Archeologisch DNA onderzoek Wat is DNA? De essentie van DNA bestaat uit vier bouwstenen (basen of nucleotiden): adenine (A), thymine (T), cytosine (C) en guanine (G). De basen zitten in wisselende volgorde aan elkaar waardoor lange strengen ontstaan. Voor elke streng bestaat ook een complementaire streng. Deze twee strengen zitten als een rits aan elkaar vast waardoor men ook wel van basenparen (bp) spreekt. De twee complementaire strengen vormen de beroemde dubbele helix. Specifieke combinaties van basen op bepaalde delen van het DNA coderen voor eigenschappen, zoals bepaalde karaktertrekken of haarkleur. Dit zijn de genen. Het overgrote deel van ons DNA bestaat echter uit zogeheten niet coderend-DNA. Deze stukken bevatten, voor zover nu bekend is, geen informatie (oftewel genen), maar dat wil niet zeggen dat dit DNA niet nuttig kan zijn voor onderzoek. De mens heeft twee soorten DNA: celkern-DNA (of nucleair DNA) en mitochondriaal DNA (mtDNA). Elke cel in het menselijk lichaam heeft een celkern. In deze celkern bevindt zich een pakketje chromosomen die elk bestaan uit een lange sliert DNA. Een mens heeft 23 verschillende chromosomen en dan van elk chromosoom twee exemplaren. Die dubbele exemplaren zijn geen exacte kopie van elkaar, maar dragen wel dezelfde genen voor specifieke eigenschappen. De ene helft van deze chromosoomparen is afkomstig van de moeder en de andere helft is afkomstig van de vader. Eén van die paren bestaat uit de geslachtschromosomen. Vrouwen hebben twee X-chromosomen: één van hun moeder en één van hun vader. Mannen hebben een X-chromosoom en een Y-chromosoom; het X-chromosoom komt van de moeder en omdat alleen mannen een Y-chromosoom hebben, is dit altijd afkomstig van hun vader. De andere 44 chromosomen (in 22 paren) worden autosomale chromosomen genoemd. In de menselijke cel bevinden zich buiten de celkern honderden tot duizenden (afhankelijk van het type cel) mitochondriën. Dit zijn kleine energiefabriekjes die de cel van energie voorzien. Elk van die mitochondriën bevat 2 tot 10 ringvormige DNA strengen. Op dit mtDNA zitten ook genen, maar die coderen alleen voor de opbouw van de mitochondriën zelf. Zowel mannen als vrouwen hebben mtDNA, maar alleen vrouwen kunnen hun mtDNA doorgeven aan hun kinderen. Alle genen in het celkern-DNA en mtDNA bij elkaar vormen het genoom en bestaat uit circa 3 miljard basenparen. Men gaat er op dit moment van uit dat mensen 20.000 tot 25.000 genen hebben op het celkern DNA. Eigenschappen van oud-DNA Wanneer we DNA uit archeologische monsters willen bekijken, is er een aantal dingen waar rekening mee gehouden moet worden, omdat oud DNA andere eigenschappen heeft dan modern DNA. De twee belangrijkste zijn degradatie en contaminatie. Zodra een organisme sterft begint de ontbinding, ook van DNA. Het DNA raakt op verschillende manieren beschadigd: -Verbindingen tussen basen breken, waardoor het DNA raakt opgedeeld in kortere fragmenten.  -Basen kunnen helemaal verloren gaan.   -Chemische modificatie van basen; een C kan bijvoorbeeld een T worden.  -Recombinatie van stukken DNA; gefragmenteerde stukjes DNA kunnen weer aan elkaar vast komen te zitten, terwijl ze niet aan elkaar horen.  Hoe snel dit degradatieproces verloopt en welk type degradatie plaatsvindt, hangt af van de omgevingsfactoren waarin het DNA-monster zich bevond en bevindt, zowel in situ als ex situ. De belangrijkste variabelen zijn: temperatuur, zuurgraad, vochtigheid en zoutconcentratie. Omdat veel meer mtDNA dan celkern-DNA in een menselijke cel zit, blijft van mtDNA vaak het meest bewaard. Als DNA onderzoek op celkern DNA geen resultaat geeft, is het mogelijk dat dit wel lukt met mtDNA. Een ander groot probleem met het werken met oud-DNA is contaminatie of ‘besmetting’ met modern DNA. Wanneer potentiële DNA monsters onbeschermd behandeld worden, kunnen er cellen van andere mensen op het DNA-monster terecht komen. Dit gebeurt door bijvoorbeeld aanraken met blote handen, niezen en hoesten of simpelweg ademen. Wanneer het DNA-monster vervolgens verwerkt en geanalyseerd wordt, is het goed mogelijk dat het contaminerende DNA ook opduikt in de resultaten. Hoe lager de concentratie DNA in het te onderzoeken monster is en hoe slechter de kwaliteit, hoe groter het probleem van contaminatie is. Werken met oud-DNA-monsters Wanneer je een archeologisch DNA-monster wilt selecteren, is het belangrijk te weten waar zich het meeste en best geconserveerde DNA bevindt. In het geval van menselijke resten zijn er meestal alleen botten en gebitselementen over. Dit zijn meteen ook de meest geschikte oud-DNA-monsters en dan met name gebitselementen (bij tanden en kiezen bevindt het DNA zich in het tandbeen, dus met name de wortels. In het glazuur zit geen DNA). De reden hiervoor is dat botweefsel voor een deel uit anorganische stoffen bestaat, waardoor het vergeleken met andere lichaamsweefsels erg langzaam afbreekt. Hierdoor is het DNA beter beschermd tegen afbraak en contaminatie. Het DNA in tanden en kiezen wordt nog eens extra beschermd door het laagje glazuur op de kroon en het laagje cementum om de wortel(s) en meestal ook het kaakbot rond de wortels. De buitenkant van tanden is dus veel minder poreus dan bot, vandaar dat de kans op conservering van DNA in tanden meestal groter is dan in de rest van het skelet en eventuele contaminatie veel beter verwijderd kan worden. Hoe ga je te werk als besloten is dat er DNA-monsters genomen gaan worden? Als basisregel geldt dat bij alle procedures contact tussen mensen en het monster zo veel mogelijk vermeden moet worden. Als het materiaal nog niet is opgegraven, is het het beste om het stuk waar het monster uit genomen zal worden, bedekt te laten tot het monster daadwerkelijk genomen wordt. Dit moet zo steriel mogelijk gebeuren, dus met steriele instrumenten, handschoenen, mondkapjes en forensische pakken. De monsters kunnen vervolgens het beste zo snel mogelijk in de vriezer geplaatst worden tot het daadwerkelijke DNA-onderzoek plaatsvindt in het DNA- laboratorium. Het meeste materiaal dat momenteel beschikbaar is voor oud-DNA-onderzoek, is echter al opgegraven, en zonder dat er vooraf rekening is gehouden met mogelijk oud-DNA-onderzoek. Dit betekent dat er sterk rekening gehouden moet worden met contaminatie van het materiaal. Echter, dit betekent niet dat dit materiaal per definitie onbruikbaar is, maar er moeten wel extra maatregelen genomen worden in het laboratorium om deze contaminatie te verwijderen. Het hangt dan van de kwaliteit van het monster af of deze contaminatie het analyseren van de gegevens onmogelijk maakt. Voor het DNA van een monster geanalyseerd kan worden, moet er een aantal stappen worden genomen. Ten eerste moet het DNA uit het monster gehaald worden. Voordat dit gebeurt, wordt het monster schoongemaakt om eventuele contaminatie zoveel mogelijk te verwijderen. Vervolgens moet het monster zo bewerkt worden dat het DNA er zo effectief mogelijk uit gehaald kan worden. Botweefsel is bijvoorbeeld zo compact dat het eerst tot poeder vergruisd moet worden voor het DNA eruit gehaald kan worden. Om het DNA uit de cellen te krijgen, worden er aan de monsters specifieke vloeistoffen toegevoegd, die ervoor zorgen dat de cellen openbreken waardoor het DNA vrij kan komen. Hierna volgen nog een aantal ‘wasstappen’ waarbij het DNA gescheiden wordt van het restmateriaal. Dit hele proces wordt extractie of isolatie genoemd. Het vrijgekomen DNA wordt bewaard in een vloeistof en is nu klaar voor het echte DNA onderzoek. Beantwoorden van de onderzoeksvragen Wanneer moet nu welke methode toegepast worden? Uiteraard hangt dat af van de onderzoeksvraag en het materiaal. Hoe beter het oud-DNA-monster bewaard is, hoe meer DNA er te onderzoeken is. In feite kan aan oud DNA hetzelfde geanalyseerd worden als aan modern DNA, maar vaak zullen de onderzoeksvragen anders zijn. Hieronder volgen een aantal voorbeelden. Geslachtsbepaling Om het geslacht van een individu te bepalen is uiteraard celkern DNA nodig, omdat hier de X- en Y- chromosomen voor nodig zijn. Met behulp van specifieke STR’s op het X- en Y-chromosoom kan achterhaald worden of er alleen X-chromosomen of een X- en een Y-chromosoom aanwezig zijn. Verwantschapsonderzoek Verwantschap kan op twee niveaus onderzocht worden. Ten eerste kan een directe biologische verwantschap tussen ouders en kinderen achterhaald worden. Een dergelijke verwantschap kan onderzocht worden door middel van vergelijking van het autosomale DNA tussen personen. Op dezelfde manier kan verwantschap tussen broers en zussen aangetoond worden, hoewel dit iets minder betrouwbare resultaten oplevert. Wanneer er meer generaties tussen individuen zitten kan men slechts indicaties verkrijgen van een mogelijke verwantschap via het autosomale DNA. Ten tweede kan verwantschap in meer algemene zin onderzocht worden. In dit geval kan niet bepaald worden wat de precieze relatie tussen individuen is geweest, maar wel of er sprake is van verwantschap. Dit type verwantschapsonderzoek kan verwantschap over vele generaties volgen. Dit kan op twee manieren; via de mannelijke lijn en de vrouwelijke lijn. Verwantschap via de mannelijke lijn wordt bepaald aan de hand van het Y-chromosoom. Het Y-chromosoom komt alleen voor bij mannen en deze analyse kan dus alleen uitgevoerd worden voor mannelijke individuen. Verwantschap via de vrouwelijke lijn wordt bepaald aan de hand van analyse van het mtDNA. MtDNA wordt alleen via de moeder overgeërfd, maar is bij iedereen aanwezig. Deze analyse kan dus op alle individuen worden uitgevoerd. Genetische samenstelling van een groep mensen De genetische samenstelling en variatie van bijvoorbeeld de bewoners van een stad kan informatie geven over migratie processen en de opbouw van die stad. Weinig variatie kan bijvoorbeeld duiden op een gesloten gemeenschap door beperkte immigratie. Reconstructie van geografische herkomst Op basis van STR’s en SNP’s op het Y-chromosoom en SNP’s op het mtDNA, kunnen specifieke profielen gemaakt worden die ingedeeld kunnen worden in groepen. Die groepen hebben meestal een specifieke geografische verspreiding. Indeling in deze groepen, de zogenaamde haplogroepen, kan inzicht verschaffen in oorspronkelijke geografische herkomst en migratiepatronen van individuen en bevolkingsgroepen. Binnen de haplogroep kunnen haplotypen worden onderscheiden. Deze zijn variabeler dan de haplogroepen en daardoor ook veel meer persoonsgebonden. De typering van haplogroepen en haplotypen wordt steeds specifieker waardoor de geografische spreiding steeds preciezer kan worden bepaald.

Archeologisch DNA onderzoek

Wat is DNA?

De essentie van DNA bestaat uit vier bouwstenen (basen of nucleotiden): adenine (A), thymine (T), cytosine (C) en guanine (G). De basen zitten in wisselende volgorde aan elkaar waardoor lange strengen ontstaan. Voor elke streng bestaat ook een complementaire streng. Deze twee strengen zitten als een rits aan elkaar vast waardoor men ook wel van basenparen (bp) spreekt. De twee complementaire strengen vormen de beroemde dubbele helix. Specifieke combinaties van basen op bepaalde delen van het DNA coderen voor eigenschappen, zoals bepaalde karaktertrekken of haarkleur. Dit zijn de genen. Het overgrote deel van ons DNA bestaat echter uit zogeheten niet coderend-DNA. Deze stukken bevatten, voor zover nu bekend is, geen informatie (oftewel genen), maar dat wil niet zeggen dat dit DNA niet nuttig kan zijn voor onderzoek.

De mens heeft twee soorten DNA: celkern-DNA (of nucleair DNA) en mitochondriaal DNA (mtDNA). Elke cel in het menselijk lichaam heeft een celkern. In deze celkern bevindt zich een pakketje chromosomen die elk bestaan uit een lange sliert DNA. Een mens heeft 23 verschillende chromosomen en dan van elk chromosoom twee exemplaren. Die dubbele exemplaren zijn geen exacte kopie van elkaar, maar dragen wel dezelfde genen voor specifieke eigenschappen. De ene helft van deze chromosoomparen is afkomstig van de moeder en de andere helft is afkomstig van de vader.

Eén van die paren bestaat uit de geslachtschromosomen. Vrouwen hebben twee X-chromosomen: één van hun moeder en één van hun vader. Mannen hebben een X-chromosoom en een Y-chromosoom; het X-chromosoom komt van de moeder en omdat alleen mannen een Y-chromosoom hebben, is dit altijd afkomstig van hun vader. De andere 44 chromosomen (in 22 paren) worden autosomale chromosomen genoemd.

In de menselijke cel bevinden zich buiten de celkern honderden tot duizenden (afhankelijk van het type cel) mitochondriën. Dit zijn kleine energiefabriekjes die de cel van energie voorzien. Elk van die mitochondriën bevat 2 tot 10 ringvormige DNA strengen. Op dit mtDNA zitten ook genen, maar die coderen alleen voor de opbouw van de mitochondriën zelf. Zowel mannen als vrouwen hebben mtDNA, maar alleen vrouwen kunnen hun mtDNA doorgeven aan hun kinderen.

Alle genen in het celkern-DNA en mtDNA bij elkaar vormen het genoom en bestaat uit circa 3 miljard basenparen. Men gaat er op dit moment van uit dat mensen 20.000 tot 25.000 genen hebben op het celkern DNA.

Eigenschappen van oud-DNA

Wanneer we DNA uit archeologische monsters willen bekijken, is er een aantal dingen waar rekening mee gehouden moet worden, omdat oud DNA andere eigenschappen heeft dan modern DNA. De twee belangrijkste zijn degradatie en contaminatie. Zodra een organisme sterft begint de ontbinding, ook van DNA. Het DNA raakt op verschillende manieren beschadigd:

1-Verbindingen tussen basen breken, waardoor het DNA raakt opgedeeld in kortere fragmenten.
2-Basen kunnen helemaal verloren gaan.
3-Chemische modificatie van basen; een C kan bijvoorbeeld een T worden.
4-Recombinatie van stukken DNA; gefragmenteerde stukjes DNA kunnen weer aan elkaar vast komen te zitten, terwijl ze niet aan elkaar horen.

Hoe snel dit degradatieproces verloopt en welk type degradatie plaatsvindt, hangt af van de omgevingsfactoren waarin het DNA-monster zich bevond en bevindt, zowel in situ als ex situ. De belangrijkste variabelen zijn: temperatuur, zuurgraad, vochtigheid en zoutconcentratie.

Omdat veel meer mtDNA dan celkern-DNA in een menselijke cel zit, blijft van mtDNA vaak het meest bewaard. Als DNA onderzoek op celkern DNA geen resultaat geeft, is het mogelijk dat dit wel lukt met mtDNA. Een ander groot probleem met het werken met oud-DNA is contaminatie of ‘besmetting’ met modern DNA. Wanneer potentiële DNA monsters onbeschermd behandeld worden, kunnen er cellen van andere mensen op het DNA-monster terecht komen. Dit gebeurt door bijvoorbeeld aanraken met blote handen, niezen en hoesten of simpelweg ademen. Wanneer het DNA-monster vervolgens verwerkt en geanalyseerd wordt, is het goed mogelijk dat het contaminerende DNA ook opduikt in de resultaten. Hoe lager de concentratie DNA in het te onderzoeken monster is en hoe slechter de kwaliteit, hoe groter het probleem van contaminatie is.

Werken met oud-DNA-monsters

Wanneer je een archeologisch DNA-monster wilt selecteren, is het belangrijk te weten waar zich het meeste en best geconserveerde DNA bevindt. In het geval van menselijke resten zijn er meestal alleen botten en gebitselementen over. Dit zijn meteen ook de meest geschikte oud-DNA-monsters en dan met name gebitselementen (bij tanden en kiezen bevindt het DNA zich in het tandbeen, dus met name de wortels. In het glazuur zit geen DNA). De reden hiervoor is dat botweefsel voor een deel uit anorganische stoffen bestaat, waardoor het vergeleken met andere lichaamsweefsels erg langzaam afbreekt. Hierdoor is het DNA beter beschermd tegen afbraak en contaminatie. Het DNA in tanden en kiezen wordt nog eens extra beschermd door het laagje glazuur op de kroon en het laagje cementum om de wortel(s) en meestal ook het kaakbot rond de wortels. De buitenkant van tanden is dus veel minder poreus dan bot, vandaar dat de kans op conservering van DNA in tanden meestal groter is dan in de rest van het skelet en eventuele contaminatie veel beter verwijderd kan worden.

Hoe ga je te werk als besloten is dat er DNA-monsters genomen gaan worden? Als basisregel geldt dat bij alle procedures contact tussen mensen en het monster zo veel mogelijk vermeden moet worden. Als het materiaal nog niet is opgegraven, is het het beste om het stuk waar het monster uit genomen zal worden, bedekt te laten tot het monster daadwerkelijk genomen wordt. Dit moet zo steriel mogelijk gebeuren, dus met steriele instrumenten, handschoenen, mondkapjes en forensische pakken. De monsters kunnen vervolgens het beste zo snel mogelijk in de vriezer geplaatst worden tot het daadwerkelijke DNA-onderzoek plaatsvindt in het DNA- laboratorium.

Het meeste materiaal dat momenteel beschikbaar is voor oud-DNA-onderzoek, is echter al opgegraven, en zonder dat er vooraf rekening is gehouden met mogelijk oud-DNA-onderzoek. Dit betekent dat er sterk rekening gehouden moet worden met contaminatie van het materiaal. Echter, dit betekent niet dat dit materiaal per definitie onbruikbaar is, maar er moeten wel extra maatregelen genomen worden in het laboratorium om deze contaminatie te verwijderen. Het hangt dan van de kwaliteit van het monster af of deze contaminatie het analyseren van de gegevens onmogelijk maakt.

Voor het DNA van een monster geanalyseerd kan worden, moet er een aantal stappen worden genomen. Ten eerste moet het DNA uit het monster gehaald worden. Voordat dit gebeurt, wordt het monster schoongemaakt om eventuele contaminatie zoveel mogelijk te verwijderen. Vervolgens moet het monster zo bewerkt worden dat het DNA er zo effectief mogelijk uit gehaald kan worden. Botweefsel is bijvoorbeeld zo compact dat het eerst tot poeder vergruisd moet worden voor het DNA eruit gehaald kan worden. Om het DNA uit de cellen te krijgen, worden er aan de monsters specifieke vloeistoffen toegevoegd, die ervoor zorgen dat de cellen openbreken waardoor het DNA vrij kan komen. Hierna volgen nog een aantal ‘wasstappen’ waarbij het DNA gescheiden wordt van het restmateriaal. Dit hele proces wordt extractie of isolatie genoemd. Het vrijgekomen DNA wordt bewaard in een vloeistof en is nu klaar voor het echte DNA onderzoek.

Beantwoorden van de onderzoeksvragen

Wanneer moet nu welke methode toegepast worden? Uiteraard hangt dat af van de onderzoeksvraag en het materiaal. Hoe beter het oud-DNA-monster bewaard is, hoe meer DNA er te onderzoeken is. In feite kan aan oud DNA hetzelfde geanalyseerd worden als aan modern DNA, maar vaak zullen de onderzoeksvragen anders zijn. Hieronder volgen een aantal voorbeelden.

Geslachtsbepaling

Om het geslacht van een individu te bepalen is uiteraard celkern DNA nodig, omdat hier de X- en Y- chromosomen voor nodig zijn. Met behulp van specifieke STR’s op het X- en Y-chromosoom kan achterhaald worden of er alleen X-chromosomen of een X- en een Y-chromosoom aanwezig zijn.

Verwantschapsonderzoek

Verwantschap kan op twee niveaus onderzocht worden. Ten eerste kan een directe biologische verwantschap tussen ouders en kinderen achterhaald worden. Een dergelijke verwantschap kan onderzocht worden door middel van vergelijking van het autosomale DNA tussen personen. Op dezelfde manier kan verwantschap tussen broers en zussen aangetoond worden, hoewel dit iets minder betrouwbare resultaten oplevert.

Wanneer er meer generaties tussen individuen zitten kan men slechts indicaties verkrijgen van een mogelijke verwantschap via het autosomale DNA. Ten tweede kan verwantschap in meer algemene zin onderzocht worden. In dit geval kan niet bepaald worden wat de precieze relatie tussen individuen is geweest, maar wel of er sprake is van verwantschap. Dit type verwantschapsonderzoek kan verwantschap over vele generaties volgen. Dit kan op twee manieren; via de mannelijke lijn en de vrouwelijke lijn. Verwantschap via de mannelijke lijn wordt bepaald aan de hand van het Y-chromosoom. Het Y-chromosoom komt alleen voor bij mannen en deze analyse kan dus alleen uitgevoerd worden voor mannelijke individuen.

Verwantschap via de vrouwelijke lijn wordt bepaald aan de hand van analyse van het mtDNA. MtDNA wordt alleen via de moeder overgeërfd, maar is bij iedereen aanwezig. Deze analyse kan dus op alle individuen worden uitgevoerd.

Genetische samenstelling van een groep mensen

De genetische samenstelling en variatie van bijvoorbeeld de bewoners van een stad kan informatie geven over migratie processen en de opbouw van die stad. Weinig variatie kan bijvoorbeeld duiden op een gesloten gemeenschap door beperkte immigratie.

Reconstructie van geografische herkomst

Op basis van STR’s en SNP’s op het Y-chromosoom en SNP’s op het mtDNA, kunnen specifieke profielen gemaakt worden die ingedeeld kunnen worden in groepen. Die groepen hebben meestal een specifieke geografische verspreiding. Indeling in deze groepen, de zogenaamde haplogroepen, kan inzicht verschaffen in oorspronkelijke geografische herkomst en migratiepatronen van individuen en bevolkingsgroepen. Binnen de haplogroep kunnen haplotypen worden onderscheiden. Deze zijn variabeler dan de haplogroepen en daardoor ook veel meer persoonsgebonden. De typering van haplogroepen en haplotypen wordt steeds specifieker waardoor de geografische spreiding steeds preciezer kan worden bepaald.