古代DNA

後に古代DNAと呼ばれるようになるものの最初の研究は1984年に行われ、カリフォルニア大学バークレー校のラス・ヒグチとその同僚らは、クアッガの博物館標本からDNAの痕跡が、個体の死後150年以上経っても標本に残っているだけでなく、抽出して配列決定できることを報告した。^{[ 9 ]}その後2年間、スヴァンテ・ペーボは、自然にミイラ化した標本と人工的にミイラ化した標本を調査することで、この現象は比較的最近の博物館標本に限らず、数千年前に遡るさまざまなミイラ化した人間のサンプルでも再現できることを確認した。 ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

当時、そのようなDNAの配列を決定するために必要とされた骨の折れるプロセス（細菌クローニングによる）は、古代DNA（aDNA）の研究と博物館学の分野に効果的なブレーキとなっていた。しかし、 1980年代後半にポリメラーゼ連鎖反応（PCR）が開発されると、この分野は急速に進歩し始めた。 ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} aDNAのダブルプライマーPCR増幅（ジャンピングPCR）は、非常に偏った非真正な配列アーティファクトを生成する可能性がある。これらの欠点を克服するために、マルチプライマー、ネストPCR戦略が使用された。

PCR 以降の時代は、多数の研究グループが aDNA の分離に成功したと主張し、出版物の波を到来させた。まもなく、数百万年前の標本から本物の DNA を抽出できるという驚くべき発見が次々と発表され、リンダール (1993b) が「大洪水以前のDNA」と名付けた領域に達した。^{[ 16 ]}こうした主張の大部分は、琥珀に保存された生物から DNA を回収することに基づいていた。ハリナシミツバチ^{[ 17 ] [ 18 ]}、シロアリ^{[ 19 ]}、キバエ^{[ 20 ]などの昆虫、植物[ 21 ]}および細菌^{[ 22 ]}の配列が、漸新世に遡るドミニカの琥珀から抽出されたと言われている。さらに古いレバノンの琥珀に閉じ込められたゾウムシの、白亜紀に遡る標本からも本物の DNA が得られたと報告されている。^{[ 23 ]} DNA回収の主張は琥珀に限られていなかった。

中新世に遡る堆積物中に保存された植物遺骸がいくつか報告された。^{[ 24 ] [ 25 ]}そして1994年、ウッドワードらは当時最も刺激的な結果と呼ばれたものを報告した^{[ 26 ]} ― 8000万年以上前の恐竜の骨から抽出されたと思われるミトコンドリアのシトクロムb配列。1995年にさらに2つの研究が白亜紀の卵から抽出された恐竜のDNA配列を報告したとき^{[ 27 ] [ 28 ]} 、この分野は地球の進化の過去に関する知識に革命をもたらすように思われた。これらの並外れた年代でさえ、岩塩から2億5000万年前のハロバクテリアの配列が回収されたという主張によって上回られた。^{[ 29 ] [ 30 ]}

DNA保存の動態、サンプル汚染のリスク、その他の複雑な要因についての理解が深まるにつれ、この分野ではこれらの結果をより懐疑的に見るようになった。数多くの慎重な試みが多くの発見を再現することに失敗し、数百万年前の古代DNAに関する10年間の主張はすべて偽物として却下されることになった。^{[ 31 ]}

死後DNA修飾損傷に対処するため、2007年にシングルプライマー伸長増幅法が導入されました。^{[ 32 ]} 2009年以降、より安価な研究技術の導入により、aDNA研究の分野は革命的になりました。^{[ 33 ]} また、2010年以降は、古代のヒトDNAをシーケンスし、完全なゲノムを復元することが可能になりました。^{[ 34 ]}古代DNA研究の分野におけるハイスループット次世代シーケンシング（NGS）技術の使用は、古代または絶滅した生物のゲノムを再構築するために不可欠です。一本鎖DNA（ssDNA）ライブラリー調製法は、古代DNA（aDNA）研究者の間で大きな関心を集めています。^{[ 35 ] [ 36 ]}

これらの技術革新に加えて、10年の初めには、DNAの結果を評価するためのより良い基準と基準の開発、および潜在的な落とし穴についての理解が深まり始めました。^{[ 31 ] [ 37 ]}

2022年のノーベル生理学・医学賞は、スヴァンテ・ペーボに「絶滅したヒト科動物のゲノムと人類の進化に関する発見」に対して授与された。^{[ 38 ]}数日後の2022年12月7日、ネイチャー誌に掲載された研究で、グリーンランドで200万年前の遺伝物質が発見され、現在までに発見された最古のDNAと考えられていると報告された。^{[ 7 ] [ 8 ]}

分解プロセス（架橋、脱アミノ化、断片化など）のため、 ^{[ 3 ]}古代DNAは現代の遺伝物質よりも品質が低い。^{[ 4 ]} aDNAの損傷特性と時間の経過に伴う生存能力は、可能な分析を制限し、有効なサンプルの年代の上限を設定する。^{[ 4 ]}時間とDNAの分解の間には理論的な相関関係があるが、^{[ 39 ]}環境条件の違いが問題を複雑にしている。異なる条件にさらされたサンプルは、予測可能な均一な年代-分解関係に一致する可能性は低い。^{[ 40 ]}特に変動する保管条件下では、DNAの分解速度が増加する可能性があるため、発掘後も環境の影響が重要になる可能性がある。 ^{[ 41 ] [ 42 ]}最良の保存条件下であっても、現代のシーケンス技術に十分なDNAを含むサンプルには、0.4～1.5百万年の上限がある。^{[ 5 ]}

モアの骨におけるミトコンドリアDNAと核DNAの劣化に関する研究では、−5 °Cで6,830,000年後にミトコンドリアDNAが平均1塩基対の長さまで劣化するとモデル化されている。 ^{[ 4 ]} 劣化速度は加速老化実験によって測定されており、保存温度と湿度がDNAの劣化に強く影響することがさらに明らかになっている。^{[ 43 ]}核DNAはmtDNAの少なくとも2倍の速さで劣化する。例えば白亜紀の恐竜の遺骸から、はるかに古いDNAが回収されたと報告した初期の研究は、サンプルの汚染に起因している可能性がある。 

古代DNAに関する文献をこの分野の発展を通して批判的に検討すると、数十万年以上前の遺物からDNAを増幅することに成功した研究はほとんどないことが強調される。^{[ 44 ]}環境汚染のリスクに対する認識の高まりとDNAの化学的安定性に関する研究により、以前に報告された結果に対する懸念が高まっている。恐竜のDNAとされたものは、後にヒトのY染色体であることが明らかになった。^{[ 45 ]}カプセル化された好塩性細菌から報告されたDNAは、汚染を示唆する現代の細菌との類似性に基づいて批判されている^{[ 37 ]}、あるいは長期にわたる低レベルの代謝活動の産物である可能性がある。^{[ 46 ]}

古代DNAには、死後変異が多数含まれている可能性があり、その数は時間とともに増加します。ポリヌクレオチドの一部の領域は、この分解を受けやすく、誤った配列データがデータの妥当性を確認するために使用される統計フィルターを回避してしまう可能性があります。^{[ 31 ]}配列決定エラーのため、集団サイズの解釈には細心の注意を払う必要があります。^{[ 47 ]}シトシン残基の脱アミノ化に起因する置換は、古代DNA配列で非常に多く見られます。CからT、GからAへの誤コーディングがエラーの大部分を占めています。^{[ 48 ]}

古代DNAサンプルのもう1つの問題は、現代人のDNAと微生物DNA（そのほとんども古代のものである）による汚染である。^{[ 49 ] [ 50 ]}近年、aDNAサンプルの汚染を防ぐために、極めて無菌的な条件下で抽出を行うこと、サンプルの内因性分子（分析中に導入されたものと区別される）を識別するための特殊なアダプターを使用すること、既知のリードに基づいて得られた配列にバイオインフォマティクスを適用して汚染率を推定することなど、新しい方法が登場している。^{[ 51 ] [ 52 ]}

ミイラは形態が保存されているため、1990年代と2000年代の多くの研究では、ミイラ化した組織を古代人のDNAの供給源として使用しました。例としては、氷河に凍結されたアイスマンのエッツィ^{[ 79 ]}のような自然に保存された標本や、アンデス山脈の高地で急速な乾燥によって保存された遺体^{[ 12 ] [ 80 ] 、古代エジプトのミイラのような化学処理された保存組織[ 81 ]}などがあります。しかし、ミイラ化した遺体は限られた資源です。ヒトのaDNA研究の大部分は、考古学的記録でより一般的な2つの供給源、つまり骨と歯からDNAを抽出することに焦点を当てています。DNA抽出に最もよく使用される骨は錐体骨で、その緻密な構造がDNAの保存に適した条件を提供します^{[ 82 ] 。他のいくつかの供給源から}もDNAが得られており、古糞便[ ^{83 ]}や毛髪などが含まれます。^{[ 84 ] [ 85 ]}古代の人体資料を扱う際には、汚染が依然として大きな問題となっている。

古代病原体のDNAは、ヒトでは5,000年以上前のサンプルから、他の種では17,000年前のサンプルから正常に回収されている。ミイラ化した組織、骨、歯といった通常の供給源に加えて、このような研究では、石灰化した胸膜^{[ 86 ]}、パラフィンに包埋された組織[ ^{87 ] [ 88 ]}、ホルマリン固定組織^{[ 89 ]}など、さまざまな他の組織サンプルも調べられている。病原体および微生物のaDNA解析のために^、小規模(QIIME ^{[ 90 ]} )および大規模(FALCON ^{[ 91 ]} )の効率的な計算ツールが開発されている。

しかし、そのような汚染を防ぐための予防措置を講じた2012年の研究では、エル・シドロン洞窟のネアンデルタール人グループの骨サンプルを分析し、aDNAから潜在的な血縁関係と遺伝的多様性に関する新たな知見を得た。^{[ 92 ]} 2015年11月、科学者たちは、ホモ属の絶滅した人類種であるデニソワ人のDNAを含む11万年前の歯を発見したと報告した。^{[ 93 ] [ 94 ]}

この研究は、ユーラシアへの人類の移住に新たな複雑さを加えた。2018年の研究^{[ 95 ]}は、青銅器時代の大規模な移住がブリテン諸島の遺伝的構成に大きな影響を与え、ヨーロッパ大陸から鐘状ビーカー文化をもたらしたことを明らかにした。

また、中央アジア人の祖先とアメリカ大陸の先住民とのつながりに関する新たな情報も明らかになった。アフリカでは、温暖な熱帯気候のため古いDNAは急速に劣化するが^{[ 96 ]}、2017年9月には8,100年前の古代DNAサンプルが報告されている^{[ 97 ] 。}

さらに、古代DNAは、研究者が現代人の分岐を推定するのに役立ってきた。^{[ 98 ]}シュレブッシュらは、3人の石器時代の狩猟採集民（2000年前）と4人の鉄器時代の農耕民（300～500年前）のアフリカ人のゲノムをシーケンスすることで、人類集団間の最も初期の分岐の時期を35万～26万年前にまで遡らせることができた。

2021年現在、完全に再構築された最古のヒトゲノムは約45,000年前のものである。^{[ 99 ] [ 78 ]}このような遺伝子データは、ヨーロッパなどの移住と遺伝的歴史、例えば初期のヨーロッパの現代人とネアンデルタール人の間の一般的な混交など、古代人と現代人の交雑についての洞察を提供する。^{[ 100 ] [ 78 ] [ 101 ]}