مروری بر تغییر ساختار شیمیایی و ژئوآرکئولوژی DNA باستانی و فرآیندهای استخراج آن

محورهای موضوعی : باستان‌شناسی

پرستو عرفان‌منش ¹ , فرامرز رستمی چراتی ²

1 - کارشناس مسئول آزمایشگاه بیولوژی پژوهشگاه میراث فرهنگی و گردشگری، پژوهشکده حفاظت و مرمت آثار تاریخی- فرهنگی
2 - استاد، پژوهشگاه میراث فرهنگی و گردشگری، پژوهشکده حفاظت و مرمت آثار تاریخی- فرهنگی، تهران، ایران.

تاریخ دریافت : 1404/03/06 تاریخ پذیرش : 1404/05/28 تاریخ انتشار : 1404/06/10

کلید واژه: ژئوآرکئولوژی, DNA میتوکندری, تبارشناسی, باستان‌شناسی, ساختار شیمیایی DNA,

چکیده مقاله :

حفظ ارزش‌های فرهنگی به‌مثابهٔ شناخت هویت تاریخی هر ملت، یکی از مسائلی است که در هر کشور می‌باید مدنظر قرار گیرد و جزء اولویت‌های اصلی نهادهای ذی‌ربط باشد. نظر به اینکه علم باستان‌شناسی و مطالعات و بررسی‌های باستانی همواره تلاش داشته تا زوایای پنهان گذشتهٔ انسان را آشکار کند، در این میان ابزارهای زیادی به کمک این علم آمده و به‌ویژه در دهه‌های اخیر، این علم مسلح به علوم و ابزارهای نوینی از جمله مطالعات ژنتیکی باستانی شده است. در این پژوهش، با مروری بر یافته‌ها‌ی انتشاریافته و با تکیه‌بر تجربیات آزمایشگاهی، به مطالعهٔ مکانیسمیِ تخریب ساختار شیمیایی DNA و نیز روش‌های مناسب برای استخراج آن پرداخته شد، به‌نحوی‌که در نتیجهٔ آن، اطلاعات ژنتیکیِ ذی‌قیمتی را در حوزهٔ ژنتیکِ باستان در اختیار پژوهشگران قرار می‌دهد. از جملهٔ این نتایج، تبار انسان‌ها، مسیرهای مهاجرت، اختلاط، گسستگی و اشتقاق اقوام از هم، میزان قرابت انسان‌ها و یا اقوام با یکدیگر، نسب‌شناسی، تشخیص بیماری‌های ژنتیکی و... قابل ذکر است. به‌روز‌رسانی پروتکل‌های آزمایشگاهی و برداشتِ نمونه از سایت‌های باستان‌شناسی می‌تواند خود در این زمینه بسیار حائز اهمیت باشد. روش‌های بسیاری برای آزمایش‌های ژنتیکی وجود دارد که بسته به نوع و جنس نمونه‌های مورد مطالعه، مورد استفاده قرار می‌گیرد. تغییرات در ساختار DNA با تغییرات در گروِ توالیِ قطعاتِ مولکولیِ بازهای آلی، گروه عاملیِ فسفات‌ها و نیز قندها است که در ادوار تاریخ به دلایل مختلف در آن ایجاد شده و منجر به تنوعِ فنوتیپی و ساختاریِ موجودات زنده شده است.

چکیده انگلیسی:

The use of biological sciences plays an essential role in understanding the culture of each nation and preserving it. The preservation of cultural values ​​as the recognition of the historical identity of each nation, is one of the issues that must be considered in every country and is one of the main priorities of relevant institutions. Considering that the science of archeology and ancient studies and investigations have always tried to reveal the hidden corners of the human past, many tools have come to the aid of this science, and especially in recent decades, this science is armed with the sciences and tools. A novelty among genetic studies has become ancient. In this research, with a review of published findings and based on laboratory experiences, the study of the mechanism of DNA chemical structure destruction and the appropriate methods for its extraction were discussed in such a way that as a result, valuable genetic information was provided to researchers in the field of past genetics. Among these results of human evolution, migration paths, mixing, separation and derivation of ethnic groups from the same degree of kinship of humans or ethnic groups with each other, genealogy, diagnosis of genetic diseases, etc., can be mentioned. DNA is the only molecular fragment in the structure of living organisms, which is the source of identity information, a black box, and the key to their secrets. This fragment reflects the structural information in each period of history.

منابع و مأخذ:

• Figueiro, G., 2024. Simulating the effects of kinship and postmarital residence patterns on mitochondrial DNA diversity in mortuary contexts. American Journal of Biological Anthropology, p.e24910.
• Watherston, J. and McNevin, D., 2024. Skull and long bones–Forensic DNA techniques for historic shipwreck human remains. Australian Journal of Forensic Sciences, 56(4), pp.367-391.
• Wright, S.L., Rayfield, K.M., Singleton, R.R., Hughes, K., Soficaru, A., Creţu, C., Huang, L., Wu, S., Reinberger, K.L., Rabinowitz, A. and Hofman, C.A., 2024. Ancient DNA and paleoproteomic analysis on Roman Imperial-era individuals from Histria, Romania. Journal of Archaeological Science: Reports, 56, p.104510.
• Arzelier, A., De Belvalet, H., Pemonge, M.H., Garberi, P., Binder, D., Duday, H., Deguilloux, M.F. and Pruvost, M., 2024. Ancient DNA sheds light on the funerary practices of late Neolithic collective burial in southern France. Proceedings of the Royal Society B, 291(2029), pp.rspb-2024.
• Branton, D., Deamer, D.W., Marziali, A., Bayley, H., Benner, S.A., Butler, T., Di Ventra, M., Garaj, S., Hibbs, A., Huang, X.(2008). The potential and challenges of nanopore sequencing. Nat Biotechnol, 26: 1146–1153.
• Caramelli, D. et al. (2006). A highly divergent mtDNA sequence in a Neanderthal individual from Italy. Curr. Biol. 16, R630–R632.
• Dabney, J., Knapp, M., Glocke, I., Gansauge, M.T., Weihmann, A., Nickel, B., Valdiosera, C., García, N., Pääbo, S., Arsuaga, J. L. (2013). Complete mitochondrial genome sequence of a Middle Pleistocene cave bear reconstructed from ultrashort DNA fragments. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 110, 15758.
• Eduardoff, M., Xavier, C., Strobl, C., Casas-Vargas, A., Parson, W. 2017. Optimized mtDNA Control Region Primer Extension Capture Analysis for Forensically Relevant Samples and Highly Compromised mtDNA of Different Age and Origin. Genes, 8, 237.
• Epp, L.S., Zimmermann, H.H., Stoof-Leichsenring, K.R. (2019). Sampling and Extraction of Ancient DNA from Sediments. Methods Mol. Biol. Clifton N.J, 1963, 31–44.
• Epp, L.S., Zimmermann, H.H., Stoof-Leichsenring, K.R. (2019). Sampling and Extraction of Ancient DNA from Sediments. Methods Mol. Biol. Clifton N.J., 1963, 31–44.
• Erfanmanesh, P., Jahandari, S. (2022). Investigation of mtDNA in sequences and genetic laboratory methods used in Genetic studies of Yastan, Iran Laboratory Science Quarterly (16), 17-21. [in Persian]
• Glocke, I., Meyer, M. (2017). Extending the spectrum of DNA sequences retrieved from ancient bones and teeth. Genome Res., 27, 1230–1237.
• Ha¨nni, C., Brousseau, T., Laudet, V. & Stehelin, D. (1995). Isopropanol precipitation removes PCR inhibitors from ancient bone extracts. Nucleic Acids Res., 23, 881–882.
• Hirano, M., Rakwal, R., Shibato, J., Agrawal, G.K., Jwa, N.S., Iwahashi, H. and Masuo, Y., 2006. New protein extraction/solubilization protocol for gelbased proteomics of rat (female) whole brain and brain regions. Molecules & Cells(Springer Science & Business MediaBV), 22(1):119-25.
• Hofreiter, M., Serre, D., Hendrik N.P., Kuch, M., & Pääbo, S. (2001). ANCIENT DNA.
• Höss, M., Pääbo, S. (1993). DNA extraction from Pleistocene bones by a silica-based purification method. Nucleic Acids Res, 21, 3913–3914.
• Höss, M., Pääbo, S. (1993). DNA extraction from Pleistocene bones by a silica-based purification method. Nucleic Acids Res., 21, 3913–3914.
• Jones, A.S., Mian, A.M, Walker, R.T.J. (1968). Chem Soc C, 2042–2044.
• Kalmar, T., Bachrati, C.Z., Marcsik, A. & Rasko, I. A. (2000). simple and efficient method for PCR amplifiable DNA extraction from ancient bones. Nucleic Acids Res. 28, E67.
• Kim, S, Soltis D.E, Soltis, P.S, Sue, Y. (2004). DNA sequences from Miocene fossils: an ndhF sequence of Magnolia latahensis (Magnoliaceae) and an rbcL sequence of Persea pseudocarolinensis (Lauraceae). Am J Bot.
• Kraus, J. (2010). What is New in Ancient DNA.
• Lindahl, T. (1993), Instability and decay of the primary structure of DNA. Nature, 362, 709–715.
• Maldonado, A.M., Echevarría-Zomeño, S.,Jean-Baptiste, S., Hernández, M. and Jorrín-Novo, J.V., 2008. Evaluation of three different protocols of protein extraction for Arabidopsis thaliana leaf proteome analysis by two-dimensional electrophoresis. Journal of Proteomics, 71(4):461-472.Doi:10.1016/j.jprot.2008.06. 012 • Marshall, C., Sturk-Andreaggi, K., Daniels-Higginbotham, J., Oliver, R.S., Barritt-Ross, S., McMahon, T.P. (2017). Performance evaluation of a mitogenome capture and Illumina sequencing protocol using non-probative, case-type skeletal samples: Implications for the use of a positive control in a next-generation sequencing procedure. Forensic Sci. Int. Genet, 31, 198–206. • Martínez-Maqueda, D., Hernández-Ledesma,B., Amigo, L., Miralles, B. and Gómez Ruiz, J.Á., 2013. Extraction/fractionation techniques for proteins and peptides and protein digestion. Proteomics in Foods: Principles and Applications, 21-50.Doi:10.1007/978-1-4614-5626-1_2. • Matysiak-Scholze,U., Dimmeler,S. & Nehls,M. (1996). Technical Tips Online, T40011. • Meyer, M., Fu, Q., Aximu-Petri, A., Glocke, I., Nickel, B., Arsuaga, J.-L., Martínez, I., Gracia, A., de Castro, J.M.B., Carbonell, E. (2014). A mitochondrial genome sequence of a hominin from Sima de los Huesos. Nature 505, 403–406. • Meyer, M., Fu, Q., Aximu-Petri, A., Glocke, I., Nickel, B., Arsuaga, J.L., Martínez, I., Gracia, A., de Castro, J.M.B., Carbonell, E. (2014). A mitochondrial genome sequence of a hominin from Sima de los Huesos. Nature, 505, 403–406. • Mishra.alakandra(2017). Mitochondria DNA • Pääbo, S. & Wilson, A. C. (1991). Miocene DNA sequences — a dream come true? Curr. Biol. 1, 45–46. • Provides a comprehensive review of DNA damage that includes what is expected to occur in archaeological and palaeontological specimens. • Rohland, N., Glocke, I. (2007). Ayinuer Aximu-Petri and Matthias Meyer. Extraction of highly degraded DNA from ancient bones, teeth and sediments for high-throughput sequencing. This protocol is an update to: Nat. Protoc, 2, 1756–1762. • Sawyer, S., Krause, J., Guschanski, K., Savolainen, V., Pa¨a¨bo, S. (2012). Temporal patterns of nucleotide isincorporations and DNA fragmentation in ancient DNA. PloS ONE, 7: e34131. • Sheoran, I.S., Ross, A.R., Olson, D.J. and Sawhney, V.K., 2009.Compatibility of plant protein extraction methods with mass spectrometry for proteome analysis. Plant Science, 176(1): 99-104.Doi:10.1016/j.plantsci.2008.09.015. • Slon, V., Hopfe, C., Weiß, C.L., Mafessoni, F., de la Rasilla, M., Lalueza-Fox, C., Rosas, A., Soressi, M., Knul, M.V., Miller, R. (2017). Neandertal and Denisovan DNA from Pleistocene sediments. Science, 356, 605–608 • Slon, V., Hopfe, C., Weiß, C.L., Mafessoni, F., de la Rasilla, M., Lalueza-Fox, C., Rosas, A., Soressi, M., Knul, M.V., Miller, R. (2017). Neandertal and Denisovan DNA from Pleistocene sediments. Science, 356, 605–608. • Thomas, R.H, Schaffner , W, Wilson, A.C, Pääbo, S. (1989) DNA phylogeny of the extinct marsupial wolf. Nature, 340:465–467. • Wang, N., Wu, X., Ku, L., Chen, Y. andWang, W., 2016. Evaluation of threeprotein-xtraction methods for proteome analysis of maize leaf midrib, a compound tissue rich in sclerenchyma cells. Frontiers in Plant Science, 7:856.Doi:10.3389/fpls.2016.0085
• www.fermentas.com/techinfo/pcr/pcrprotocolpfu.htm