Det molokylære ur. (Mitochondrial clock)


En dateringsmetode der tager udgangspunkt i mutationsraten i et bestemt afsnit af mitokondrie-DNA’et (mtDNA) hos mennesket. (oftest kontrolregionen eller D-loopet.)

Hvis man kan udtage mtDNA fra resterne af et menneske, og man kender mutationsraten, vil man kunne bestemme alderen på det pågældende fund.

Den store danske” beskriver i generelle vendinger ”Det molekylære ur” således:

”Det molekylære ur, antallet af ændringer i en arts arvemasse brugt som et mål for den tid, arten har eksisteret her på Jorden. Under arters opståen og evolution opstår der til stadighed forandringer (mutationer) i generne (se art og evolution). Jo længere tid to arter har udviklet sig uden at udveksle genetisk materiale, jo mere forskellige er deres gener. Denne forskel kan direkte anvendes som et relativt tidsmål for, hvornår de pågældende arter delte sig fra en fælles forfader. Vha. et estimat af mutationshyppigheder [mutationsrater] kan den relative tid, med større eller mindre usikkerhed, omsættes til absolut tid”. (kilde: Jørgen Kjems: det molekylære ur i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 18. november 2016, Artiklen er skrevet 1. februar 2009)

En tidlig version af metoden blev foreslået af Ermile Zuckekandl og Linus Pauling i 1962. Deres metode bygger på den såkaldte ”molcular clock hypotesis” der antager at mutationsraterne tilnærmelsesvis er konstante over tid.  Metoden har siden været genstand for en omfattende forskning, specielt efter at moderne metoder til sekvensering  af nukleotiderne i DNA og RNA blev udviklet fx i forbindelse med HUGO (human genome project, 1990-2003).

Der er to metoder hvorved en mutationsrate kan udregnes.

  • Evolutionsmodellen (fylogenetiske model)
    Grundlaget for den ene metode er de forskelle, der er mellem mitokondrie-DNA’et hos arter der menes at have en fælles stamfader fx chimpansen og mennesket, som menes at have haft en fælles stamfar for ca. 6 millioner år siden. Disse forskelle menes alle at stamme fra mutationer, som er akkumuleret i mtDNA’et og som forudsættes (ifølge den oprindelige hypotese) at være foregået i et konstant tempo.

    Ved at notere sig antallet af forskelle mellem de to arters genomer og dividere dem med antal år der er gået siden en fælles stamfader eksisterede (i dette tilfælde 6 millioner år) vil man nå frem til mutationsraten.

  • Stamtræ-modellen
    Ved at dokumentere et givent antal fødsler (og dermed antallet af videregivelse af mtDNA) i et forgrenet nutidigt stamtræ gennem adskillige generationer med sidegrene, kan man tælle hvor mange transmissioner der er sket af moderens mtDNA gennem alle fødslerne i stamtræet.  Hvis man har oplysninger om stammoderens mtDNA og mtDNA’et hos alle efterkommerne og tæller hvor mange mutationer der har fundet sted, vil man finde en mutationsrate

De to modeller giver dog ikke samme mutationsrate. Der er betydelige forskellige.

Når man så efterfølgende finder resterne af et menneske (f.eks. en tand eller knogle) hvorfra der er muligt at udtrække mitokondrie-DNA, vil man tælle hvor mange forskelle der er i forhold til nutidigt mtDNA.

Ved at dividere antallet af muterede ændringer med mutationsraten med vil man få antallet af ”generationer” eller fødsler.

Den lange forklaring:

Det menneskelige genom består af 3 milliarder basepar fordelt på kerneDNA’ets 23 kromosompar.

Disse fire baser A (Adenin), T (Thymin), C (Cytosin), og G (Guanin) danner faste par A+T eller T+A og C+G eller G+C.

Disse basepar udgør trinene på den dobbeltspiral som udgør DNA-molekylet.

Uden for cellens kerne i protoplasmaet findes en række organeller som f.eks. ribosomer, endoplastisk retikulum og mitokondrier.

I mitokondrierne (se nr 9 i nedenstående figur), som er cellernes kraftværker er der selvstændige ringformede DNA’sekvenser.

Der er 1000 til 10.000 mitokondrier i hver celle. (De energikrævende celler har flere mitokondrier end de mindre energikrævende) Hver mitokondrie indeholder 2-10 ringformede DNA-strukturer. Så der er mange tusinde små ringformede DNA-strukturer i hver celle.

Alle disse ringformede DNA-strukturer er ens og er blevet decifreret.

Ringen består således af 16.569 basepar og indeholder 37 gener. 13 af disse koder for proteiner som er med i processen med at fremstille APT, der er cellens brændstof. De øvrige 24 gener koder for RNA. Desuden er der en ikke-kodende del som kaldes Kontrol-regionen eller D-loop.

mtDNA har ikke noget indbygget korrekturlæsnings- eller reparationssystem. Derfor er mutations- hastigheden, (af blivende mutationer) 10 gange højere end i kerneDNA’et.

Den store mængde af ens mtDNA øger sandsynligheden for at finde intakte sammenlignelige sekvenser i gamle fund af menneskerester set i forholdet til kerne DNA’et der kun findes i ét eksemplar. Til gengæld er det begrænset med informationer i mtDNA’et.

Den højere mutationsrate giver mulighed for at lave nøjagtigere beregning af alderen på menneskelige rester.

Mitokondrier nedarves kun fra moderen. I ægcellen findes mange mitokondrier, og når sædcellen (der også har mitokondrier som producerer den energi den har brug for) trænger ind i ægcellen er det kun dens kerne der overlever og bliver ført til ægcellens kerne. Resten bliver metaboliseret.

I kernen leveres mandens 23 kromosomer som parres med kvindens 23 kromosomer og herved sker et mix af DNA, som nu har informationer fra begge forældre.

mtDNA’et er derimod uberørt af mandens DNA. Kvindens mtDNA føres således uberørt videre generation efter generation….. med mindre der sker en mutation i en ægcelle inden befrugtningen. I så fald vil denne ændring blive leveret videre i de følgende generationer. Hvis der sker flere mutationer, vil det ses i de efterfølgende generationer sammen med den første.

Udregning af mutationsrater:

  • Udviklingsmodellen:
    Her optælles forskelle i baser i en bestemt region i mtDNA-et mellem to arter som ud fra teorien om evolutionen, menes at have haft en fælles stamfader for x-antal millioner år siden.
    I en undersøgelse er der konstateret 56 forskelle i baseparrene i mtDNA’ets kontrolregion (D-loop) mellem chimpanser og mennesker. Hvis man mener at en fælles stamfar levede for ca. 6.000.000 og man ansætter den gennemsnitlige generationsalder (det gennemsnitlige tidspunkt for en kvinde at føde et levedygtigt barn, der kan videreføre slægten.) til 30 år, ville det give 6.000.000/30 generationer hvilket er 200.000. En undersøgelse har vist 56 forskelle i mtDNA-ets D-loop på 56 mutationer (ændrede baser). Med 56 mutationer i denne periode ville mutationsraten kunne udregnes til 56/200.000 hvilket er 0,00028.
    I eksemplet nedenfor ses baserne hos henholdsvis mennesket (sort) og chimpansen (blå). De røde baser hos chimpansen viser hvor der er divergenser i baserne mellem mennesket og chimpansen.
  • Stamtræ-modellen:
    Et eksempel fra en undersøgelse i Island udført af S.Sigurdardóttir : I et forgrenet nutidigt stamtræ med 705 transmissioner (fødsler) findes 3 mutationer i mtDNA’ets kontrolregion (D-loop). vil man sætte mutationsraten til 3/705 hvilket vil sige 0,0043 pr generation. S. Sigurdardóttir fandt dokumentation for en slægt gennem 10 generationer hvor man kunne fastslå det oprindelige mtDNA-hos en ”stammoder” ti generationer tilbage hvorledes der gennem 705 ”generationer” eller fødsler far fundet 3 ændringer af basepar.

Eksempel:

Fund af menneskerester indeholder brugbart mtDNA og det konstateres at der er ændringer af 3 basepar i forholdet til nutidsmennesket.

  • Metode 1:
    Hvis mutationsraten er 0,00028 finder vi antallet af ”generationer” eller fødsler ved at dividere 3 med 0,00028. Det giver 10.714 ”generationer” eller fødsler.  Hvis man ved generation forstår antallet af år mellem ens egen fødsel og tidspunktet man selv giver fødsel til et fødedygtigt individ, og vi sætter dette åremål til 30, vil man ved at gange antallet af ”generationer” med 30 nå frem til 321.428 år. Det er alderen på det menneske i hvis rester vil har konstateret afvigelser på 3 basepar.
  • Metode 2: Hvis mutationsraten er 0,0043 vil antallet af ”generationer” være 3/0,0043= 698. Hvis dette antal ganges med 30 (”generationsalderen”) vil man nå en alder på 20.930 år.

Altså betydelige forskelle.

Udfordringer:

Det har siden hypotesens fremblev fremsat været forsket intenst i genet og mutationsrater.

Det viser sig at, som ovenstående eksempler tydeligt viser, at der er betydelige forskelle på mutationsraten før i tiden og nu. Hyppigheden af mutationer nu er betydeligt større end de var for millioner af år siden. Det har også vist sig at der er store forskelle i mutationsraterne blandt der forskellige arter eller sågar inden for de forskellige arter samt selv inden for forskellige gener i det samme DNA-molekyle.

Antagelsen af lineær mutationsrate er således under betydeligt angreb.

Det har fået forskere til at prøve at opstille alternative modeller for det molekylære ur. Modeller der forsøger at inddrage tidsafhængigheden. I en ny artikel med titlen: Human molecular evolutionary rate, time dependency and transient polymorphism effects viewed through ancient and modern mitochondrial DNA genomes”  fra 2021  er et sådant forsøg på at bygge bro mellem de meget divergerende mutationsrater.

Her underbygges det, at den oprindelige:  ”Molcular clock hypotesis” ikke kan anvendes i sin nuværende form.

Endelig forudsætter metoden til udregning af mutationsraterne i fortiden troen på en evolution og en antaget alder for adskillelsen (fælles stamfader) af forskellige arter som chimpanse og mennesket.

Forskellige dateringsmetoder: forskellige aldre.

Et eksempel på hvordan forskellige dateringsmetoder af et emne kan give forskellige aldre vises tydeligt i en artikel fra februar 2021 i CNN med titlen Story of human evolution gets another rewrite with DNA analysis of Chinese teeth”

Der blev beskrevet en hule i Kina hvor man havde fundet nogle tænder fra mennesker og som man i 2015 ved Uran/Thorium metoden havde dateret til at være mellem 80.000 til 120.000 år gamle. Der var foretaget radiometriske målinger på aflejringerne under- og over fundet af tænderne. Det var et meget overraskende resultat, idet der ifølge disse dateringer skulle have været moderne mennesker i Kina FØR der, ifølge teorien, var foregået en udvandring fra Afrika.

Nu var det efterfølgende lykkedes at udtrække mtDNA fra nogle af tænderne og ved hjælp at teorien om det molekylære ur, havde man dateret tænderne til en alder langt yngre end de tidligere aldre. Således fastslog målingerne at tænderne var mindst 16.000 år gamle og at andre effekter i hulen ved andre metoder var blevet vurderet til at mære højst 40.000 år gamle.

To meget forskellige aldersestimater ud fra to forskellige dateringsmetoder. Hvilken metode skal man stole på?

Kilder:

  • Journal of Molecular Evolution volume 42, pages 145–152 (1996) Comparison between the complete mitochondrial DNA sequences of Homo and the common chimpanzee based on nonchimeric sequences
  • Wikipedia: MtDNA, Mitochondrie,
  • Am. J. Hum. Genet. 66:1599–1609, 2000. The Mutation Rate in the Human mtDNA Control Region
  • (2021) 11:5036 | https://doi.org/10.1038/s41598-021-84583-1 1
  • www.nature.com/scientificreports
  • Human molecular evolutionary rate, time dependency and transient polymorphism effects viewed through ancient and modern mitochondrial DNA genomes. Vicente M. Cabrera . Scientific Reports (2021) 11:5036
  • Story of human evolution gets another rewrite with DNA analysis of Chinese teeth. By Katie Hunt, CNN. Updated 2000 GMT (0400 HKT) February 8, 2021

————————————
Det sidste fra den tidligere artikel. Er der formuleringer som kan inddrages???

Review-artikel en[1] ”Time-dependent rates of molecular evolution” (Ho et al. 2011[2]) publiceret i det anerkendte tidskrift ”Molecular Ecology” repræsenterer stat-of-the-art på udgivelsestidspunktet indenfor ovennævnte forskningsfelt. Et af artiklens hovedresultat er at mutationsrater, der bestemmes på basis af efter hinanden følgende generationer (korttidsrater; mikroevolution[3]) er størrelsesordner større end mutationsrater bestemt på basis af fossile data (langtidsrater; makroevolution[4]).  Dvs. mutationsraterne er tidsafhængige. Artiklen argumenterer for at hovedresultatet er forventeligt ud fra generel evolutionsteori. Et andet vigtigt resultat er at de tidsafhængige mutationsrater er organisme afhængige (raterne er undersøgt for dyr, bakterier såvel som virus; et uddrag af resultater er givet i bilag XX).

Hovedresultatet er i modstrid med den såkaldte ”molcular clock hypotesis”, der oprindeligt var en forudsætning for anvendelse af det molekylære ur. Heraf følger at dateringer der bygger på ”the molcular clock hypotesis”  må afvises, medmindre det eksplicit kan godtgøres at hypotesen er sand eller i det mindste med god tilnærmelse er sand i pågældende specialtilfælde.

Anvendelse af en metodik som skitseret ovenfor forudsætter:

  1. der opstilles en model for den tidsafhængige mutationsrate
  2. modellens parametre estimeres med tilstrækkelig nøjagtighed
  3. den opstillede model valideres mod uafhængige data; valideringen kræver data i hele det relevante tidsspan.

Fremtidig forskning vil vise om de opstillede betingelser kan opfyldes.

[1] Review-artikel: Der er tale om en artikel som giver en overblik over eksisterende viden om emnet og bidrager således ikke nødvendigvis med ny viden

[2] Ho et al. (2011) Time-dependent rates of molecular evolution. Molecular Ecology. Vol. 20, 3087–3101. Artiklen er et “highly cited paper” (189 citationer) i ”Web of Science Core Collection” (web tilgået November 2016)

[3] Mikroevolution betegner genetisk variation og tilpasning som foregår indenfor en population (fx pga ændrede levevilkår)

[4] Makroevolution betegner genetiske ændringer der skaber nye arter (nye populationer)

Print Friendly, PDF & Email
Insert math as
Block
Inline
Additional settings
Formula color
Text color
#333333
Type math using LaTeX
Preview
\({}\)
Nothing to preview
Insert