeweils auf zwei pleistozäne Proben aufgetragen haben, die mit denen vergleichbar sind, die normalerweise in Knochen- oder Zahnwerkzeuge und -ornamente umgewandelt werden, wobei wir vorzugsweise ein Knochen- und ein Zahnfragment für jedes Reagenz ausgewählt haben (erweiterte Datentabelle). 1). Da keines der Objekte vollkommen sauber war und Sedimentmikropartikel bei Kontakt mit Flüssigkeiten freigesetzt werden können, haben wir auch Behandlungen mit Wasser durchgeführt, um Basismessungen von Veränderungen in der Mikrotopographie zu erhalten, die unabhängig von der chemischen Zusammensetzung der Reagenzien sind. Die Reagenzien und Inkubationsbedingungen waren wie folgt:

Gemäß einem Protokoll42, das die zerstörungsfreie DNA-Extraktionsmethode für Museumsproben von Rohland et al. näher beschreibt. (2004)12 wurden die Proben vollständig in 10–15 ml Guanidiniumthiocyanatpuffer (5 M Guanidiniumisothiocyanat, 50 mM Tris-HCl, pH 8,0, 25 mM NaCl, 1,3 % Triton X-100, 20 mM EDTA, pH 8,0) eingetaucht. und 50 mM DTT) und 5 Tage im Dunkeln inkubiert.

Die Inkubation in EDTA, ergänzt mit einem Detergens (0,45 M EDTA, pH 8,0 und 0,05 % Tween-20), wurde 15 Minuten lang bei Raumtemperatur durchgeführt. EDTA wird häufig in Protokollen zur Knochenextraktion als Entkalkungsmittel zur Auflösung von Hydroxylapatit, dem Hauptmineralbestandteil von Knochen, verwendet14,15,16. Es wird daher erwartet, dass es schwerwiegende Veränderungen am Probenmaterial verursacht, und es wurde einbezogen, um die Auswirkung solcher Veränderungen auf die Messungen der quantitativen 3D-Oberflächentexturanalyse (3DST) zu demonstrieren.

Zwei Proben wurden 15 Minuten lang in 0,5 %ige Natriumhypochloritlösung (Bleichmittel) getaucht, ein Reagenz, das zuvor zur Dekontamination antiker Skelettreste verwendet wurde11,17. Die Bleichbehandlung zerstört oberflächengebundene DNA und ist nicht für die DNA-Extraktion geeignet. Es kann jedoch in späteren Implementierungen der Methode verwendet werden, um kontaminierende DNA vor der zerstörungsfreien DNA-Extraktion zu entfernen.

Die temperaturkontrollierte Freisetzung von DNA wurde nach einer modifizierten Version der Methode von Essel et al. durchgeführt. (2021)18 durch Eintauchen der Proben in Natriumphosphatpuffer (0,5 M Natriumphosphat, pH 7,0 und 0,1 % Tween-20). Reiheninkubationen wurden bei 21 (Raumtemperatur), 37, 60 und 90 °C durchgeführt, jeweils mit Inkubationszeiten von 30 Minuten, also insgesamt drei Inkubationen pro Temperatur.

Alle Behandlungen wurden in 50-ml-Falcon-Röhrchen ohne Rühren durchgeführt, um mechanische Schäden an der Probe zu vermeiden. Die Reagenzienvolumina wurden für jede Probe individuell ausgewählt (im Bereich von 5 ml bis 17,5 ml), um ein vollständiges Eintauchen sicherzustellen. Inkubationen über Raumtemperatur wurden in einem Heiz-ThermoMixer MHR 11 (Hettich Benelux) durchgeführt, der mit Einsätzen für 50-ml-Falcon-Röhrchen ausgestattet war. Für die 90 °C-Inkubation in Phosphatpuffer wurde die Temperatur des Geräts auf 99 °C eingestellt, um sicherzustellen, dass am Ende der Inkubationszeit im Röhrchen 90 °C erreicht wurden. Nach den Behandlungen wurden alle Proben in frische 50-ml-Falcon-Röhrchen gegeben und 1 Stunde lang bei Raumtemperatur in Wasser inkubiert, um restliche Reagenzien zu entfernen. Die Proben wurden 5 Tage lang bei Raumtemperatur getrocknet, bevor sie in ihre Lagerbehälter zurückgebracht wurden.

Veränderungen in der Mikrotopographie der Knochen- oder Zahnobjekte wurden mithilfe von quantitativem 3DST19 vor und nach der Extraktion gemäß etablierter Protokolle verfolgt19,43. Vermaschte axiomatische 3D-Modelle wurden generiert und die folgenden ISO 25178-Parameter wurden für statistische Tests verwendet (gepaarter Student-T-Test, vor und nach der Behandlung, α ≤ 0,01): mittlere Rauheit (Sa), Hohlraumvolumen (Vvv), Spitzenkrümmung ( Spc) und Peakdichte (Spd). Weitere Einzelheiten zu den 3DST-Messungen finden Sie in der Zusatzinformation 2.

Darüber hinaus untersuchten wir die Kompatibilität der zerstörungsfreien DNA-Extraktion auf Phosphatbasis mit der anschließenden 14C-Datierung (Ergänzende Informationen 3).

Da Natriumphosphatpuffer bei 3DST-Messungen keine wesentlichen Veränderungen an alten Knochen und Zähnen verursachte, haben wir eine zuvor beschriebene Methode zur temperaturgesteuerten schrittweisen DNA-Freisetzung aus Knochen- und Zahnpulver modifiziert und dieses Reagenz18 für die zerstörungsfreie DNA-Extraktion aus vollständigen Knochen und Zähnen verwendet . Die schrittweise Extraktion von DNA ermöglicht es, die Freisetzung verschiedener DNA-Komponenten während des Extraktionsprozesses (endogene DNA, Umwelt-DNA aus dem umgebenden Sediment, alte menschliche DNA und aktuelle Kontamination) genau zu überwachen und möglicherweise Rückschlüsse darauf zu ziehen, ob dies der Fall ist Bestandteile stammen aus Sedimentspuren, die möglicherweise noch am Objekt haften, sei es an der Oberfläche oder im Inneren. Anschließend haben wir dieses Protokoll auf insgesamt 15 Exemplare aus Quinçay, der Bacho-Kiro-Höhle und der Denisova-Höhle angewendet. Die temperaturkontrollierte zerstörungsfreie DNA-Extraktion wurde in einem alten DNA-Reinraum am Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig, Deutschland, gemäß den folgenden vier Schritten durchgeführt (siehe Abb. 1a für eine schematische Übersicht):

Dieser Schritt wurde nur für das frisch ausgehobene Material durchgeführt. Zunächst wurden an der Probe anhaftende Sedimentklumpen vorsichtig von Hand mit einem flexiblen Einweg-Mikrospatel aus Kunststoff entfernt. Die Probe wurde dann in ein 50-ml-Falcon-Röhrchen gegeben, durch Eingießen von 20 ml bis 50 ml Wasser in das Röhrchen gespült und in ein frisches Falcon-Röhrchen überführt. Dieser Vorgang wurde zwei- bis dreimal wiederholt, bis kein Sediment mehr ins Wasser gelangte. Die Röhrchen mit Wasser, das das abgewaschene Sediment enthielt, wurden dann 5 Minuten lang bei 16.400 g zentrifugiert, um das Sediment zu pelletieren, und die klaren Überstände wurden in frische Röhrchen überführt. Alle drei bei diesem Verfahren gesammelten Materialtypen (das manuell entfernte Sediment, das durch Zentrifugation gesammelte Sedimentpellet und das klare Wasser) wurden anschließend einer DNA-Reinigung unterzogen (siehe unten).

Jede gereinigte Probe wurde in ein 50-ml-Falcon-Röhrchen gegeben, dem Natriumphosphatpuffer (0,5 M Natriumphosphat, pH 7,0 und 0,1 % Tween-20) zugesetzt wurde, bis die Probe vollständig in das Reagenz eingetaucht war (zwischen 5 und 50 ml). ml). Nach 30-minütiger Inkubation bei Raumtemperatur (ohne Rühren) wurde der Puffer in ein frisches 50-ml-Falcon-Röhrchen überführt. Dieser Schritt wurde zweimal bei Raumtemperatur (21 °C, insgesamt drei Inkubationen) und dann jeweils dreimal bei 37 °C, 60 °C und 90 °C wiederholt (Einzelheiten zum verwendeten Gerät und den verwendeten Temperatureinstellungen siehe oben). . Eine abschließende Inkubation in Wasser wurde bei Raumtemperatur durchgeführt, um restliches Reagenz zu entfernen, und die Proben wurden 5 Tage lang bei Raumtemperatur getrocknet.

Um die anschließende DNA-Reinigung zu erleichtern, wurde die Hälfte der Volumina der in den Schritten (1) und (2) erzeugten Wasser- und Phosphatpuffer-DNA-Fraktionen auf 50 µl bis 75 µl reduziert, indem die DNA mithilfe von Amicon Ultra-4-Zentrifugalfiltereinheiten konzentriert wurde Ultracel-3-Membranen (Millipore). Hierzu wurden bis zu 4 ml bzw. 15 ml der jeweiligen Probe in eine Filtereinheit gegeben und diese 90 min lang bei 4.000 g in einer Zentrifuge mit aktiver Kühlung bei 21 °C zentrifugiert. In Fällen, in denen das Probenvolumen 4 ml oder 15 ml überstieg, wurde der Durchfluss verworfen und die Filtereinheit mit der restlichen Probe neu beladen. Abschließend wurde ein Pufferaustausch durchgeführt, indem 4 ml oder 15 ml TE-Puffer (10 mM Tris-HCl, pH 8,0 und 1 mM EDTA) zu der konzentrierten Probe oben auf der Filtereinheit hinzugefügt und 30 Minuten lang bei 4.000 g zentrifugiert wurden. Der Überstand wurde mit TE-Puffer (10 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA, pH 8,0) auf 300 µl aufgefüllt und dann in ein frisches 1,5-ml-Eppendorf-Low-Bind-Röhrchen überführt und bis zur weiteren Verarbeitung bei −20 °C gelagert.

Die DNA wurde aus den konzentrierten DNA-Fraktionen, die in Schritt (3) hergestellt wurden, mithilfe einer säulenbasierten Methode zur Extraktion alter DNA auf Kieselsäurebasis isoliert, die an anderer Stelle beschrieben wird44. Hierzu wurden 300 µl konzentrierte DNA als Input für die DNA-Reinigung unter Verwendung des Bindungspuffers „D“ verwendet und die gereinigte DNA wurde in 50 µl Elutionspuffer gewonnen. Die DNA-Extraktion aus den Sedimentproben, die manuell oder durch Waschen mit Wasser (Sedimentpellets) aus den Artefakten entnommen wurden, wurde mit der gleichen Methode, aber unterschiedlichen Eingabevolumina durchgeführt. Kurz gesagt wurden Lysate hergestellt, indem bis zu 130 mg Sediment in ein 2-ml-Low-Bind-Eppendorf-Röhrchen überführt und bis zu 2 ml Lysepuffer (0,45 M EDTA, pH 8,0, 0,05 % Tween-20 und 0,25 mg ml-1) hinzugefügt wurden Proteinase K) (1 ml für Proben von weniger als 100 mg oder 0,5 ml für Proben von weniger als 25 mg) und Inkubieren über Nacht bei 37 °C unter Rotation. Die DNA-Reinigung wurde mit 500 µl oder 1.000 µl Lysat durchgeführt.

Negativkontrollen, die Natriumphosphatpuffer oder Lysepuffer ohne Probenmaterial enthielten, wurden zusammen mit den Proben durch alle Schritte der anschließenden Probenvorbereitung und Sequenzierung geführt. Für eine Untergruppe von Proben wurde DNA nur aus der ersten Phosphatpufferfraktion extrahiert, die bei jeder der vier Inkubationstemperaturen produziert wurde. Ergänzende Daten 1 bieten einen Überblick über die in dieser Studie generierten DNA-Extrakte.

Von dem Extrakt wurden dann 10 µl unter Verwendung des von Gansauge et al. beschriebenen automatisierten Protokolls in einzelsträngige DNA-Bibliotheken umgewandelt. (2020)23. Die Anzahl der erhaltenen einzigartigen Bibliotheksmoleküle und die Effizienz der Bibliotheksvorbereitung wurden mithilfe von zwei quantitativen PCR-Assays45 bestimmt. Anschließend wurden die Bibliotheken durch PCR46 amplifiziert und doppelt indiziert. Aus jeder DNA-Fraktion wurde eine Bibliothek hergestellt, mit Ausnahme der zweiten und dritten 90 °C-Phosphatfraktion aus DCP1, aus denen jeweils fünf Bibliotheken hergestellt wurden, um die Ausbeute an Sequenzdaten zu maximieren. Bei jedem Extraktions- und Bibliotheksvorbereitungssatz wurden Negativkontrollen mitgeführt, die kein Probenmaterial enthielten. Beachten Sie, dass es erhebliche Unterschiede in der Effizienz der Bibliotheksvorbereitung zwischen den Proben gab (Abb. 2 und ergänzende Daten 1), die von durchschnittlich 21,8 % für die Phosphat-DNA-Fraktionen aus Bacho-Kiro-Höhlenproben bis zu 60,8 % für DCP1 und 62,0 % für Quinçay reichten Exemplare.

Um die taxonomische Zusammensetzung der aus den Artefakten gewonnenen DNA zu bestimmen, wurden Bibliotheken, die aus fast allen in dieser Studie generierten Extrakten (alle Proben und Kontrollen mit Ausnahme der zweiten und dritten Phosphatfraktion von BKP3) erstellt wurden, durch Hybridisierungseinfang mit Säugetier-mtDNA angereichert mit einem Sondensatz („AA75“), der die mtDNA-Genome von 242 Säugetierarten umfasst24. In Fällen, in denen mehrere Bibliotheken aus denselben DNA-Extrakten (d. h. den 90 °C-Phosphatfraktionen von DCP1) hergestellt wurden, wurde nur die erste Bibliothek mit Säugetier-mtDNA angereichert. Darüber hinaus wurden alle Bibliotheken mithilfe eines Sondensatzes („AA163“) speziell für Hominin-mtDNA angereichert, der in 1-bp-Kachelung basierend auf der überarbeiteten Cambridge-Referenzsequenz des menschlichen mitochondrialen Genoms32 entworfen wurde. Beide Arten der mtDNA-Erfassung wurden mithilfe von zwei aufeinanderfolgenden Runden der automatischen Erfassung durchgeführt, wie in Slon et al. beschrieben. (2017)6 oder Zavala et al. (2022)47. Eine Übersicht über die durchgeführten Einfangreaktionen finden Sie in den Zusatzdaten 1.

Zusätzlich zu den mtDNA-Einfangvorgängen wurden 11 Bibliotheken, die aus der ersten, zweiten und dritten 90 °C-Phosphatfraktion von DCP1 hergestellt wurden, durch zwei aufeinanderfolgende Einfangrunden in Lösung mit menschlicher Kern-DNA angereichert48. Diese Anreicherung wurde unter Verwendung einer Teilmenge eines zuvor entworfenen Capture-Sonden-Panels8 mit der Bezeichnung AA204 durchgeführt, das auf zwei Gruppen von SNPs abzielte: (1) 59.232 SNPs, zufällig ausgewählt aus Satz 6 „Hominin-Diagnosestellen“8, die Positionen im Genom darstellen, an denen sich Primaten befinden unterscheiden sich von anderen Säugetieren und werden zur Quantifizierung von Fehlausrichtungen der Fauna verwendet; und (2) 411.492 SNPs, ausgewählt aus dem „1240k“-Panel30,49 (Satz 2 in Vernot et al. (2021)8). Dieser Satz von SNPs ist informativ für die Untersuchung moderner menschlicher Bevölkerungsgeschichten. Beide SNP-Gruppen befinden sich in Regionen mit großen evolutionären Sequenzdivergenzen zwischen Menschen und anderen Säugetieren8.

Mit mtDNA angereicherte Bibliotheken wurden zu Pools zusammengefasst und auf mehreren Spuren eines MiSeq-Sequenzierers (Illumina Technologies) in Paired-End-Konfiguration mit zwei Index-Reads (2× 76 + 2× 8 Zyklen) sequenziert. Mit menschlicher Kern-DNA angereicherte Bibliotheken wurden entweder auf einem HiSeq 2500 mit derselben Konfiguration oder auf einem HiSeq4000 (beide Illumina Technologies) in Single-Read-Konfiguration mit zwei Index-Reads (1× 76 + 2× 8 Zyklen) sequenziert. Darüber hinaus wurde eine aus der zweiten 90 °C-Phosphatfraktion von DCP1 hergestellte Bibliothek direkt (Shotgun-Sequenzierung, ohne Hybridisierungserfassung) auf einer Spur eines HiSeq 4000-Sequenziergeräts (Illumina Technologies) in Single-Read-Konfiguration sequenziert. Der Basisaufruf wurde mit dem Bustard-Tool von Illumina durchgeführt und die Sequenzen wurden der Bibliothek zugewiesen, aus der sie stammten, was perfekte Übereinstimmungen mit den erwarteten Indexkombinationen erforderte. LeeHom (https://github.com/mpieva/leeHom/tree/v.1.1.5)50 wurde zum Trimmen von Adaptern und für Paired-End-Daten zum Zusammenführen überlappender Paired-End-Lesevorgänge verwendet.

Sequenzen, die aus der mtDNA-Erfassung von Säugetieren oder Menschen resultierten, wurden Säugetiertaxa auf der Ebene der biologischen Familie mithilfe einer zuvor veröffentlichten Berechnungspipeline6 zugeordnet, die auf BLAST und MEGAN (Version 0.0.12)51 basierte, wobei Änderungen bei der Datenfilterung in Vernot et al. (2021)8 (Ergänzende Daten 1 und Ergänzende Informationen 4). Kurz gesagt, wie in der letztgenannten Studie beschrieben, wurden falsche Identifizierungen von Taxa minimiert, indem die Zuordnung von mindestens drei eindeutigen Sequenzen (die mindestens 105 Positionen im Referenzgenom abdecken) zu einer Familie erforderlich war und diese Sequenzen mindestens 1 % aller taxonomisch identifizierten Sequenzen. Das Vorhandensein alter DNA wurde individuell für die Sequenzen jeder Familie (und jeder Bibliothek) bestimmt, indem die Häufigkeit terminaler C-zu-T-Substitutionen als Proxy für die Desaminierungsrate an den Molekülenden berechnet wurde. Substitutionshäufigkeiten deutlich über 10 % an beiden Molekülenden (basierend auf 95 % binomialen CIs) wurden dann als Beweis für das Vorhandensein alter DNA aus der jeweiligen Familie gewertet.

Die heutige menschliche Kontamination in den Fraktionen von DCP1, die alte menschliche mtDNA ergaben, wurde mit dem Softwaretool AuthentiCT (Version 1.0.0)52 geschätzt und eine nahezu vollständige Konsenssequenz für die zweite 90 °C-Fraktion von DCP1 unter Verwendung von Positionen mit at gefordert mindestens zehnfache Abdeckung des mtDNA-Genoms. Diese Konsensussequenz wurde dann für die Haplogruppenzuordnung mit Haplogrep 2 (Version 2.4.0)53 und zur Identifizierung „diagnostischer“ Positionen im mtDNA-Genom verwendet, die zur Bestimmung der Unterstützung für die Konsensussequenz in jeder der aus DCP1 gewonnenen DNA-Fraktionen verwendet wurden (Erweiterte Datentabelle 3). Der Baumaufbau und die genetische Datierung wurden mit BEAST2 (Version 2.6.6)54 durchgeführt. Weitere Informationen zu den mtDNA-Analysen finden Sie in den Zusatzinformationen 5. Zur genetischen Datierung der Hirsch-DNA-Komponente wurden nahezu vollständige Wapiti-mtDNA-Genome aus der ersten 60 °C-Phosphatfraktion aus DCP1 sowie acht alten Wapiti-Proben rekonstruiert ausführlich in der Zusatzinformation 6 beschrieben.

Die Erfassungsdaten menschlicher DNA wurden wie zuvor beschrieben verarbeitet8 und Daten aus den Bibliotheken mit den niedrigsten Schätzungen der modernen menschlichen Kontamination (basierend auf AuthentiCT) wurden für weitere Analysen zusammengeführt. Die Hauptkomponentenanalyse einschließlich Sequenzdaten von heutigen und anderen antiken menschlichen Individuen wurde mit smartpca (aus EIGENSOFT-Paketversion 8.0.0)55 durchgeführt. Unter Verwendung des R-Pakets admixr (Version 0.7.1)28 wurden ƒ3-Statistiken berechnet, um die gemeinsame genetische Drift zwischen DCP1 und einer Auswahl moderner und alter menschlicher Populationen zu bestimmen, und ihre Beziehungen wurden mithilfe von D-Statistiken weiter ausgewertet. Die Geschlechtsbestimmung für die aus DCP1 gewonnene menschliche DNA-Komponente wurde durchgeführt, indem die Abdeckung des Weitere Einzelheiten finden Sie in den Zusatzinformationen 7.

Weitere Informationen zum Forschungsdesign finden Sie in der mit diesem Artikel verlinkten Nature Portfolio Reporting Summary.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind im Artikel und seinen Zusatzinformationen enthalten.

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Referenzen herunterladen

Wir danken V. Slon, C. Hopfe, M. Peresani und W. Roebroeks für ihre Beiträge in einer frühen Explorationsphase des Projekts; P. Kosintsev für die Bereitstellung von Proben; A. Hübner für Hilfe bei der Datenanalyse; B. Schellbach und A. Weihmann für Hilfe bei der Sequenzierung; S. Nagel, J. Richter, B. Nickel und A. Aximu-Petri für Hilfe im Labor; J. Visagie für die Datenverarbeitung; L. Jauregui, A. Bossoms Mesa, A. Pelin Sümer, H. Temming, A. Lister, M. Meiri und Z. Rezek für Kommentare zum Manuskript und/oder logistische Unterstützung; dem Nationalmuseum für Naturgeschichte in Sofia für die Zusammenarbeit; R. Spasov für seine Hilfe bei den Ausgrabungen in der Bacho-Kiro-Höhle; F. Lévêque, A. Lévêque, C.-H. Bachelier und J. Bachelier für die Erleichterung und Unterstützung der Forschung in Quinçay und Les Cottés; S. Rigaud für seine Hilfe bei der morphologischen Identifizierung von Quinçay-Proben; die Max-Planck-Gesellschaft für Fördermittel; und das französische Kulturministerium für die Genehmigung und Finanzierung der Forschung in Les Cottés und Quinçay. Die archäologischen Studien in der Denisova-Höhle wurden von der Russischen Wissenschaftsstiftung finanziert (Nr. 22-28-00049). M.Soressi wird durch den NWO VICI Award (Neandertal Legacy VI.C.191.07) gefördert. Die Arbeit zur Radiokarbondatierung wurde vom Europäischen Forschungsrat im Rahmen der Fördervereinbarung Nr. 1 des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert. 715069 (FINDER) an KD Die Arbeit von EIZ wurde teilweise vom Miller Institute for Basic Research in Science der University of California Berkeley finanziert.

Open-Access-Förderung durch die Max-Planck-Gesellschaft.

Elena I. Zavala

Aktuelle Adresse: Abteilung für Molekular- und Zellbiologie, University of California, Berkeley, CA, USA

Tsenka Tsanova

Derzeitige Adresse: Fakultät für Chemie „Giacomo Ciamician“, Alma Mater Studiorum, Universität Bologna, Bologna, Italien

Jean-Jacques Hublin

Derzeitige Adresse: Lehrstuhl für Paläoanthropologie, College de France, Paris, Frankreich

Mateja Hajdinjak

Aktuelle Adresse: Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie, Leipzig, Deutschland

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Elena Essel, Elena I. Zavala, Ellen Schulz-Kornas, Marie Soressi, Matthias Meyer

Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie, Leipzig, Deutschland

Elena Essel, Elena I. Zavala, Helen Fewlass, Benjamin Vernot, Anna Schmidt, Merlin Szymanski, Tsenka Tsanova, Shannon P. McPherron, Jean-Jacques Hublin, Janet Kelso, Svante Pääbo und Matthias Meyer

Abteilung für Biologie, San Francisco State University, San Francisco, Kalifornien, USA

Elena I. Zavala

Abteilung für Kariologie, Endodontologie und Parodontologie, Universität Leipzig, Leipzig, Deutschland

Ellen Schulz-Kornas

Institut für Archäologie und Ethnographie, Zweigstelle Sibirien, Russische Akademie der Wissenschaften, Nowosibirsk, Russland

Maxim B. Kozlikin, Michael V. Shunkov und Anatoly P. Derevianko

Abteilung für Evolutionäre Anthropologie, Fakultät für Lebenswissenschaften, Universität Wien, Wien, Österreich

Katerina Douka

Forschungsnetzwerk Human Evolution and Archaeological Sciences (HEAS), Universität Wien, Wien, Österreich

Katerina Douka

Abteilung für Geowissenschaften, Natural History Museum, London, Großbritannien

Ian Barnes

Forschungshaus, Universität Toulouse-Jean Jaurès, CNRS UMR 5608 TRACES, Toulouse, Frankreich

Marie-Cécile Soulier

Nationales Institut für Archäologie mit Museum, Bulgarische Akademie der Wissenschaften, Sofia, Bulgarien

Nikolay Sirakov

Nationalmuseum für Geschichte, Sofia, Bulgarien

Elena Endarowa

Ancient Genomics Laboratory, Francis Crick Institute, London, Großbritannien

Mateja Hajdinjak

Fakultät für Archäologie, Universität Leiden, Leiden, Niederlande

Marie Soressi

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E.Essel, M.Soressi und MM haben die Studie entworfen. E.Essel, ES-K., HF, M.Soressi und MM entwickelten und testeten Methoden. MBK, MVS, APD, IB, M.-CS, TT, NS, E.Endarova, SPM, J.-JH und M.Soressi haben archäologisches Material ausgegraben, identifiziert oder charakterisiert und/oder archäologischen Kontext und Interpretation bereitgestellt. E.Essel, ES-K., HF, KD und AS führten Laborexperimente durch oder sammelten Daten. E.Essel, EIZ, ES-K., HF, BV, KD, M.Szymanski, JK, SP, MH, M.Soressi und MM führten die Datenanalyse durch, unterstützten sie oder überwachten sie. E.Essel, EIZ, M.Soressi und MM haben das Manuskript unter Mitwirkung aller anderen Autoren verfasst. E.Essel, EIZ, ES-K., MM und M.Soressi haben gleichermaßen zu dieser Arbeit beigetragen.

Korrespondenz mit Elena Essel, Marie Soressi oder Matthias Meyer.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature dankt Sophie Archambault de Beaune, Carles Lalueza-Fox und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Boxplots der vier ausgewählten Oberflächentexturparameter Sa (arithmetische mittlere Höhe), Vvv (Hohlraumvolumen der Täler), Spc (arithmetische mittlere Peakkrümmung) und Spd (Peakdichte) nach Behandlung (EDTA = Ethylendiamintetraessigsäure, GuSCN = Guanidin). Thiocyanat-Reagenz, Phos. = Natriumphosphatpuffer, ergänzt mit Detergens, Bleichmittel = Natriumhypochlorit, Wasser = destilliertes Wasser; e = Zahnschmelz, d = Dentin).

Fotos von Proben, die vor und nach der Behandlung mit verschiedenen Reagenzien entnommen wurden, die bei der Extraktion antiker DNA verwendet wurden (GuSCN = Guanidinthiocyanat-Reagenz, EDTA = Ethylendiamintetraacetat-Lösung, Phosphat = Natriumphosphatpuffer mit Detergens, Bleichmittel = Natriumhypochloritlösung). Der schwarze Balken repräsentiert 1 cm. Beachten Sie, dass die Farben nicht direkt vergleichbar sind, da die Fotos aus leicht unterschiedlichen Winkeln, mit unterschiedlichen Lichteinstellungen und Kameraeinstellungen aufgenommen wurden.

Fotos von Proben, die vor und nach der phosphatbasierten, zerstörungsfreien DNA-Extraktion entnommen wurden. Der schwarze Balken repräsentiert 1 cm. Beachten Sie, dass die Farben nicht direkt vergleichbar sind, da die Fotos aus leicht unterschiedlichen Winkeln, mit unterschiedlichen Lichteinstellungen und Kameraeinstellungen aufgenommen wurden.

Das Foto wurde aufgenommen, kurz bevor der Anhänger entfernt und mit Handschuhen in eine Plastiktüte gesteckt wurde.

Jeder Punkt stellt eine bestimmte Statistik unter Verwendung der Berechnung f3(X,Y; Mbuti) dar, wobei Mbuti als Außengruppe dient, Bevölkerung X eine alte oder heutige menschliche Bevölkerung ist und Y DCP1 ist. Wärmere Farben auf der Karte56 stehen für eine stärkere gemeinsame genetische Drift.

(A) Genetische Affinitäten von DCP1- und Ancient North Eurasian (ANE)-Individuen (Y) zu verschiedenen alten Sibiriern (W und X) basierend auf 9.297-787.534 SNPs aus dem „1240k“-SNP-Panel. (B) D-Statistik, die die genetische Affinität von DCP1 und Mal'ta1 mit einer Auswahl alter moderner Menschen vergleicht, basierend auf 13.618–237.630 SNPs aus dem „1240k“-SNP-Panel. Die rote Farbe zeigt alle Sequenzen an, die graue Farbe nur desaminierte Sequenzen. (C) Genetische Affinitäten von DCP1- und ANE-Individuen (Y) zu verschiedenen alten Amerikanern (W und X) basierend auf 42.548-574.391 SNPs aus dem „1240k“-SNP-Panel. Die Berechnungen wurden mit ADMIXTOOLS (Version 5.1) über admixr (Version 0.7.1) durchgeführt, wobei alle Fragmente oder desaminierte Fragmente nur für DCP1 verwendet wurden. Die Fehlerbalken stellen einen Standardfehler dar, der mit einem Weighted Block Jackknife berechnet wurde. AG3 = Afontova Gora 3.

Überblick über die in dieser Studie erstellten DNA-Lysate, Extrakte und Bibliotheken sowie Ergebnisse der mtDNA-Erfassungen von Säugetieren und Menschen.

Übersicht und zusammenfassende Statistik der menschlichen Kern-DNA-Erfassungen, die auf 470.724 Positionen im Genom abzielen.

Berechnete D-Statistiken von ADMIXTOOLS über admixr unter Verwendung von D(W, X; ANE, Chimp), wobei W ein heutiger Afrikaner und X ein heutiger Nicht-Afrikaner ist. Die Werte in dieser Tabelle sind in der ergänzenden Abbildung 7.5 dargestellt.

Berechnete D-Statistiken von ADMIXTOOLS über admixr unter Verwendung von D(W, X; ANE, Mbuti), wobei W ein heutiger Amerikaner und X ein heutiger Nicht-Afroamerikaner/Amerikaner ist. Die Werte in dieser Tabelle sind in der ergänzenden Abbildung 7.6 dargestellt.

Berechnete D-Statistiken von ADMIXTOOLS über admixr unter Verwendung von D(W, X; ANE, Mbuti), wobei W ein alter Sibirier und X ein alter Amerikaner ist. Die Werte in dieser Tabelle sind in der ergänzenden Abbildung 7.7 dargestellt.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Essel, E., Zavala, EI, Schulz-Kornas, E. et al. Aus einem paläolithischen Anhänger geborgene alte menschliche DNA. Natur 618, 328–332 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06035-2

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Eingegangen: 28. November 2022

Angenommen: 30. März 2023

Veröffentlicht: 03. Mai 2023

Ausgabedatum: 08. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06035-2

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Nature Reviews Genetik (2023)

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