Descubrimientos obtenidos a partir del ADN humano antiguo

13 de enero de 2024

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por Universidad de Copenhague

Cuatro artículos de investigación publicados en Nature siguen las huellas genéticas y los orígenes geográficos de las enfermedades humanas en el pasado. Los análisis proporcionan imágenes detalladas de la diversidad y migración humana prehistórica, al tiempo que proponen una explicación para el aumento del riesgo genético de esclerosis múltiple (EM).

Al analizar datos del conjunto de datos más grande del mundo hasta la fecha sobre 5.000 genomas humanos antiguos de Europa y Asia Occidental (Eurasia), nuevas investigaciones han descubierto los grupos genéticos humanos prehistóricos de Eurasia occidental con un nivel de detalle sin precedentes.

Los resultados se presentan en cuatro artículos publicados en la misma edición de Nature por un equipo internacional de investigadores liderado por expertos de la Universidad de Copenhague y con contribuciones de alrededor de 175 investigadores de universidades y museos en el Reino Unido, Estados Unidos, Alemania, Australia, Suecia, Dinamarca, Noruega, Francia, Polonia, Suiza, Armenia, Ucrania, Rusia, Kazajstán e Italia. Los numerosos investigadores representan una amplia gama de disciplinas científicas, incluyendo arqueología, biología evolutiva, medicina, investigación de ADN antiguo, investigación de enfermedades infecciosas y epidemiología.

Los descubrimientos de investigación presentados en los artículos de Nature se basan en análisis de un subconjunto de los 5.000 genomas e incluyen:

El conjunto de datos sin precedentes de 5.000 genomas humanos antiguos fue reconstruido mediante análisis de huesos y dientes que estuvieron disponibles gracias a una colaboración científica con museos y universidades en toda Europa y Asia occidental. El esfuerzo de secuenciación se logró utilizando la tecnología de Illumina.

La edad de las muestras varía desde el Mesolítico y Neolítico hasta la Edad de Bronce, la Edad de Hierro y el período vikingo hasta la Edad Media. El genoma más antiguo en el conjunto de datos es de un individuo que vivió aproximadamente hace 34.000 años.

'El objetivo original del proyecto de genomas humanos antiguos era reconstruir 1.000 genomas humanos antiguos de Eurasia como una nueva herramienta de precisión para la investigación en trastornos cerebrales', dicen los tres profesores de la Universidad de Copenhague, quienes en 2018 propusieron la idea del conjunto de datos de ADN y originalmente esbozaron el concepto del proyecto: Eske Willerslev, experto en análisis de ADN antiguo, quien trabaja conjuntamente en la Universidad de Cambridge y es el director del proyecto; Thomas Werge, experto en factores genéticos subyacentes a los trastornos mentales y jefe del Instituto de Psiquiatría Biológica que presta servicios de salud mental en la Región Capital de Dinamarca; y Rasmus Nielsen, experto en análisis estadístico y computacional de ADN antiguo, quien trabaja conjuntamente en la Universidad de California, Berkeley, en Estados Unidos.

El objetivo era producir un conjunto de datos genómicos antiguos único para estudiar las huellas y la historia evolutiva genética de los trastornos cerebrales, tan lejos en el tiempo como fuera posible, para obtener una nueva comprensión médica y biológica de estos trastornos. Esto se lograría comparando la información de los perfiles de ADN antiguo con datos de varias otras disciplinas científicas.

Entre los trastornos cerebrales que los tres profesores identificaron originalmente como candidatos para esta investigación se encuentran enfermedades neurológicas como la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer y la esclerosis múltiple, junto con trastornos mentales como el TDAH y la esquizofrenia.

En 2018, los tres profesores se acercaron a la Fundación Lundbeck, una importante fundación danesa de investigación, para financiar la compilación del conjunto de datos de ADN especial. Se les otorgó una subvención de investigación de cinco años que totalizó 60 millones de coronas danesas (aproximadamente 8 millones de euros) para el proyecto, que sería coordinado en la Universidad de Copenhague a través de un centro recién establecido, posteriormente llamado el Centro Lundbeck Foundation GeoGenetics.

'La razón para otorgar una subvención de investigación tan grande a este proyecto, como hizo la Fundación Lundbeck en 2018, fue que si todo salía bien, representaría un medio innovador para obtener una comprensión más profunda de cómo evolucionó la arquitectura genética subyacente a los trastornos cerebrales a lo largo del tiempo. Y los trastornos cerebrales son nuestro enfoque específico', dice Jan Egebjerg, Director de Investigación de la Fundación Lundbeck.

La Fundación Lundbeck también está apoyando al consorcio iPYSCH, uno de los estudios más grandes a nivel mundial sobre las causas genéticas y ambientales de trastornos mentales como el autismo, TDAH, esquizofrenia, trastorno bipolar y depresión, donde el enfoque también está en hacer perfiles de riesgo genético para estos trastornos lo más precisos posible.

The results reported in Nature, were substantiated by comparing the ancient genomic data set with de-identified genetic data from the large Danish iPYSCH consortium and DNA profiles from 400,000 present-day individuals registered in UK Biobank.

The premise for the project was experimental, recounts Professor Werge. 'We wanted to collect ancient human specimens to see what we could get out of them, like trying to understand some of the environmental background to how diseases and disorders evolved. As I see it, the fact that the project took on such vast, complex proportions that Nature wanted it described in four articles is quite unique.'

Professor Willerslev comments that compiling the DNA data set posed major logistical challenges. 'We needed access to archaeological specimens of human teeth and bones that we knew were scattered around in museums and other institutions in the Eurasian region, and that called for many collaboration agreements. But once they were in place, things really took off—the data set was booming, and it now exceeds 5,000 ancient human genomes. The size of the data set has tremendously enhanced both the usability and precision of the results.'

Professor Nielsen was responsible for planning the statistical and bioinformatics analyses of the information gleaned from the ancient teeth and bones in laboratories at the University of Copenhagen. And he was dealing with an overwhelming volume of data, in which the DNA was often severely degraded.

'No one had previously analyzed so many ancient genomes. Now we had to find out how to handle such vast data volumes. The problem was that the raw data is very difficult to work with because you end up with many short DNA sequences with many errors, and then those sequences have to be correctly mapped to the right position in the human genome. Plus, there is the issue of contamination from all the microorganisms present on the ancient teeth and bones.

'Imagine having a jigsaw puzzle consisting of millions of pieces mixed up with four other incomplete puzzle sets, and then running all that in the dishwasher for an hour. Piecing it all together afterwards is no easy task. One of the keys to our success in the end was that we teamed up with Dr. Olivier Delanau from the University of Lausanne who developed algorithms to overcome that very problem,' says Professor Nielsen.

Rumors that a large ancient human genome data set was being compiled were soon circulating in scientific circles. And since 2022 interest has been running very high, say Professors Werge, Willerslev and Nielsen. 'We are constantly taking inquiries from researchers all over the globe—especially those investigating diseases—who typically request access to explore the ancient DNA data set.'

The four Nature articles demonstrate that the large data set of 5,000 genomes serves as a precision tool capable of providing new insights into diseases when combined with analyses of present-day human DNA data and inputs from several other research fields.

That in itself is immensely amazing, according to Professor Willerslev. 'There's no doubt that an ancient genomic data set of this size will have applications in many different contexts within disease research. As new scientific discoveries derived from the 5,000-genome data set become published, more data will gradually be made freely available to all researchers. Ultimately, the complete data set will be open access for everyone.'

Journal information: Nature

Provided by University of Copenhagen