Scoperte tratte dal DNA umano antico

13 gennaio 2024

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dall'Università di Copenhagen

Quattro articoli di ricerca pubblicati su Nature seguono le tracce genetiche e le origini geografiche delle malattie umane risalendo indietro nel tempo. Le analisi fornisco dettagliate immagini sulla diversità e le migrazioni umane preistoriche, mentre propongono una spiegazione per l'aumento del rischio genetico di sclerosi multipla (SM).

Analizzando i dati del set di dati più grande del mondo fino ad oggi su 5000 genomi umani antichi provenienti da Europa e Asia occidentale (Eurasia), nuove ricerche hanno scoperto in dettaglio le riserve genetiche umane preistoriche dell'Eurasia occidentale.

I risultati sono presentati in quattro articoli pubblicati nella stessa edizione di Nature da un team internazionale di ricercatori guidati da esperti dell'Università di Copenhagen e con contributi di circa 175 ricercatori provenienti da università e musei nel Regno Unito, Stati Uniti, Germania, Australia, Svezia, Danimarca, Norvegia, Francia, Polonia, Svizzera, Armenia, Ucraina, Russia, Kazakistan e Italia. I numerosi ricercatori rappresentano una vasta gamma di discipline scientifiche, tra cui archeologia, biologia evolutiva, medicina, ricerca sul DNA antico, ricerca sulle malattie infettive ed epidemiologia.

Le scoperte della ricerca presentate negli articoli di Nature si basano sull'analisi di un sottoinsieme dei 5000 genomi e includono:

Il set di dati senza precedenti dei 5000 genomi umani antichi è stato ricostruito mediante l'analisi di ossa e denti resi disponibili attraverso una collaborazione scientifica con musei e università in Europa e Asia occidentale. Lo sforzo di sequenziamento è stato realizzato utilizzando la potenza della tecnologia Illumina.

L'età degli esemplari varia dal Mesolitico e Neolitico fino all'Età del Bronzo, all'Età del Ferro, all'epoca dei Vichinghi fino al Medioevo. Il genoma più antico nel set di dati proviene da un individuo che ha vissuto circa 34.000 anni fa.

"Il obiettivo originale del progetto dei genomi umani antichi era quello di ricostruire 1000 genomi umani antichi dall'Eurasia come strumento di precisione innovativo per la ricerca sulle malattie cerebrali", dicono i tre professori dell'Università di Copenhagen, che nel 2018 hanno avuto l'idea del set di dati DNA e hanno inizialmente delineato il concetto del progetto: Eske Willerslev, esperto nell'analisi del DNA antico, sia all'Università di Cambridge che come direttore del progetto; Thomas Werge, esperto dei fattori genetici alla base dei disturbi mentali e capo dell'Istituto di Psichiatria Biologica per i Servizi di Salute Mentale nella regione della Capitale della Danimarca; e Rasmus Nielsen, esperto in analisi statistica e computazionale del DNA antico, sia all'Università della California, Berkeley, negli USA.

L'obiettivo era produrre un set di dati genomici antichi unico per lo studio delle tracce e della storia evolutiva genetica dei disturbi cerebrali il più indietro nel tempo possibile per acquisire una nuova comprensione medica e biologica di questi disturbi. Ciò doveva essere realizzato confrontando le informazioni dai profili del DNA antico con i dati provenienti da diverse altre discipline scientifiche.

Tra i disturbi cerebrali, i tre professori hanno originariamente identificato come candidati per questa indagine condizioni neurologiche come il morbo di Parkinson, l'Alzheimer e la sclerosi multipla, insieme a disturbi mentali come ADHD e schizofrenia.

Nel 2018, i tre professori si sono rivolti alla Fondazione Lundbeck, una importante fondazione danese di ricerca, per ottenere finanziamenti per compilare il set di dati speciale DNA. È stato loro assegnato un finanziamento quinquennale totale di 60 milioni di DKK (circa 8 milioni di EUR) per il progetto, che doveva essere coordinato presso l'Università di Copenhagen tramite un centro appena istituito, successivamente denominato Lundbeck Foundation GeoGenetics Center.

"La motivazione per assegnare un così grande finanziamento a questo progetto, come ha fatto la Fondazione Lundbeck nel 2018, era che se tutto funzionasse, rappresenterebbe un mezzo innovativo per comprendere più a fondo come l'architettura genetica alla base dei disturbi cerebrali si evolve nel tempo. E i disturbi cerebrali sono la nostra area di specifico interesse", afferma Jan Egebjerg, Direttore della Ricerca della Fondazione Lundbeck.

La Fondazione Lundbeck supporta anche il consorzio iPYSCH, uno dei più grandi studi a livello mondiale sulle cause genetiche ed ambientali dei disturbi mentali come l'autismo, l'ADHD, la schizofrenia, il disturbo bipolare e la depressione, con l'obiettivo di rendere i profili di rischio genetico per questi disturbi il più precisi possibile.

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