Van Homo Erectus tot Lodewijk VXII en andere

Out of Africa: populatiemigraties genetisch bekeken
Em. Prof. Jean-Jacques Cassiman
Centrum voor Menselijke Erfelijkheid, KULeuven
De explosieve groei van biotechnologische methoden heeft ook een reeks
belangrijke toepassingen mogelijk gemaakt in niet-medische domeinen. In
het DNA van mens en dier vindt men immers korte fragmenten, die zich een
variabel aantal malen herhalen. Het aantal herhalingen is karakteristiek voor
een bepaalde persoon. Wanneer men een reeks van dergelijke DNA
fragmenten gaat onderzoeken kan men een DNA profiel opstellen dat uniek is
voor elke persoon.
Binnen het DNA van een man is er ook het DNA van zijn Y-chromosoom dat
ook dergelijke fragmenten bevat. Vermits het Y-chromosoom van vader op
zoons onveranderd wordt overgeërfd biedt het de mogelijkheid om een
ononderbroken
mannelijke
lijn
over
verschillende
generaties
te
reconstrueren. Op die wijze kan men bvb de verwantschap tussen mannen
die eenzelfde familienaam dragen bewijzen. Uiteraard kunnen gevallen van
niet-biologisch vaderschap roet in het eten gooien...
Naast het kern DNA, dat we voor 50% van vader en voor 50% van moeder
erven, bevindt er zich nog een kleine hoeveelheid DNA in de mitochondriën,
de energie centrales van elke cel. Merkwaardig genoeg erven we dit mtDNA
enkel van onze moeder.
Deze verschillende benaderingen vinden vandaag hun toepassing in
gerechtelijk onderzoek – het vergelijken van het DNA profiel van een
biologisch spoor met dat van verdachten of slachtoffers – in
vaderschapsbepalingen, in het oplossen van historische zaken – de
Romanov’s, Lodewijk XVII etc – maar ook in het onderzoek van menselijke
resten bij archeologische opgravingen. Bovendien kan het DNA onderzoek
ons ook heel wat leren over wie onze stamvaders en stammoeders zijn
geweest (50.000 tot 200.000 jaar geleden) wanneer zij vermoedelijk hebben
geleefd en of we nu afstammen van de Neanderthalers of niet.
Onderzoek van de genetische diversiteit initieel in dienst van het
gerecht
In 1985, werd, bij toeval, door de Engelse wetenschapper Alec Jeffreys
vastgesteld dat bepaalde DNA-segmenten een zeer hoge vaiabiliteit
vertoonden. Hij noemde deze segmenten minisatelliet DNA of VNTR’s. Door
speciale technieken toe te passen bekwam men een DNA patroon dat zo
variabel was dat 2 individuen, met uitzondering van éénéiige tweelingen, een
verschillend patroon vertoonden. Deze patronen noemde men een "DNAvingerafdruk" naar analogie van onze vingerafdrukken die ook verschillend
zijn van persoon tot persoon, zelfs bij ééneiige tweelingen. In de loop der
jaren heeft het DNA-onderzoek een evolutie gekend niet alleen op het vlak
van de gebruikte genetische variatie maar ook op het vlak van technologie.
Het gebruik van korte DNA-fragmenten, zoals STR’s Short tandem Repeats),
1
in combinatie met DNA-amplifikatie heeft het voordeel dat zelfs
gedegradeerd DNA kan geanalyseerd worden.
Naast de STR's kan men voor genetische identificatie ook gebruik maken van
het mitochondriaal DNA. Deze DNA-molecule is niet alleen populair in de
studie van de genetische evolutie van de moderne mens maar kan ook
bijdragen in de identificatie van haren uit bvb. een bivakmuts. Elke persoon
verliest per dag spontaan 10 tot 20 hoofdharen. Deze haren bevatten geen
haarwortel meer en het is enkel in de haarwortel dat er voldoende kern-DNA
aanwezig is voor de analyse van STR's. De haarschacht bevat echter nog
voldoende mitochondriaal DNA voor DNA-analyse. Hierbij is de analyse
gericht op de genetische variatie in de niet-coderende regio (HV1 en HV2)
van het mitochondriaal DNA dat met behulp van PCR en sequentie analyse in
het licht wordt gesteld. Gemiddeld vertonen 2 niet-verwante personen van
Europese afkomst 8 verschillen in HV1 en HV2. De bewijskracht van het
mitochondriaal DNA wordt beperkt enerzijds door de maternale overerving en
anderzijds door de aanwezigheid van bepaalde sequenties met een hoge
frequentie (tot 3%) in de Europese bevolking. Dit maakt dat het
mitochondriaal DNA vooral voor exclusie doeleinden geschikt is en dat bij
inclusie het enkel bruikbaar is als aanvullend bewijs.
Naast het mitochondriaal DNA dat exclusief via de moeder wordt overgeërfd,
heeft het kern-DNA een "tegenhanger" dat exclusief via de vader wordt
doorgegeven aan het mannelijke nageslacht, nl. het Y chromosoom. De STR's
die hierop gelokaliseerd zijn, kunnen ook gebruikt worden voor genetische
identificatie. De Y chromosoom STR's bieden een mogelijkheid om specifiek
enkel het mannelijk DNA in het spoor te analyseren en toch een resultaat (YSTR profiel) te bekomen dat toelaat de dader te identificeren. Analoog aan
het mitochondriaal DNA zullen de Y chromosoom STR's eveneens niet
toelaten om aan te tonen wie van de 2 verdachte broers de dader van de
verkrachting is.
Naar de toekomst toe wordt veel verwacht van de SNP's (Single Nucleotide
Polymorphism) voor genetische identificatie. De recente ontdekking dat ons
genoom meer dan duizend plaatsen vertoont waar stukken DNA in meerdere
kopijen aanwezig zijn of verdwenen zijn, zou eveneens een verklaring
kunnen bieden voor de fysische verschillen tussen individuen. Deze plaatsen
noemt met Copy Number Variation of CNV's en omvat bijna twaalf percent
van ons genoom. Ongeveer tien procent van de genen zijn gelokaliseerd in
deze CNV's en de variatie in expressie van deze genen zou de basis kunnen
vormen voor fysische en persoonlijkheids kenmerken.
Gezien deze SNP's zich op een veel kleiner DNA-fragment bevinden kunnen
ze meestal nog geanalyseerd worden in DNA met een gemiddelde lengte van
100 baseparen. Verscheidene SNP's komen bijna exclusief voor in bepaalde
bevolkingsgroepen. Selectie van deze SNP's laat toe een SNP-profiel op te
stellen dat moet toelaten de bevolkingsgroep te identificeren van de donor
van het profiel. Dit zal enkel mogelijk zijn wanneer we de beschikking
hebben over databanken met SNP-gegevens van zo veel mogelijk
verschillende bevolkingsgroepen.
2
De genetische evolutie van de mens
Moleculaire biologie en de studie van de genetische verscheidenheid tussen
populaties hebben de laatste 2 decennia een belangrijke bijdrage geleverd in
onze kennis van de recente evolutie van de moderne mens.
Het idee dat de moderne mens zijn oorsprong vindt in Afrika werd initieel
sterk bekritiseerd. Zowel DNA analyse van de autosomale chromosomen als
van het Y chromosoom duiden op dezelfde oorsprong. Deze studies zijn enkel
onzeker betreffende het moment wanneer onze voorouders in Afrika leefden
en het moment wanneer de moderne mens verscheen in andere continenten.
Terwijl de studie van het mitochondriaal DNA wees op 190.000 jaar geleden
komt een recente studie van genetische diversiteit van het volledige
mitochondriaal genoom op 170.000 jaar.
Het feit dat de berekening voor mitochondriaal DNA (maternele lijn)
ongeveer 200 duizend jaar geleden geeft en dat het Y chromosoom
(paternele lijn) 100 duizend jaar aangeeft betekent niet dat we afstammen
van één vrouw ("Eva") en van één man ("Adam").
Dit is momenteel het standaard model van de evolutie van de moderne
mens. Het wordt ook "Out of Africa 2" genoemd aangezien de eerste
expansie uit Afrika naar Azië ("Out of Africa 1") gebeurde door Homo erectus
ongeveer 1,7 miljoen jaar geleden. De verspreiding van de moderne mens
naar Azië zou via 2 verschillende routes zijn gebeurd. Een zuidelijke route
langs de kusten naar Zuid-Oost Azië en vervolgens naar Australië, en een
route naar Centraal-Azië van waaruit Europa, Siberië, Japan en NoordAmerika werd bevolkt. Uiteindelijk bereikte de moderne mens Zuid-Amerika
ongeveer 10 duizend jaar geleden.
Waar het mitochondriaal DNA onderzoek van de Neanderthaler geen
bewijzen had voor vermenging met de moderne mens, heeft onderzoek van
nucleaire DNA sequenties van de Neanderthaler wel een indicatie gegeven.
De vooruitgang in de technologie heeft het mogelijk gemaakt om in 2006
voor de eerste maal een miljoen basenparen van het nucleair genoom van de
Neanderthaler te bepalen. Vergelijking met dezelfde sequenties van Homo
sapiens bevestigde de datering van de splitsing tussen de takken Homo
neanderthalensis en Homo sapiens. Opmerkelijk was de identificatie van
SNP's in het genoom van de Neanderthaler die vermoedelijk afkomstig zijn
van de moderne mens. Alhoewel de wetenschappers hierover nog geen
overeenstemming hebben bereikt, zou dit betekenen dat er toch vermenging
is geweest waarbij vooral de mannelijke Homo sapiens zou "vreemd" gegaan
zijn met de vrouwelijke Neanderthalers.
Bepaling van verwantschap via genetische variatie
De DNA-profielen kunnen ook worden gebruikt om het biologisch vaderschap
aan te tonen.
Analoog aan de bepaling van het biologisch vaderschap kan men eveneens
het biologisch moederschap bepalen. Meestal wordt dit niet in vraag gesteld
maar bij gezinshereniging van personen die het statuut van politiek
vluchteling hebben bekomen, wil de overheid steeds vaststellen dat het ook
3
de biologische kinderen zijn van deze persoon. Een DNA-onderzoek is ook
betrouwbaarder dan sommige "officiële" documenten (o.a. geboorteakte) uit
het buitenland waarbij vervalsingen niet ongewoon zijn.
Net zoals bij genetische identificatie kan de analyse van Y-STR's of het
mitochondriaal DNA nuttig zijn in het vaststellen van biologische
verwantschap.
Genetische variatie en genealogie
Y-STR's en mitochondriaal DNA zijn ook ideale genetische merkers voor
genealogische analyses. Hierbij kan nagegaan worden of 2 mannen met een
gelijkaardige familienaam mogelijk dezelfde voorvader hebben gehad.
Analoog toont het mitochondriaal DNA aan of 2 personen dezelfde
voormoeder hebben. Deze toepassing kan ook gebruikt worden op
skeletresten uit een graf en laat dan ook toe om bepaalde "historische
vraagstukken" wetenschappelijk te bewijzen via DNA-analyse. Zo toonde het
Laboratorium voor Forensische Genetica en Moleculaire Archeologie van de
K.U.Leuven aan dat Karl Wilhelm Naundorff die stierf in 1845 en begraven
werd in Delft (Nederland), niet de zoon (Lodewijk XVII) kan zijn van MarieAntoinette, de laatste koningin van Frankrijk, in tegenstelling tot wat zijn
nakomelingen tot nu toe beweerden. In een "uitloper" van deze studie werd
het mitochondriaal DNA van de spier van een hart geanalyseerd. Dit hart was
volgens de historici afkomstig van Lodewijk XVII die als kind in 1795 stierf
aan tuberculose in een gevangenis in Parijs tijdens de Franse revolutie. Het
mitochondriaal DNA van het hart was identiek aan dat van de Habsburgfamilie en hierdoor kon vastgesteld worden dat het hart hoogstwaarschijnlijk
ook afkomstig was van Lodewijk XVII en bijgevolg de historische gegevens
bevestigde.
De DNA molecule zorgt dus als het ware voor de fysische continuïteit tussen
de generaties en kan dus met succes worden aangewend om bepaalde
vormen van afstamming te achterhalen al blijft het gebruik van deze
mogelijkheden voorlopig nog redelijk beperkt.
4