이 프로토콜은 중세 개인의 5가지 다른 골격 요소(방사성 탄소, 약 1040-1400 CE, 보정된 2-시그마 범위)에 걸쳐 8개의 권장 해부학적 샘플링 위치(주어진 골격 요소의 특정 위치)에서 뼈 분말을 수집하기 위한 일련의 모범 사례 프로토콜을 제시합니다.
여기에 제시된 방법은 입력 샘플 자료를 제한하면서 고대 고고학 유적에서 인간 DNA를 회수 할 수있는 기회를 극대화하려고합니다. 이것은 골격을 가로지르는 DNA 회복의 비교 분석에서 가장 많은 양의 고대 DNA(aDNA)를 산출하는 것으로 이전에 결정된 해부학적 샘플링 위치를 대상으로 수행되었습니다. 이전 연구에 따르면 이러한 프로토콜은 고고학적 유적에서 고대 인간 및 병원체 DNA를 성공적으로 회수할 수 있는 기회를 극대화합니다. DNA 수율은 이전에 Parker et al. 2020은 독일 Peißen 근처의 버려진 중세 정착지인 Krakauer Berg의 묘지에서 회수된 중세(방사성 탄소(약 1040-1400 CE, 보정된 2시그마 범위) 묘지에서 회수된 11명의 개체에서 여러 골격 요소에 대한 aDNA 보존에 대한 광범위한 조사에서 평가되었습니다. 5 개의 골격 요소 (pars petrosa, 영구 어금니, 흉추, 원위 지골 및 거골)에 걸쳐있는이 8 개의 샘플링 지점은 모든 요소와 개인에 걸쳐 전체 평균보다 훨씬 높은 고품질 고대 인간 DNA를 성공적으로 산출했습니다. 수확량은 가장 일반적인 다운스트림 인구 유전자 분석에 사용하기에 적합했습니다. 우리의 결과는 고고학 유적에서 고대 인간 DNA를 분석하는 것과 관련된 대부분의 연구에서 이러한 해부학적 샘플링 위치를 우선적으로 사용하는 것을 뒷받침합니다. 이러한 방법을 구현하면 귀중한 고고학 표본의 파괴를 최소화하는 데 도움이됩니다.
DNA 회수 및 분석을 목적으로 고대 인간 유해를 샘플링하는 것은 본질적으로 파괴적입니다 1,2,3,4. 샘플 자체는 귀중한 표본이며 가능한 한 형태 학적 보존을 보존해야합니다. 따라서 대체 할 수없는 재료의 불필요한 파괴를 피하고 성공 확률을 극대화하기 위해 샘플링 관행을 최적화해야합니다. 현재의 모범 사례 기술은 법의학 조사5,6, 최적의 샘플링 개발이 연구7의 직접적인 목표가 아닌 고대 표본에 대한 연구 또는 인간이아닌 유해8를 활용하거나 매우 작은 해부학적 샘플링 위치를 대상으로 하는전용 연구(여기서는 뼈 가루가 나오는 골격 요소의 특정 영역을 나타내는 데 사용됨, 다운스트림 DNA 분석에 사용하기 위해 생성됨)9,10. 여기에 제시된 샘플링 프로토콜은 여러 개인의 여러 골격 요소에 걸친 DNA 보존에 대한 최초의 대규모 체계적인 연구에서 최적화되었습니다11. 모든 샘플은 독일 작센안할트 페이센(Peißen) 근처의 버려진 중세 정착지 크라카우어 베르크(Krakauer Berg)의 교회 묘지에서 발굴된 11명의 개인으로부터 회수된 골격 요소에서 비롯되었으며(자세한 샘플 인구 통계는 표 1 참조) 따라서 이 지리적/시간적 범위를 벗어난 샘플과 함께 사용하기 위해 수정이 필요할 수 있습니다.
개인 | 성 | 사망 예정 연령 | 14 C 날짜 (CE, 칼 2 시그마) |
크라001 | 남성 | 25-35 | 1058-1219 |
크라002 | 여성 | 20-22 | 1227-1283 |
크라003 | 남성 | 25 | 1059-1223 |
크라004 | 남성 | 15 | 1284-1392 |
크라005 | 남성 | 10-12 | 1170-1258 |
크라006 | 여성 | 30-40 | 1218-1266 |
크라007 | 여성 | 25-30 | 1167-1251 |
크라008 | 남성 | 20 | 1301-1402 |
크라009 | 남성 | 알려지지 않은 | 1158-1254 |
크라010 | 남성 | 25 | 1276-1383 |
크라011 | 여성 | 30-45 | 1040-1159 |
표 1: 유전적으로 결정된 성별, 고고학적으로 결정된 사망 추정 연령, 샘플링된 11명 모두에 대한 방사성 탄소 연대 측정(14C Cal 2-sigma). 이 표는 Parker, C. et al. 202011.
이러한 프로토콜을 사용하면 실험실에서 유도 된 DNA 오염이 제한적으로 5 개의 골격 요소 (pars petrosa 포함)에 걸쳐 8 개의 해부학 적 샘플링 위치에서 비교적 간단하고 효율적인 뼈 분말을 생성 할 수 있습니다. 이 5 개의 골격 요소 중에서, 4 개의 골격 요소에서 발견되는 7 개의 해부학 적 샘플링 위치는 소피라미드11,12의 파괴적인 샘플링에 대한 실행 가능한 대안으로 결정되었습니다. 여기에는 영구 어금니의 시멘트, 상아질 및 펄프 챔버가 포함됩니다. 상부 척추 노치와 흉추의 몸에서 수집 된 피질 뼈; 정점 술의 하부 표면과 원위 지골의 축에서 비롯된 피질 뼈; 그리고 탈리의 외부 부분을 따라 조밀 한 피질 뼈. pars petrosa 4,12,13,14, 상아질 및 치수 챔버 1,2,15의 샘플링을 위해 널리 적용되는 몇 가지 방법이 있지만, 시멘트 16으로부터 뼈 분말의 성공적인 생성을 설명하는 발표 된 방법 , 척추체, 하부 척추 노치 및 거골은 얻기 어려울 수 있습니다. 따라서 여기에서는 petrous 피라미드에 최적화 된 샘플링 프로토콜을 보여줍니다 (3.1 단계). 성인 어금니의 시멘트 (단계 3.2.1), 상아질 (단계 3.2.2) 및 치수 (단계 3.2.3); 척추체의 피질 뼈 (단계 3.3.1) 및 상 척추 아치 (단계 3.3.2); 원위 지골 (단계 3.4); 및 talus (3.5 단계)는 aDNA 및 법의학 연구 모두에 이러한 골격 요소를보다 광범위하게 사용할 수 있도록합니다.
고대 인간 집단 유전학의 현재 관행은 가능할 때마다 pars petrosa (2.1 단계)에서 우선적으로 샘플링하는 것입니다. 그러나, pars petrosa는 무수한 골격 평가 (예 : 인구 이력 32, 사망시 태아 연령 추정33 및 성 결정34)에 대해 매우 가치가 있기 때문에 얻기 어려운 샘플이 될 수 있으며, 역사적으로 DNA 분석을위한 파스 페트로 사의 샘플링은 매우 파괴적 일 수 있습니다3,4 (여기에 제시된 프로토콜 포함, 이러한 우려를 완화하기 위해 새로운 최소 침습적 프로토콜13,14가 널리 채택되었지만). 이것은 아주 최근까지 골격을 가로지르는 인간 DNA 회복에 대한 대규모의 체계적인 연구가 시도되지 않았기 때문에 더욱 복잡해집니다.11, 소피라미드를 사용할 수 없을 때 적절한 샘플링 전략을 찾는 것이 어렵습니다.
여기에 제시된 프로토콜은 pars petrosa를 포함한 고고학/법의학 골격 유적에서 DNA 샘플링을 위한 최적화된 절차 세트와 4개의 추가 골격 요소에 걸친 7개의 대체 해부학적 샘플링 위치를 제공함으로써 이러한 문제를 완화하는 데 도움이 됩니다. 포함된 중요한 단계는 모두 비효율적인 샘플링(2.1.6단계 및 3.2.1.3단계) 또는 드릴링/절단 중 샘플 과열(3.1.6단계)로 인한 DNA 손실/손상 가능성을 최소화하기 위한 것입니다. 또한 프로토콜 전반에 걸쳐 고도로 분해된 샘플에서 최상의 성능을 보장하기 위해 전처리 단계를 수정/생략해야 할 수도 있다는 점이 언급되었습니다. 또한 여기에 제시된 선택된 요소 중에도 몇 가지 가능한 대체 샘플링 기술 (특히 pars petrosa13,14의 경우)이 남아 있으며 여기에 제시된 미개발 된 해부학 적 샘플링 위치 (즉, 거골 : 2.5 단계 및 척추 : 2.3 단계).
또한 이러한 프로토콜은 내인성 인간 DNA 분석을 위해 고품질의 고대 청소년-성인 유골(우수한 형태학적 보존)을 사용하여 설계 및 테스트되었음을 명심하는 것이 중요합니다. 제시된 결과는 추가 맥락에서 이러한 프로토콜의 사용에 대한 더 큰 탐구가 여전히 필요하기 때문에 더 고도로 분해된 물질, 기타 보존 맥락, 유아 유해, 비인간 유해 또는 병원체 또는 미생물군집에 대한 연구로 확장되지 않을 수 있습니다. 또한 여기에 제시된 대체 골격 요소(치아, 척추, 원위 지골 및 탈리)는 혼합된 유골 중 단일 개체에 할당하기 어려울 수 있으므로 단일 기원을 보장하기 위해 여러 요소에서 샘플링해야 합니다. 이러한 한계에도 불구하고 이러한 프로토콜을 널리 사용할 수 있도록 하면 인간 유해에 대한 광범위한 미래 aDNA/법의학 연구에 사용할 수 있도록 일반화되고 정량적으로 최적화된 프레임워크를 제공함으로써 샘플 선택 및 처리를 둘러싼 일부 이질성을 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다.
The authors have nothing to disclose.
저자는 이러한 프로토콜의 개발 및 구현에 도움을 준 막스 플랑크 인류 역사 과학 연구소의 실험실 직원에게 감사드립니다. 이 작업은 Guido Brandt 박사, Elizabeth Nelson 박사, Antje Wissegot 및 Franziska Aron의 의견과 노력이 없었다면 불가능했을 것입니다. 이 연구는 막스 플랑크 협회, 유럽 연합의 Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램에 따라 유럽 연구위원회 (ERC)가 보조금 계약 No 771234 – PALEoRIDER (WH, ABR) 및 시작 보조금 번호 805268 CoDisEASe (KIB에)의 자금 지원을 받았습니다.
#16 Dental Drill Bit | NTI | H1-016-HP | example drilling bit |
0.6 mm scroll saw blade | Fisher Scientific | 50-949-097 | blade for Jewellers Saw |
22mm diamond cutting wheel | Kahla | SKU 806 104 358 514 220 | Dremel cutting attachment |
Commercial Bleach | Fisher Scientific | NC1818018 | |
Control Company Ultra-Clean Supreme Aluminum Foil | Fisher Scientific | 15-078-29X | |
DNA LoBind Tubes (2 mL) | Eppendorf | 22431048 | |
Dremel 225-01 Flex Shaft Attachment | Dremel | 225-01 | Dremel flexible extension |
Dremel 4300 Rotary Tool | Dremel | 4300 | Example drill |
Dremel collet and nut kit | Dremel | 4485 | Adapters for various Dremel tool attachments/bits |
Eagle 33 Gallon Red Biohazard Waste Bag | Fisher Scientific | 17-988-501 | |
Eppendorf DNA LoBind 2 mL microcentrifuge tube | Fisher Scientific | 13-698-792 | |
Ethanol (Molecular Biology Grade) | Millipore Sigma | 1.08543 | |
FDA approved level 2 Surgical Mask | Fisher Scientific | 50-206-0397 | PPE |
Fisherbrand Comfort Nitrile Gloves | Fisher Scientific | 19-041-171X | PPE |
Fisherbrand Safety Glasses | Fisher Scientific | 19-130-208X | PPE |
Granger Stationary Vise | Fisher Scientific | NC1336173 | benchtop vise |
Invitrogen UltraPure DNase/Rnase free distilled water | Fisher Scientific | 10-977-023 | |
Jewellers Saw | Fisher Scientific | 50-949-231 | |
Kimwipes | Sigma-Aldritch | Z188956 | |
Labconco Purifier Logic Biosafety cabinet | Fisher Scientific | 30-368-1101 | |
LookOut DNA Erase | Millipore Sigma | L9042-1L | |
Medium weighing boat | Heathrow Scientific | HS120223 | |
MSC 10pc plier/clamp set | Fisher Scientific | 50-129-5352 | Miscellaneous clamps/vise grips for securely holding samples while drilling/cutting |
Sartorius Quintix Semi-Micro Balance | Fisher Scientific | 14-560-019 | enclosed balance |
Tyvek coveralls with hood | Fisher Scientific | 01-361-7X | PPE |
Weigh paper | Heathrow Scientific | HS120116 |