БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 12, с. 1808–1817

УДК 57.05;57.07

Достижения и перспективы эпигенетических исследований древней ДНК

Обзор

© 2021 К.В. Жур 1, В.А. Трифонов 2, Е.Б. Прохорчук 1*prokhortchouk@gmail.com

1 ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН, 119071 Москва, Россия

2 Институт истории материальной культуры РАН, 191186 Санкт-Петербург, Россия

Поступила в редакцию 29.10.2021
После доработки 17.11.2021
Принята к публикации 17.11.2021

DOI: 10.31857/S0320972521120058

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: древняя ДНК, палеоэпигенетика, эпигенетические часы, редактирование эпигенома, ожирение.

Аннотация

Развитие технологий высокопроизводительного полногеномного секвенирования и совершенствование методик пробоподготовки сделало возможным исследование ДНК из археологических образцов возрастом более миллиона лет. В процессе изучения древней ДНК (дДНК) учёными было сделано множество крупных открытий, касающихся миграций людей, замещений одних популяций другими, межвидовых скрещиваний кроманьонцев с неандертальцами и денисовцами, эволюции патогенов человека и др. Не менее революционным стало заявление о возможности исследовать эпигенетические модификации геномов древних людей, что позволило извлечь ранее недоступную информацию, в том числе об активности генов, позиционировании нуклеосом, метилировании ДНК. Анализируя статус метилирования определенных локусов в геноме, можно установить хронологический возраст человека на момент его смерти, реконструировать некоторые особенности фенотипа, как это было сделано для денисовца, и даже определить неблагоприятные факторы внешней среды, воздействию которых подвергался древний человек. Представленный обзор посвящён современным достижениям и перспективным направлениям изучения эпигенетических модификаций дДНК с анализом методических подходов, применяемых в данной области научных исследований.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России, грант № 13.1902.21.0023 (согл. № 075-10-2020-116).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Orlando, L., Ginolhac, A., Zhang, G., Froese, D., Albrechtsen, A., et al. (2013) Recalibrating Equus evolution using the genome sequence of an early Middle Pleistocene horse, Nature, 499, 74-78.

2. Van der Valk, T., Pečnerová, P., Díez-Del-Molino, D., Bergström, A., Oppenheimer, J., et al. (2021) Million-year-old DNA sheds light on the genomic history of mammoths, Nature, 591, 265-269.

3. Reis, M., Donoghue, P., and Yang, Z. (2016) Bayesian molecular clock dating of species divergences in the genomics era, Nat. Rev. Genet., 17, 71-80.

4. Krause, J., and Pääbo, S. (2016) Genetic time travel, Genetics, 203, 9-12.

5. Weyrich, L. S., Duchene, S., Soubrier, J., Arriola, L., Llamas, B., et al. (2017) Neanderthal behaviour, diet, and disease inferred from ancient DNA in dental calculus, Nature, 544, 357-361.

6. Jensen, T. Z. T., Niemann, J., Iversen, K. H., Fotakis, A. K., Gopalakrishnan, S., et al. (2019) A 5700 year-old human genome and oral microbiome from chewed birch pitch, Nat. Commun., 10, 5520.

7. Rasmussen, S., Allentoft, M. E., Nielsen, K., Orlando, L., Sikora, M., et al. (2015) Early divergent strains of Yersinia pestis in Eurasia 5,000 years ago, Cell, 163, 571-582.

8. Green, R. E., Krause, J., Briggs, A. W., Maricic, T., Stenzel, U., et al. (2010) A draft sequence of the Neandertal genome, Science, 328, 710-722.

9. Meyer, M., Kircher, M., Gansauge, M.-T., Li, H., Racimo, F., et al. (2012) A high-coverage genome sequence from an archaic Denisovan individual, Science, 338, 222-226.

10. Prüfer, K., Racimo, F., Patterson, N., Jay, F., Sankararaman, S., et al. (2014) The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains, Nature, 505, 43-49.

11. Jablonka, E. (2013) Epigenetic inheritance and plasticity: the responsive germline, Progr. Biophys. Mol. Biol., 111, 99-107.

12. Luo, X., Song, R., Moreno, D. F., Ryu, H.-Y., Hochstrasser, M., et al. (2020) Epigenetic mechanisms contribute to evolutionary adaptation of gene network activity under environmental selection, Cell Rep., 33, 108306.

13. Briggs, A. W., Stenzel, U., Meyer, M., Krause, J., Kircher, M., et al. (2010) Removal of deaminated cytosines and detection of in vivo methylation in ancient DNA, Nucleic Acids Res., 38, e87.

14. Pedersen, J. S., Valen, E., Velazquez, A. M. V., Parker, B. J., Rasmussen, M., et al. (2014) Genome-wide nucleosome map and cytosine methylation levels of an ancient human genome, Genome Res., 24, 454-466.

15. Gokhman, D., Nissim-Rafinia, M., Agranat-Tamir, L., Housman, G., García-Pérez, R., et al. (2020) Differential DNA methylation of vocal and facial anatomy genes in modern humans, Nat. Commun., 11, 1189.

16. Rohland, N., Glocke, I., Aximu-Petri, A., and Meyer, M. (2018) Extraction of highly degraded DNA from ancient bones, teeth and sediments for high-throughput sequencing, Nat. Protoc., 13, 2447-2461.

17. Lindahl, T. (1993) Instability and decay of the primary structure of DNA, Nature, 362, 709-715.

18. Kavli, B., Otterlei, M., Slupphaug, G., and Krokan, H. (2007) Uracil in DNA – general mutagen, but normal intermediate in acquired immunity, DNA Repair, 6, 505-516.

19. Srivastava, S., and Singh, N. (2011) The probability analysis of opening of DNA, J. Chem. Phys., 134, 115102.

20. Sawyer, S., Krause, J., Guschanski, K., Savolainen, V., and Pääbo, S. (2012) Temporal patterns of nucleotide misincorporations and DNA fragmentation in ancient DNA, PLoS One, 7, e34131.

21. Llamas, B., Holland, M. L., Chen, K., Cropley, J. E., Cooper, A., et al. (2012) High-resolution analysis of cytosine methylation in ancient DNA, PLoS One, 7, e30226.

22. Seguin-Orlando, A., Gamba, C., Sarkissian, C. D., Ermini, L., Louvel, G., et al. (2015) Pros and cons of methylation-based enrichment methods for ancient DNA, Sci. Rep., 5, 11826.

23. Gokhman, D., Lavi, E., Prüfer, K., Fraga, M. F., Riancho, J. A., et al. (2014) Reconstructing the DNA methylation maps of the Neandertal and the Denisovan, Science, 344, 523-527.

24. Zakany, J., and Duboule, D. (2007) The role of Hox genes during vertebrate limb development, Curr. Opin. Gen. Dev., 17, 359-366.

25. Gokhman, D., Mishol, N., de Manuel, M., de Juan, D., Shuqrun, J., et al. (2019) Reconstructing Denisovan anatomy using DNA methylation maps, Cell, 179, 180-192.e10.

26. Köhler, S., Gargano, M., Matentzoglu, N., Carmody, L. C., Lewis-Smith, D., et al. (2021) The human phenotype ontology in 2021, Nucleic Acids Res., 49, D1207-D1217.

27. Lee, Y.-H., and Saint-Jeannet, J.-P. (2011) Sox9 function in craniofacial development and disease, Genesis, 49, 200-208.

28. Gokhman, D., Meshorer, E., and Carmel, L. (2016) Epigenetics: it’s getting old. Past meets future in paleoepigenetics, Trends Ecol. Evol., 31, 290-300.

29. Reich, D., Green, R. E., Kircher, M., Krause, J., Patterson, N., et al. (2010) Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia, Nature, 468, 1053-1060.

30. Koch, C. M., and Wagner, W. (2011) Epigenetic-aging-signature to determine age in different tissues, Aging, 3, 1018-1027.

31. Bergsma, T., and Rogaeva, E. (2020) DNA methylation clocks and their predictive capacity for aging phenotypes and healthspan, Neurosci. Insights, 15, 2633105520942221.

32. Bocklandt, S., Lin, W., Sehl, M. E., Sánchez, F. J., Sinsheimer, J. S., et al. (2011) Epigenetic predictor of age, PLoS One, 6, e14821.

33. Horvath, S. (2013) DNA methylation age of human tissues and cell types, Genome Biol., 14, R115.

34. Zhang, Q., Vallerga, C. L., Walker, R. M., Lin, T., Henders, A. K., et al. (2019) Improved precision of epigenetic clock estimates across tissues and its implication for biological ageing, Genome Med., 11, 54.

35. Gokhman, D., Malul, A., and Carmel, L. (2017) Inferring past environments from ancient epigenomes, Mol. Biol. Evol., 34, 2429-2438.

36. Toledo-Rodriguez, M., Lotfipour, S., Leonard, G., Perron, M., Richer, L., et al. (2010) Maternal smoking during pregnancy is associated with epigenetic modifications of the brain-derived neurotrophic factor-6 exon in adolescent offspring, Am. J. Med. Genet. B Neuropsychiatr. Genet., 7, 1350-1354.

37. Rosario, M. C., Ossowski, V., Knowler, W. C., Bogardus, C., Baier, L. J., et al. (2014) Potential epigenetic dysregulation of genes associated with MODY and type 2 diabetes in humans exposed to a diabetic intrauterine environment: an analysis of genome-wide DNA methylation, Metabolism, 63, 654-660.

38. Heijmans, B. T., Tobi, E. W., Stein, A. D., Putter, H., Blauw, G. J., et al. (2008) Persistent epigenetic differences associated with prenatal exposure to famine in humans, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 105, 17046-17049.

39. Smith, F. M., Garfield, A. S., and Ward, A. (2006) Regulation of growth and metabolism by imprinted genes, Cytogenet. Genome Res., 113, 279-291.

40. Cui, H., Cruz-Correa, M., Giardiello, F. M., Hutcheon, D. F., Kafonek, D. R., et al. (2003) Loss of IGF2 imprinting: a potential marker of colorectal cancer risk, Science, 299, 1753-1755.

41. Ravenel, J. D., Broman, K. W., Perlman, E. J., Niemitz, E. L., Jayawardena, T. M., et al. (2001) Loss of imprinting of insulin-like growth factor-II (IGF2) gene in distinguishing specific biologic subtypes of Wilms tumor, J. Nat. Cancer Inst., 93, 1698-1703.

42. Loos, R. J. F., and Yeo, G. S. H. (2021) The genetics of obesity: from discovery to biology, Nat. Rev. Genet., 23, 1-14.

43. Khera, A. V., Chaffin, M., Wade, K. H., Zahid, S., Brancale, J., et al. (2019) Polygenic prediction of weight and obesity trajectories from birth to adulthood, Cell, 177, 587-596.e9. doi: 10.1016/j.cell.2019.03.028.

44. Goodarzi, M. O. (2018) Genetics of obesity: what genetic association studies have taught us about the biology of obesity and its complications, Lancet Diab. Endocrinol., 6, 223-236.

45. Müller, M. J., Geisler, C., Blundell, J., Dulloo, A., Schutz, Y., et al. (2018) The case of GWAS of obesity: does body weight control play by the rules? Int. J. Obesity, 42, 1395-1405.

46. Locke, A. E., Kahali, B., Berndt, S. I., Justice, A. E., Pers, T. H., et al. (2015) Genetic studies of body mass index yield new insights for obesity biology, Nature, 518, 197-206.

47. Cheng, Z., Zheng, L., and Almeida, F. A. (2018) Epigenetic reprogramming in metabolic disorders: nutritional factors and beyond, J. Nutr. Biochem., 54, 1-10.

48. Pietiläinen, K. H., Ismail, K., Järvinen, E., Heinonen, S., Tummers, M., et al. (2016) DNA methylation and gene expression patterns in adipose tissue differ significantly within young adult monozygotic BMI-discordant twin pairs, Int. J. Obesity, 40, 654-661.

49. Muniandy, M., Heinonen, S., Yki- Järvinen, H., Hakkarainen, A., Lundbom, J., et al. (2017) Gene expression profile of subcutaneous adipose tissue in BMI-discordant monozygotic twin pairs unravels molecular and clinical changes associated with sub-types of obesity, Int. J. Obesity, 41, 1176-1184.

50. Perfilyev, A., Dahlman, I., Gillberg, L., Rosqvist, F., Iggman, D., et al. (2017) Impact of polyunsaturated and saturated fat overfeeding on the DNA-methylation pattern in human adipose tissue: a randomized controlled trial, Am. J. Clin. Nutr., 105, 991-1000.

51. Morita, S., Noguchi, H., Horii, T., Nakabayashi, K., Kimura, M., et al. (2016) Targeted DNA demethylation in vivo using dCas9-peptide repeat and scFv-TET1 catalytic domain fusions, Nat. Biotechnol., 34, 1060-1065.

52. Nuñez, J. K., Chen, J., Pommie, G. C., Cogan, J. Z., Replogle, J. M., et al. (2021) Genome-wide programmable transcriptional memory by CRISPR-based epigenome editing, Cell, 184, 2503-2519.e17.

53. Kossinna, G. (1919) Das Weichselland, ein Uralter Heimatboden der Germanen, Kafermann, Leipzig.