Natura 463, 757-762 (11 febbraio 2010) | doi: 10.1038/nature08835; Ha ricevuto 30 novembre 2009; Accettiamo 18 gennaio 2010 trasmesso il 16 -2-2010

Antica sequenza del genoma umano di un estinto paleo-Eskimo

Morten Rasmussen^1,2,25, Yingrui Li^2,3,25, Stinus Lindgreen^1,4,25, Jakob Skou Pedersen⁴, Anders Albrechtsen⁴, Ida Moltke⁴, Mait Metspalu⁵, Ene Metspalu⁵, Toomas Kivisild^5,6, Ramneek Gupta⁷, Marcelo Bertalan⁷, Kasper Nielsen⁷, M. Thomas P. Gilbert^1,2, Yong Wang⁸, Maanasa Raghavan^1,9, Paula F. Campos¹, Hanne Munkholm Kamp^1,4, Andrew S. Wilson¹⁰, Andrew Gledhill¹⁰, Silvana Tridico^11,12, Michael Bunce¹², Eline D. Lorenzen¹, Jonas Binladen¹, Xiaosen Guo^2,3, Jing Zhao^2,3, Xiuqing Zhang^2,3, Hao Zhang^2,3, Li Zhuo^2,3, Minfeng Chen^2,3, Ludovic Orlando¹³, Karsten Kristiansen^2,3,4, Mads Bak¹⁴, Niels Tommerup¹⁴, Christian Bendixen¹⁵, Tracey L. Pierre¹⁶, Bjarne Grønnow¹⁷, Morten Meldgaard¹⁸, Claus Andreasen¹⁹, Sardana A. Fedorova^5,20, Ludmila P. Osipova²¹, Thomas F. G. Higham⁹, Christopher Bronk Ramsey¹⁰, Thomas v. O. Hansen²², Finn C. Nielsen²², Michael H. Crawford²³, Søren Brunak^7,24, Thomas Sicheritz-Pontén⁷, Richard Villems⁵, Rasmus Nielsen^4,8, Anders Krogh^2,4, Giugno Wang^2,3,4 & Eske Willerslev^1,2

1. Centro per GeoGenetics, Museo di Storia Naturale di Danimarca e Dipartimento di Biologia, Università di Copenhagen, Universitetsparken 15, DK-2100 Copenaghen, Danimarca
2. Sino-danese Genomics Center, BGI-Shenzhen, Shenzhen 518083, Cina, e l'Università di Copenhagen, DK-2100 Copenaghen, Danimarca
3. BGI-Shenzhen, Shenzhen 518083, China
4. Dipartimento di Biologia, Università di Copenhagen, Ole Maaloes Vej 5, DK-2200 Copenaghen, Danimarca
5. Dipartimento di Biologia Evolutiva, Università di Tartu e estone Biocentre, 23 Riia Street, 510.101 Tartu, Estonia
6. Leverhulme Centre for Human Evolutionary Studies, Department of Biological Anthropology, Henry Wellcome Building, Fitzwilliam Street, University of Cambridge, Cambridge CB2 1QH, UK
7. Center for Biological Sequence Analysis, Dipartimento della biologia dei sistemi, Technical University of Denmark, DK-2800 Lyngby, Danimarca
8. Dipartimenti di biologia integrativa e statistica, UC-Berkeley, 4098 VLSB, Berkeley, California 94720, USA
9. Laboratorio di ricerca per l'Archeologia e Storia dell'Arte, Dyson Perrins Building, South Parks Road, Oxford OX1 3QY, UK
10. Dipartimento di scienze archeologiche, School of Life Sciences, University of Bradford, West Yorkshire, Bradford BD7 1DP, UK
11. Biologici Criminalistica, Australian Federal Police, 1 Unwin Place, Weston, ACT 2611, Australia
12. DNA antico laboratorio, Facoltà di Scienze Biologiche e Biotecnologie, Murdoch University, Perth 6150, Australia
13. Paleogenetics e Molecular Evolution, Institut de génomique fonctionnelle de Lyon, Université de Lyon, Université Lyon 1, CNRS, INRA, Ecole Normale Supérieure de Lyon, 46 allée d'Italie, 69364 Lyon Cedex 07, Francia
14. Wilhelm Johannsen Centro Funzionale Per Genome Research, University of Copenhagen, Department of Cellular and Molecular Medicine, L'Istituto Panum, Blegdamsvej 3A, DK-2200 Copenaghen, Danimarca
15. Dipartimento di Genetica e Biotecnologie, Università di Aarhus, Blichers Allé 20PO Box 50, DK-8830 Tjele, Danimarca
16. Department of Biological Anthropology, University of Cambridge, Cambridge CB2 3QY, UK
17. Raccolte etnografiche, Museo Nazionale di Danimarca, Frederiksholms Kanal 12, DK-1220 Copenaghen, Danimarca
18. Museo di Storia Naturale di Danimarca, Università di Copenhagen, Øster Voldgade 5-7, DK-1350 Copenaghen, Danimarca
19. Museo nazionale della Groenlandia e gli Archivi, PO Box 145, DK-3900 Nuuk, Groenlandia
20. Dipartimento di Genetica Molecolare, Yakut Centro di Ricerca, Accademia Russa delle Scienze Mediche, 4 Sergelyahonskoe Shosse, Yakutsk 677.019, Sacha, Russia
21. L'Istituto di Citologia e Genetica, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, Lavrentyeva Ave.. Novosibirsk 630090, Russia
22. Dipartimento di Biochimica Clinica, Rigshospitalet, Università di Copenhagen, DK-2100 Copenaghen, Danimarca
23. Dipartimento di Antropologia, Università del Kansas, Lawrence, Kansas 66045, USA
24. Novo Nordisk Fondazione Centro per la ricerca della proteina, Facoltà di Scienze della Salute, Università di Copenhagen, Blegdamsvej 3A, DK-2200 Copenaghen, Danimarca
25. Questi autori hanno contribuito anche a questo lavoro.

Corrispondenza a: Jun Wang^2,3,4Eske Willerslev^1,2 Corrispondenza e le richieste per i materiali devono essere indirizzate alla EW (E-mail: ewillerslev@snm.ku.dk) O J.W. (E-mail: wangj@genomics.org.cn).

Questo articolo è distribuito sotto i termini della licenza Creative Commons Attribuzione-Non commerciale-Condividi allo stesso modo di licenza (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/), Che consente la distribuzione e la riproduzione con qualsiasi mezzo, a condizione che l'autore originale e la fonte sono accreditati. Questa licenza non consente lo sfruttamento commerciale, e le opere derivate devono essere autorizzato sotto la licenza uguali o simili.

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Abstract

Riportiamo di seguito la sequenza del genoma di un essere umano antico. Ottenuti da ~ 4.000-year-old permafrost conservati i capelli, il genoma rappresenta un individuo di sesso maschile dalla cultura in primo luogo conosciuto a stabilirsi in Groenlandia. Sequenziato per una profondità media di 20 ×, si recupera il 79% del genoma diploide, un importo molto vicino al limite pratico delle nuove tecnologie di sequenziamento corrente. Ci identifichiamo 353.151 alta la fiducia dei polimorfismi a singolo nucleotide (SNP), di cui il 6,8% non sono stati riportati in precedenza. Stimiamo prime contaminazioni leggere per essere non superiore al 0,8%. Usiamo la valutazione SNP funzionali per assegnare eventuali caratteristiche fenotipiche dell'individuo che apparteneva a una cultura la cui posizione ha portato unica traccia resti umani. Confrontiamo l'alta SNPs fiducia a quelli delle popolazioni contemporanee per trovare le popolazioni più strettamente legato al singolo individuo. Ciò fornisce la prova di una migrazione dalla Siberia nel nuovo mondo, circa 5.500 anni fa, indipendente da quello all'origine della moderna nativi americani e gli Inuit.

I recenti progressi nelle tecnologie di sequenziamento del DNA hanno avviato l'era della genomica personale. Otto sequenze del genoma umano sono stati segnalati finora, per gli individui con antenati in tre regioni geografiche distinte: un africano Yoruba^{1, 2}, Quattro europei^{2, 3, 4, 5}, Un cinese Han⁶, E due coreani^{7, 8}, E ben presto questo insieme di dati si espanderà in modo significativo al progetto del genoma '1000 'è stato completato.

Dal punto di vista evolutivo, tuttavia, la genomica moderna è limitata da non essere in grado di scoprire passato diversità genetica umana e la composizione direttamente. Per accedere a tali dati, l'antica sequenziamento genomico è necessaria. Attualmente, non da un genoma umano antico è stato pubblicato, è la più vicina due insiemi di dati che rappresentano una megabasi pochi (Mb) di DNA da un unico Neanderthal^{9, 10}. Contaminazione e degradazione del DNA hanno anche compromesso la possibilità di ottenere la sequenza ad alta profondit๹, E non antiche genoma nucleare è stato sequenziato più profonde di circa 0,7 ×¹²-Un livello insufficiente per la genotipizzazione e l'esclusione di errori a causa di sequencing o post-mortem danni al DNA¹³.

Nel 2008 abbiamo utilizzato permafrost conservati i capelli da una delle prime persone che si insediarono nel Nuovo Mondo Artico (Alaska settentrionale, il Canada e la Groenlandia), appartenenti alla cultura Saqqaq (un componente della regione artica Small tradizione Tool; circa 4,750-2,500 ¹⁴Anno C, prima di specie (yr bp))^{14, 15} per generare la prima serie completa di antiche arti umane DNA mitocondriale (mtDNA) genoma¹⁶. Un totale di 80% del DNA umano è stato recuperato, senza evidenza di DNA umano moderno contaminante. Così, il campione è un ottimo candidato su cui la prima sequenza del genoma umano antico nucleare. Anche se i manufatti culturali dal Mar Artico Small tradizione Tool si trovano molti luoghi del Nuovo Mondo Artico, pochi resti umani sono stati recuperati. Così, il progetto di sequenziamento qui descritto è una prova diretta della misura in cui la genomica antica possono contribuire conoscenza di culture ormai estinte, da cui poco si sa sui loro tratti fenotipici, origine genetica e le relazioni biologiche di presentare popolazioni giorni.

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Caratteristiche del campione, la qualità e il sequenziamento del DNA strategia

Il campione utilizzato per il sequenziamento genomico è il più grande (circa 15 × 10 cm) di quattro ciuffi di capelli umani scavati direttamente dal culturalmente depositati sedimenti permafrozen a Qeqertasussuk (Fig. 1a, b). Analisi degli isotopi stabili luce dei capelli Saqqaq (carbonio e azoto) ha rivelato che l'individuo invocato ad alto livello trofico delle risorse alimentari marine (Fig. 1e e Informazioni supplementari). Spettrometria di massa Accelerator (AMS) datazione al radiocarbonio del campione di capelli prodotto una data del 4044 ± 31 ¹⁴C yr bp e 4,170-3,600 cal. yr bp quando corregge il locale per effetto di bacino marino (Informazioni supplementari). Nonostante la sua età microscopi elettronici, analisi morfologica del ciuffo di capelli chiari e con la scansione indicata ottima conservazione generale (Fig. 1c, d e Informazioni supplementari).

Figura 1: Campione dettagli.

un, Posizione del sito Saqqaq Cultura Qeqertasussuk, nord-occidentale della Groenlandia (dopo ref. 15). b, Campione Saqqaq capelli. c, Saqqaq e fusto del capello moderna su un microscopio a confronto. d, Comparative sezioni trasversali della moderna caucasici e peli Saqqaq. E, Le misurazioni degli isotopi di carbonio e di azoto sui capelli Saqqaq (piazza Brown, Qt 86 profilo C 85/261: 12 Oxford; triangolo rosa, Qt 86 profilo C 85/261: 12 Bradford), un altro campione di capelli Saqqaq da un contesto simile (verde Diamond, Qt 87 FB 20/20), sei antica Thule (Inuit) campioni (cerchio viola), ha pubblicato i dati sui moderni Uummannaq (Groenlandia) onnivori (diamante arancione), e moderno onnivori danese (quadrato blu) e vegani (cerchio arancione) . Saqqaq e Thule sono indicati come medie di 2-3 repliche (Informazioni supplementari). Le barre di errore, s.d. f, Età calibrata (prima di oggi) sui capelli Saqqaq e renne associati (tarandus Rangifer) le ossa, i tracciati utilizzando la curva di calibrazione INTCAL04⁴⁰, Vengono visualizzati. Le date di capelli umani sono calibrati per due volte, una con una correzione per l'effetto marine serbatoio (Informazioni supplementari).
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Una delle principali preoccupazioni negli studi sul DNA antico è il danno post-mortem, citosina alla deaminazione uracile, che può dare luogo a costituzione di base erronee^{17, 18}. Tali lesioni miscoding rendere difficile distinguere i veri sostituzioni evolutivamente derivati da quelli che sono i danni-based, soprattutto se la profondità sequenza è bassa. È quindi preferenziale per escludere molecole di DNA danneggiato prima di sequenziamento, se realizzabile senza la perdita di notevoli quantità di modelli di partenza. Abbiamo stabilito la fattibilità pratica di questo, mettendo a confronto Illumina il sequenziamento librerie che sono state inizialmente arricchito con due enzimi DNA polimerasi differenti: (1) polimerasi Phusion (Finnzymes) come suggerito nel protocollo Illumina di preparazione propria biblioteca, che non è in grado di replicarsi attraverso uracile¹⁹E (2) Platinum Taq High Fidelity (HiFi, Invitrogen) polimerasi, in grado di replicarsi attraverso uracile (Informazioni supplementari).

I risultati ci hanno permesso di stimare una deaminazione complessivo a base di tasso di danni nel genoma Saqqaq di <1%, che è, come previsto, inferiore a quello ottenuto dal sequenziamento GS FLX¹⁶ (Informazioni supplementari). Abbiamo anche trovato le sequenze integre per essere leggermente più corta, in media, da quelli contenenti i danni (55 paia di basi (bp) per Phusion versus 59 bp per l'HiFi). Tuttavia, dato che il sequenziamento GS FLX fucile mostra una lunghezza media molecolare di <76 bp nel campione di capelli Saqqaq¹⁶ (un noto a causa della sopravvalutazione di calcolo automatico di filtraggio dei brevi letture), e che la reazione a catena della polimerasi quantitativa (qPCR) ha rivelato numero di copie elevato di brevi frammenti (circa 1,8 milioni di copie per microlitro di DNA estratto di 85-bp mtDNA), scendendo a circa esponenzialmente con la lunghezza di sequenza (Fig. complementare. 10), Abbiamo concluso che l'esclusione di molecole danneggiate fa poca differenza per il numero delle molecole di DNA di partenza per l'arricchimento di sequenza iniziale.

Ancient DNA umano è particolarmente sensibili alla contaminazione da DNA moderno²⁰. Anche se i risultati qPCR ha confermato che la conservazione del DNA nei capelli Saqqaq è eccellente come giudicato dalle norme del DNA antico²¹, Abbiamo intrapreso varie azioni per ridurre al minimo prima di sequenziamento e di controllo per la contaminazione. Oltre a utilizzare un protocollo di decontaminazione, che ha già avuto successo sul campione di capelli Saqqaq¹⁶, Abbiamo usato anche adattatori per l'indicizzazione e fondi nei preparativi biblioteca¹³, In modo che ogni possibile contaminazione di entrare i campioni dopo aver lasciato il DNA antico laboratorio pulita a Copenaghen potrebbe essere facilmente individuata (Informazioni supplementari). Questo assicura che ogni possibile contaminazione umana dovrebbe rivelare se stesso come essere di origine europea, dato che qualsiasi manipolazione passi prima di indicizzazione sono stati effettuati solo da parte di guerriglieri europei del nord (Informazioni supplementari).

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Sequenziamento e assemblaggio

Dodici biblioteche del DNA sono stati costruiti nel laboratorio dedicato Copenaghen del DNA antico, diversi PCR arricchimento indicizzati sono stati effettuati, e ciascuno è stato sequenziato su una media di tre corsie con Illumina GAII sequenziamento piattaforme a BGI-Shenzhen. Inoltre, due piste di sequenziamento sono state completate presso le strutture Illumina in Hayward, California e Chesterford, in Inghilterra. Con poche eccezioni, 70 cicli di sola lettura sequenziamento sono state eseguite, sempre seguita da un 6 indicizzazione bp leggere (Informazioni supplementari). Il sequenziamento ha prodotto un totale di 3,5 miliardi di legge, da un totale di 242 piste.

Sequenze non porta un match al 100% nell'indice di lettura sono stati esclusi da tutte le analisi a valle. Ciò ha consentito 93,17% di tutte le letture di essere tentato di essere mappato il genoma umano di riferimento (hg18) utilizzando una matrice suffisso strategia basata sulla mappatura che consenta l'identificazione delle sequenze primer residuo atteso da librerie di brevi frammenti di DNA antico (Informazioni supplementari). Rifilatura Primer è stato realizzato come parte integrante della mappatura durante l'allineamento di ogni lettura al genoma. In particolare, per tutte le posizioni di un controllo è stato fatto come se un migliore allineamento potrebbe essere fatta tra il resto della lettura e l'innesco. Se trovato, questa posizione nel letto è stato usato per tagliare il primer (Informazioni supplementari). Ciò ha fornito una media mappato leggere lunghezza di 55,27 nucleotidi. Della legge correttamente indicizzato, 49,2% potrebbe essere mappata univocamente (46% del totale delle letture). Legge con più corrispondenze o no le partite sono state scartate (Fig. 2a). Analisi della legge, senza partite indicato che la maggior parte erano identificabili, mentre il resto erano di eucarioti microbica, virale, o di origine batterica (Fig. 2b). Leggere sequenze dalla biblioteca stessa, che sono stati mappati al genoma di riferimento con lo stesso inizio e di fine le posizioni sono state esaminate clonale, e sono crollato a singole sequenze con i punteggi di qualità superiore (Informazioni supplementari). Questo ha comportato una serie di dati definitivi 28,47% di tutte le letture. Inoltre, al fine di evitare erronee SNP invita a causa di inserimenti ed eliminazioni, abbiamo scartato gli ultimi sette nucleotidi a partire dalla fine 3 'del mappato legge, ottenendo una media finale dimensione di lettura di 48 nucleotidi. Ciò fornisce una profondità media di 20 × tra il 79% del genoma (Fig. 2a). Dato un massimo di leggere la lunghezza di 70 BP e una media mappato leggere la lunghezza di 55 BP, si stima che è teoricamente possibile per coprire alcuni 85-87% del genoma (Informazioni supplementari), Il che significa che siamo vicini ad avere sequenziato tutto ciò che è fattibile con la tecnologia a portata di mano. Circa la metà dei posti sono coperti con una profondità> 7 ×, con qualche variazione, lungo i cromosomi, in gran parte spiegato da strutture ripetitive nel genoma, che può sia artificialmente aumentare o diminuire la profondità a livello locale (Fig. 2c-f).

Figura 2: Dati di riepilogo.

un, Un diagramma di flusso che riassume i nostri dati pipeline. b, Distribuzione di tutte le letture tra i principali gruppi tassonomici. cRegioni ripeto, la distribuzione cumulativa della legge in tutto il genoma, per tutte le posizioni (nero), solo ripetere le regioni (blu) o esclusivi (verde). d, La profondità di lettura (verde) varia lungo i cromosomi. E, Gran parte di questa variazione è da attribuire alla struttura ripetitiva del genoma ed è particolarmente pronunciata nelle regioni altamente ripetitive, ad esempio, che fiancheggia la centromero, ma si osserva anche in regioni con i geni (le sfumature del blu). f, Simple ripete, qui (CAGC)_n (grigio), sono comuni le lacune di assemblaggio e di conseguenza provocare alleviato leggere profondità. Al contrario, un recente duplicazione segmentale (nero, con differenze in rosso) si impedirà legge dalla mappatura in modo univoco e abbassare la profondità di lettura.
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Genotipizzazione e analisi comparative genomic

Per la genotipizzazione, abbiamo sviluppato un modello probabilistico del campionamento di legge dal genoma diploide, chiamato SNPest, che tiene i punteggi di qualità e di diverse fonti di errori di lettura in considerazione. Per i cromosomi sessuali e il mtDNA di un modello aploidi è stato utilizzato. Tenuto conto della legge e mappato i punteggi di qualità, abbiamo assegnato il genotipo più probabile ad ogni posizione (Informazioni supplementari). Abbiamo eseguito genotipizzazione in tutte le posizioni, utilizzando tutte le informazioni disponibili letto per profondità ≤ 200 ×. Per profondità leggi> 200 ×, abbiamo basato la genotipizzazione del campione casuale di 200 letture. Questa semplificazione è stato dimostrato che hanno un effetto trascurabile sui risultati, mentre l'accelerazione dei calcoli notevolmente (Informazioni supplementari). Ciò ha portato a 2,2 milioni di SNP (Fig. 2a), Di cui il 86,2% sono stati in precedenza segnalati (dbSNPv130).

Abbiamo inoltre definito un sottoinsieme di alta qualità del SNP, sulla base di posizioni con la profondità leggere tra 10 × e 50 ×, per evitare mal coperte e le regioni ripetitivi con estrema profondità di lettura. Abbiamo anche chiesto che questi SNP hanno probabilità a posteriori di> 0,9999, non deve essere collocato in regioni ripetere annotati, e di avere una distanza di almeno 5 BP per la più vicina vicina SNP per tenere conto di inserimento e / o cancellazione (Indel) errori⁶. Questo ha fornito un totale di 353.151 SNPs con un 93,2% di sovrapposizione con dbSNP (V130) (Fig. 2a).

Il genoma mitocondriale è stato sequenziato per una profondità media di 3.802 ×. Il consenso è stato identico a quello precedentemente recuperati dal sequenziamento GS FLX, tranne che una posizione unica in precedenza chiamato come eterozigote¹⁶ è stato ora chiamato a C. Utilizzando il modello diploide, non ad alta eterozigoti di fiducia sono stati trovati. Applicando il modello diploide al cromosoma X ha comportato la omozigote 1.707 (contro 3.071 con il modello aploide) e 76 eterozigote alta SNP fiducia. Di questi ultimi, il 29% può essere spiegata con indels note e variazioni strutturali, mentre il rimanente può essere riferito agli errori di mappatura nelle regioni ripetitivi (Informazioni supplementari). Per il cromosoma Y Saqqaq, abbiamo trovato 23 omozigote (contro i 243 con il modello aploide) e 445 eterozigote alta SNP fiducia. Spieghiamo il secondo dal fatto ben noto che i cromosomi Y umani sono difficili da montare a causa di regioni strutturali e ripetitive²². Importante, il numero di SNP eterozigote trovato nel cromosomi X e Y quando si cambia il modello diploide sono simili a quelli moderni sequenziamento del genoma umano (Informazioni supplementari).

Valutare la contaminazione, utilizzando la frequenza di alleli privato europeo (come definito nel progetto diversità del genoma umano) come stimatore e di un tasso fisso di errore da basi osservato vicini, si stima la contaminazione prime leggi ad essere al massimo dello 0,8% (errore standard (SE ) ± 0,2%) (Informazioni supplementari), Un livello che non riguardano la nostra alta chiamate genotipo fiducia e avrà un effetto trascurabile altrimenti.

Abbiamo studiato l'individuo Saqqaq per i segni di incroci con due nuovi approcci statistici che eludono il problema di incertezza nel genotipo chiede di eterozigoti, con le popolazioni della Siberia da Complementare Tabella 12 come riferimento. I metodi forniscono una stima a livello del genoma del coefficiente di consanguineità (F) E di individuare le regioni di identità per discendenza (IBD) in tutto il genoma (Fig. complementare. 13). Il valore stimato di F è di 0,06 (se 0,011) assumendo nessun errore di genotipizzazione, che è equivalente a un figlio di due cugini di primo grado, ma potrebbe essere stata causata da altri rapporti di famiglia dei genitori (Informazioni supplementari). Un valore positivo di F potrebbe anche essere spiegato con suddivisione della popolazione tra la popolazione Saqqaq e la popolazione siberiana di riferimento, o dalla selezione naturale. Tuttavia, come molti tratti IBD sono> 10 Mb, molto più che la misura di linkage disequilibrium nel genoma umano, consanguinei all'interno della popolazione Saqqaq è più probabile.

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SNP valutazione funzionale

Anche se la relazione tra allele di rischio e nesso di causalità è ancora nella sua infanzia²³, Alcuni tratti fenotipici possono eventualmente essere dedotta dai dati del genoma (tutti SNP funzionali discussi di seguito sono elencati in Complementare Tabella 14). Abbiamo incluso solo genotipi, con una probabilità a posteriori superiore al 99%.

Dato l'allele A1 antigene più di codifica del fattore Rhesus, in combinazione con la mancanza di antigene B e l'antigene O mutazione frameshift, possiamo concludere che l'individuo aveva Saqqaq sangue di tipo A +²⁴. Anche se comune in tutti i gruppi etnici, questo ha delle frequenze molto alte nelle popolazioni della costa orientale della Siberia fino a metà della Cina²⁵. Inoltre, troviamo una combinazione di quattro SNP al HERC2-OCA2 locus, tra gli asiatici che è fortemente associato con gli occhi marroni²⁶. SNP sui cromosomi 2, 5, 15 e X indicano che probabilmente non hanno un colore europeo pelle chiara²⁷, Aveva i capelli scuri e spessi^{28, 29} (in accordo con l'esame morfologico (Fig. 1b-d)), E un aumentato rischio di calvizie^{30, 31}. Lo stesso SNP che è caratteristica di spessore capelli suggerisce anche che probabilmente aveva pala-graduate denti anteriori, un tratto caratteristico di asiatiche e popolazioni indigene americane³². Genotipo AA SNP (avanti Strand) sul cromosoma 16 è coerente con il cerume Saqqaq individuali che di tipo secco che è tipico di asiatici e nativi americani, piuttosto che il tipo bagnato cerume dominante in altri gruppi etnici³³. Inoltre, l'effetto combinato del 12 SNPs sul metabolismo e indice di massa corporea indica che l'individuo Saqqaq è stato adattato a un clima freddo (vedi Informazioni supplementari e Complementare Tabella 14).

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Genetica di popolazione nell'ambito dei singoli Saqqaq

L'origine del Saqqaq e di altre culture paleo-Eskimo, e il loro rapporto di presentare le popolazioni giorni, è stato dibattuto in quanto sono stati scoperti nel 1950³⁴. Teorie concorrenti hanno attribuito le origini di propaggini delle popolazioni che hanno dato luogo a popolazioni indigene americane, come il Na-Dene del Nord America, in alternativa, dalla stessa fonte, come gli Inuit attualmente abitano il Nuovo Mondo Artico, o da altre fonti ancora entrare nel New World, anche più tardi, sia gli antenati degli indigeni americani e gli Inuit (per sintesi See ref. 35).

Uno studio recente SNP genotipizzazione³⁶ del HGDP pannello CEPH di 51 popolazioni ha fornito completo di copertura globale della moderna variazione genomica umana, ma è limitato rispetto alle popolazioni artiche. Pertanto, abbiamo effettuato Illumina Bead-Array-based genotipizzazione su quattro nativi del Nord America e dodici nord popolazioni asiatiche (Complementare Tabella 12). Un totale di 95.502 SNPs dai dati risultanti combinati insieme di 35 popolazioni eurasiatiche e americane era coperto da dati di alta qualità nel genoma Saqqaq ed è stato oggetto di ulteriori analisi (Fig. 3a-c e sotto).

Figura 3: La genetica delle popolazioni e filogenesi.

un, Sedi delle popolazioni studiate sono indicati con le popolazioni più rilevanti indicato dal nome (i numeri in ambienti corrispondono alla colonna nr in Complementare Tabella 12). b, PCA plot (PC1 versus PC2) delle popolazioni studiate e il genoma Saqqaq. c, Proporzioni Ancestry del studiato 492 persone provenienti da 35 esistenti popolazioni americane ed eurasiatici e l'individuo Saqqaq come rivelato dal programma INCORPORAZIONE³⁹ con K = 5. Ogni individuo è rappresentato da una colonna in pila dei cinque proporzioni, con le frazioni indicate sul y asse. L'analisi non si assume alcuna informazione raggruppamento. I campioni sono ordinati per regione / popolazione solo dopo l'analisi. Per una migliore leggibilità dei singoli Saqqaq è mostrato in tre colonne. Popolazioni aggiunto alla raccolta pubblicata³⁶ sono indicati in grassetto. I puntini rossi nella trama estesa indica quattro individui i cui antenati modello ha dimostrato la correlazione percentuale più alta (Kendall τ > 0.95; P < 0,05) con quello dei singoli Saqqaq. d, L'albero filogenetico aplogruppo del cromosoma Y D. La posizione dei singoli Saqqaq è accertato dai marcatori mostrato l'albero. Informazioni per i marcatori mostrato in parentesi manca e il loro status è quindi dedotto. I nomi degli aplogruppi sono secondo ref. 38; Cancelletto indica un errore nel riferimento (Informazioni supplementari).
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L'analisi delle componenti principali (PCA) è stato utilizzato per catturare le variazioni genetiche. PC1 distingue eurasiatici da ovest a est asiatici e nativi americani, mentre il PC2 cattura differenziazione tra asiatici e nativi americani (Fig. 3b). Importante, il grafico mostra PC1 versus PC2 che l'individuo Saqqaq rientra nelle vicinanze di tre Vecchio Mondo popolazioni artiche-Nganasans, Coriachi e Chukchis, pur essendo più distante relative ai gruppi New World (Amerindi, Na-Dene e Inuit della Groenlandia). Coriachi e Chukchis abitano Chukotka e del nord della Kamchatka siberiana estremo oriente. Etnografia descrive questi gruppi come un'economia diversificata di sussistenza basata sulla caccia terrestri e marini, nonché allevamento delle renne. Il Nganasans abitano la penisola Taimyr, circa 2.000 km dallo Stretto di Bering e sono la più settentrionale di vita della popolazione del Vecchio Mondo. Anche se storicamente Nganasans sono stati terrestre piuttosto che cacciatori marini, Zhokov, il più antico sito archeologico artico caccia con una significativa componente marina (orso polare) sulla Nuova Siberia Isole (risalente a 7,000-8,000 yr bp³⁷), Si trova appena a est del Nganasans 'area attuale occupazione. Inoltre, la nostra analisi di più di duecento SNPs del cromosoma Y (Informazioni supplementari) Ci ha permesso di assegnare i singoli Saqqaq di aplogruppo del cromosoma Y Q1a (Fig. 3D), Che si trovano comunemente tra Siberia e le popolazioni dei nativi americani³⁸. Il genoma mitocondriale mostra parentela nei pressi di Aleuti del comandante Islands (situate nel Mare di Bering) e Siberia Sireniki Yuits (Asian Eschimesi), come descritto in precedenza¹⁶.

Abbiamo esplorato i dati utilizzando l'algoritmo di INCORPORAZIONE³⁹, Che presuppone un certo numero di popolazioni ipotetiche (K) E fornisce una stima di massima verosimiglianza di frequenze alleliche per ogni popolazione e la proporzione commistione per ogni individuo. Abbiamo studiato i valori di K, Da K = 2 a K = 10, ripetendo informatica 100 volte per ogni valore di K per monitorare la convergenza (Informazioni supplementari). Figura 3c mostra lo schema di colori distinti-coded componenti a K = 5. L'analisi suggerisce che vi è una notevole quantità di West commistione Eurasian nella maggior parte della Siberia, Groenlandia e Nord della popolazione americana. Come per le altre analisi, questa analisi è stata in grado di rilevare l'eventuale aggiunta West Eurasian nei singoli Saqqaq, in accordo con un livello molto basso di contaminazione nel nostro genoma assemblati. L'individuo Saqqaq è praticamente privo di l'elemento distintivo per le popolazioni del Sud e centrale americana (marrone scuro Fig. 3c). Così, al K = 5, il genoma Saqqaq è composto da tre influenze etniche, in particolare quelli caratteristici delle popolazioni indigene in Asia orientale, Siberia, in particolare, e l'Artico, su entrambi i lati dello Stretto di Bering (Fig. 3c). A questo proposito le popolazioni più vicino al Saqqaq sono Coriachi e Chukchis. Soprattutto, in contrasto con Saqqaq e Coriachi, groenlandesi moderna effettuare prove evidenti di commistione o di antenati in comune con amerindi. Inoltre, al K = 5, gli Inuit non è possibile visualizzare i componenti genetiche di Siberiani diverso da quello 'beringiano' visto in Chukchis e Coriachi. I risultati commistione sono in accordo con le trame APC e suggerire condiviso comune origine di Saqqaq e moderni Inuit prima che il movimento del primo verso il Nuovo Mondo.

Abbiamo inoltre utilizzato un modello di popolazione genetica per ottenere stime di massima verosimiglianza dei tempi di divergenza tra l'individuo Saqqaq e le popolazioni di riferimento (Informazioni supplementari). La popolazione con più breve tempo possibile divergenza era Chukchis, con un tempo stimato divergenza di circa 0,043 (± 0,08) N_E generazioni, in cui N_E è la dimensione effettiva della popolazione. Al contrario, i tempi previsti divergenza alle altre popolazioni strettamente collegati-Na-Dene, Coriachi e Nganasans-sono stati 0,093, 0,11 e 0,089, rispettivamente. Il tempo stimato divergenza ai cinesi Han, una popolazione più lontano parente, è stato 0.20. Queste stime possono essere convertiti alle stime di anni o generazioni, facendo ipotesi per quanto riguarda la dimensione effettiva della popolazione delle popolazioni di riferimento. Le dimensioni effettive della popolazione sono sconosciute in generale, ma può essere stimata dai dati della sequenza del DNA, e sono generalmente molto più piccoli rispetto alle dimensioni del censimento (Informazioni supplementari). Non abbiamo trovato prove a favore di cambiamenti nella dimensione della popolazione. Anche quando contabili per l'incertezza nella stima del tasso di mutazione del DNA mitocondriale, e di eventuali distorsioni relative ai dati di genotipizzazione, è comunque improbabile che N_E > 5.000, fornendo una durata massima divergenza tra Chukchis e Saqqaqs di 175-255 generazioni o tra i 4.400 ed i 6.400 anni. Le più antiche testimonianze archeologiche della regione artica Small tradizione Tool nel Nuovo Mondo è da Kuzitrin Lake, Alaska, risalente ~ 5.500 cal. yr bp¹⁴, Indicando che l'ancestrale Saqqaq separati dai loro parenti Old World quasi immediatamente prima della loro migrazione nel Nuovo Mondo.

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Conclusione

Segnaliamo il sequenziamento del genoma di un successo ~ 4.000 anni umani. L'autenticità dei dati è supportata da: (1) i privati analisi SNP che indicano i livelli di contaminazione nei dati grezzi sequenza da ≤ 0,8%; (2), il mtDNA e Y-aplotipi del DNA del cromosoma rientrare in aplogruppi tipici del nord-est asiatico; (3) analisi commistione popolazione non si registra alcun componente europea nel genoma Saqqaq e (4) i posti di APC chiaramente rivelare l'appartenenza a chiusura del genoma Saqqaq a quelle del nord-est contemporanea popolazioni della Siberia. Queste osservazioni, insieme con la prova di conservazione del DNA eccellente, e la manipolazione del campione è limitato agli europei del Nord prima incorporazione di una sequenza di indicizzazione, indicano che la contaminazione del genoma Saqqaq non è di preoccupazione. Il nostro studio dimostra quindi che è possibile sequenziare il genoma di un antico umana a un livello che permette di SNP e analisi della popolazione a prendere posto. Rivela inoltre che tali dati genomici possono essere usati per identificare importanti tratti fenotipici di un individuo da una cultura estinta che ha lasciato solo lievi le informazioni morfologiche dietro. Inoltre, i dati genomici antica rivelarsi importante per affrontare passato storia demografica che mostra in modo inequivocabile dal rapporto stretto tra Saqqaq e Vecchio Mondo popolazioni artiche (Nganasans, Coriachi e Chukchis). Un singolo individuo può o non può, essere rappresentativi della cultura estinta che abitavano la Groenlandia circa 4.000 yr bp. Tuttavia, si può concludere che lui, e forse il gruppo che, una volta attraversato lo Stretto di Bering, questo ha fatto in modo indipendente dagli antenati degli attuali giorno nativi americani e gli Inuit, e che condivide con antenati nord artico-est asiatici, i componenti della struttura genetica che possono essere identificati in molti dei presenti persone giorni su entrambi i lati del mare di Bering. La prossima sfida sarà quella di tecnici sequenza di un genoma umano antico da materiale di fuori delle regioni permafrost. Anche se indubbiamente impegnativo, sarà, in caso di successo, prendere il campo emergente della palaeogenomics ad un altro livello.

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Metodi di Sintesi

DNA è stato estratto da un ~ 4.000-year-old campione di capelli recuperati da Qeqertasussuk, Groenlandia. Indicizzati biblioteche sono stati sequenziati Illumina seguente protocollo del costruttore, e di immagini elaborate con pipeline v1.4. Legge con l'indice corretto sono stati mappati al genoma umano (hg18) con un array suffisso-based metodo che permette di primer residua taglio (Informazioni supplementari). Genotipizzazione è stata effettuata utilizzando un modello probabilistico, SNPest, volti a tener conto di errori specifici per i campioni antichi (Informazioni supplementari).

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Informazioni supplementari

Informazioni complementari accompagna questo articolo.

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Ringraziamenti

Centro per Geogenetics, il ramo di Copenaghen del Sino-danese genomica Centro e Wilhelm Johannsen Centro Funzionale per la Ricerca sul Genoma sono stati sostenuti dal Danish National Research Foundation, la Fondazione Lundbeck, e l'Agenzia Danese per la Scienza, tecnologia e innovazione. Center for Biological Sequence Analysis è stata sostenuta da Villum Kann Rasmussen Fonden, Centro per la proteina Reseaerch dalla Novo Nordisk Foundation. Grazie EW F. Paulsen per il sostegno finanziario di avviare il progetto. Grazie EM estone Science Foundation per la concessione 7.858, e RV CE DGR per il 7PQ Ecogene concedere 205.419 e RDF UE attraverso il centro di eccellenza in materia di concessione Genomics. J.W. ringrazia il Governo Municipale di Shenzhen, il governo locale Yantian distretto di Shenzhen, la National Natural Science Foundation of China (30725008), Ole Romer concessione dal danese Natural Science Research Council, il progetto Solexa (272-07-0196), e dal Danish Strategic Research Council (2106-07-0021). M.Bu. riconosce il sostegno della Australian Research Council. A.K., S.L. e H.M.K. sono stati sostenuti da una sovvenzione della Fondazione Novo Nordisk e JSP Il Consiglio danese per la ricerca indipendente Medical Sciences. M.H.C. grazie della National Science Foundation per il sostegno dei progetti delle Aleutine e della Siberia attraverso sovvenzioni NSF OPP-990.590 e OPP-0327676. Ringraziamo G. Hudjashov, M. Nelis, L. Anton, V. Soo, A. Wesolowska, H.-H. Staerfeldt, K. Rapacki, P. Borra Sackett, J. Li, H. Yu, Y. Huang, H. Zheng, H. Liang e Brand T. per assistenza tecnica e BIOBASE per l'archiviazione delle sequenze di fenotipi selezionati e strutture Illumina core a Hayward , California e Chesterford, in Inghilterra. Uso di HGMD Professional è stato concesso in licenza tramite DTV presso l'Università Tecnica della Danimarca.

Autore Contributi EW inizialmente ideato e dirige il progetto (JW guidato la ricerca a BGI). M. Rasmussen e EW progettato l'installazione sperimentale del progetto di ricerca. TLP, M. Mel., CA, BG, SAF, LPO, MHC, FCN e R.V. hanno fornito campioni e / o estratti di DNA moderno. R.V. effettuate analisi chip Illumina sulle popolazioni moderne. T.F.G.H. e C.B.R ha fatto il AMS dating. A.S.W., A.G. e S.T. ha fatto le analisi morfologiche. M. Raghavan, A.S.W. e A.G. ha fatto le analisi degli isotopi. M.T.P.G., M.Bu. e M. Ras. ha estrazioni del DNA antico. M. Ras. ha fatto l'edificio biblioteca e qPCR. M. Ras. e P.F.C. ha fatto le analisi polimerasi; estratti antichi sono stati forniti da EDL e J.B. Y.L., J.Z., X.G., X.Z., H.Z., Z.L., M.C. e J.W. ha fatto il sequenziamento Illumina e l'analisi di base per la sequenza di dati grezzi. S.L., J.S.P., H.M.K. e A.K. ha fatto il metodo di sviluppo e di analisi dei dati per l'assemblaggio e la genotipizzazione del genoma con il contributo di M. Ras., TS-P., RG, M.Be., KN e S.B. ha fatto il metagenomica, filogenesi genomica e l'assegnazione SNP funzionali. A.A., I.M., Y.W. e R.N. ha fatto l'analisi PCA (con ingresso da RV), incroci le stime e le stime di massima verosimiglianza dei tempi di divergenza. M. Met., E.M. e R.V. ha fatto le analisi commistione. T.K. ha fatto il cromosoma Y-analisi. E.W. e J.W. ciascuna pagati la metà dei costi di sequenziamento del genoma. E.W. pagato le analisi chip Illumina. E.W. e M. Ras. ha scritto la maggior parte del manoscritto, con il contributo critico di AK, SL, JSP, RV, TK, M. Met. RN, IM, AA, MTPG, TS-P., YL, JW e gli autori rimanenti.

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Sull'autore

Sequenze sono state depositate nell'archivio breve letto con SRA010102 numero di adesione, i dati di sintesi sono disponibili anche tramite http://www.ancientgenome.dk.