Grade One Homework: Los Secretos Escondidos Del DNA Antiguo

Las nuevas técnicas de análisis genómicos permiten descubrir cómo eran, qué comían e incluso qué microbios tenían nuestros antepasados

Reconstruir un dinosaurio completo a partir de unos trocitos de DNA atrapado en un fósil de ámbar, como nos hicieron creer el Jurassic Park, es imposible … de momento.

Hasta hace unos pocos años, el DNA antiguo que quedaba preservado en restos arqueológicos era muy difícil de analizar. Estaba muy dañado y poca información se podía sacar de él. Sin embargo, hoy en día hay nuevas técnicas que permiten amplificar, secuenciar y analizar el genoma antiguo y que están revolucionando nuestro conocimiento sobre la prehistoria de la humanidad. Muchas veces este trabajo depende de la disponibilidad de muestras apropiadas. No somos capaces de revivir un dinosaurio, pero veamos tres ejemplos de lo que hoy en día podemos hacer con el DNA antiguo: ¡vas a alucinar!

Los secretos escondidos en un "chicle" de la Edad de Piedra

En diciembre de 2019 se publicó en la revista Nature Communications (1) un interesante trabajo en el que describían cómo había logrado secuenciar el genoma humano completo y el microbioma de la boca de un individuo que vivió hace 5.700 años, a partir de una goma de resina de abedul. Esta goma había sido usada como si fuera un chicle y conservaba el DNA de la persona que lo mascaba y permitió incluso identificar las bacterias de su boca y lo que había comido antes de masticarlo.

En realidad la muestra era una especie de bola oscura de brea o resina que se producía al calentar la corteza de abedul, que se usaba entonces para pegar herramientas de piedra. La presencia de marcas de dientes sugiere que la sustancia fue masticada, quizás para hacerla más maleable o incluso para aliviar el dolor. Estaba enterrada bajo una capa de lodo, lo que ha ayudado a su preservación, y provenía de un yacimiento de la Edad de Piedra en Saltholm, una isla danesa en el mar Báltico.

Es la primera vez que se extrae un genoma humano antiguo completo de otro material que no sea un hueso

De esta muestra han podido extraer suficiente DNA humano como para secuenciar el genoma completo del individuo. Hoy las técnicas de genómica forense permiten detectar determinados genes o mutaciones que proporcionan mucha información sobre las características del individuo del que proviene ese DNA. Así, el análisis de este genoma antiguo ha permitido desvelar que se trataba de una mujer, genéticamente vinculada con los cazadores-recolectores de la Europa continental. Probablemente descendía de una población de colonos que se trasladó desde Europa occidental, después de que se retiraran de los glaciares. Además, han podido determinar que tenía la piel oscura, el cabello castaño oscuroy los ojos azules. Aunque esto no está en los genes, los investigadores la han puesto nombre: Lola. Saben incluso que Lola era intolerante a la lactosa. En el genoma no encontraron la mutación que permite a la mayor parte de los humanos modernos beber leche animal sin indigestarse.

Recreación artística del aspecto que pudo tener Lola (Tom Björklund)

Los investigadores también pudieron extraer DNA de los microbios atrapados en el "chicle". El análisis demostró que la mayoría pertenecía a microbios beneficiosos de la microbiota oral humana. Pero también detectaron DNA de algunas bacterias patógenas como Porphyromonas gingivalis y Treponema denticola que causan infecciones en las encías y periodontitis, y el virus Epstein-Barr, uno de los más comunes y que actualmente infecta al 90% de la población humana adulta. De las secuencias de DNA que obtuvieron fueron capaces también de reconstruir el genoma completo de Streptococcuspneumoniae, una bacteria que puede causar neumonía. Sin embargo, los investigadores afirman que los datos no permiten saber el estado de salud de Lola.

Pero además, los investigadores hallaron restos de DNA que no eran ni humanos ni bacterianos: unos eran de origen animal, de un ánade o pato real; y otros de procedencia vegetal, de avellanas. De ahí, que deduzcan que Lola debió de comer pato con avellanas poco antes de mascar el "chicle" de abedul.

Los microbios de los neandertales

Pero estas técnicas no solo nos permiten conocer la historia de nuestros antepasados de la Edad de Piedra, sino irnos incluso mucho más lejos, hasta los neandertales, con los que convivimos durante unos miles de años. Habitaron Europa y Asia Occidental desde hace aproximadamente 200.000 años, hasta que definitivamente se extinguieron hace unos 28.000 años. Eran principalmente cazadores y solían vivir en pequeños grupos de unos 15-30 individuos. Convivieron con los Homo sapiens durante el Pleistoceno y, según los últimos datos genómicos, en nuestro genoma actual hay restos de DNA neandertal, lo que demuestra que nos cruzamos, en el sentido sexual de la palabra, en algún momento de la prehistoria.

Pero los neandertales se extinguieron y solo nos han llegado hasta nuestros días unos pocos huesos. El registro fósil de los neandertales está representado por unos 400 individuos. Obviamente de sus microbios no sabemos nada … o casi nada.

Hace unos pocos años, en 2017, se publicó un trabajo (2) en el que descubrieron que al estudiar algunos huesos de la dentadura de los neandertales, en las caries dentales, quedaba preservado DNA microbiano y que su análisis podría darnos mucha información sobre cómo era la microbiota de nuestros antepasados. Así que extrajeron el DNA de las caries, y lo secuenciaron. Emplearon muestras de caries de cinco neandertales, dos de la cueva de El Sidrón en España, dos belgas y un italiano.

Comprobaron que el 93% de las secuencias eran bacterianas, el 6% de arqueas y el resto de microorganismos eucariotas y virus. Fueron capaces de caracterizar hasta 222 especies de bacterias y los grupos bacterianos más frecuentes eran similares a los que nos podemos encontrar en la placa dental de humanos modernos: Actinobacterias, Firmicutes, Bacteroidetes, Fusobacterias, Proteobacterias y Espiroquetas. Obviamente también encontraron secuencias de bacterias que producen caries y otras enfermedades dentales, como Streptococcus mutans. Un dato interesante es que fueron incluso capaces de secuenciar el genoma casi completo de una de las bacterias del neandertal, que han denominado Methanobrevibacter oralis subsp. neandertalensis, o sea una arquea simbionte que produce metano encontrada en la boca de un neandertal. Han podido incluso estimar su antigüedad en unos 48.000 años.

Methanobrevibacter oralis subsp. neandertalensis es el genoma microbiano más antiguo hasta ahora secuenciado

Además, con los datos del DNA preservado en sus dientes, los científicos fueron capaces de determinar que la dieta de los neandertales belgas era a base de carne de rinocerontes lanudos y muflones —un tipo de cabra salvaje europea—, mientras que la de los españoles era vegetariana, a base de champiñones, musgos y piñones —todavía no habían inventado ni la cerveza belga ni la paella—. En los dientes de los neandertales de El Sidrón también han encontrado secuencias de DNA del hongo Penicillium, que produce antibióticos. Los autores lo han interpretado como que ya nuestros antepasados se medicaban miles de años antes del descubrimiento de los antibióticos, pero teniendo en cuenta que la cueva de El Sidrón está en Asturias, bien pudiera ser que ya comían queso de Cabrales prehistórico (je, je).

Los investigadores también examinaron la diversidad microbiana en las muestras de los neandertales en busca de potenciales microorganismos patógenos que fueran un signo de enfermedad. Encontraron secuencias de un microorganismo eucariota patógeno —Enterocytozoon bieneusi— que infecta las células del epitelio intestinal y produce diarreas. Así que se demuestra que los neandertales… tenían diarrea. También encontraron que la microbiota neandertal contenía menos bacterias Gram-negativas potencialmente patógenas, que son más frecuentes en los humanos modernos. Pero sí detectaron especies potencialmente patógenos como Neisseria gonorrhoeae, Corynebacterium diphteriae o Bordetella parapertussis, aunque no es posible asegurar si estas secuencias son en realidad de cepas similares no patógenas. Así que no podemos afirmar con seguridad que los neandertales padecieran gonorrea, difteria o tosferina, pero sí que tenían caries y diarrea…, y que producían metano.

El rostro de los denisovanos en un meñique

Pero quizá lo más alucinante de todas estas técnicas de análisis de DNA antiguo lo hemos conocido hace unos pocos meses. En septiembre de 2019 se publicó un artículo (3) en el que mostraban la reconstrucción del aspecto físico de un tipo de homínido gracias a un novedoso método a partir del análisis genómico de la falange de un meñique.

El homínido en cuestión eran un denisovano, un grupo de homínidos cuya historia es apasionantes. Se trata de unos antepasados nuestros que vivieron en Siberia y Asia oriental hace más de 50.000 años y que son un misterio para los científicos. Se descubrieron hace solo una década en las cuevas de Denísova en los montes Altái de Siberia. De los denisovanos solo se han encontrado cuatros trocitos fosilizados: una falange de dedo meñique, tres dientes y una mandíbula inferior. Nada más. Pero a partir de ahí, se ha podido extraer, secuenciar y analizar el genoma de los denisovanos. Al contrario de lo que ocurre con el resto de especies humanas que han sido identificadas gracias a sus fósiles, de los denisovanos todo lo que conocemos lo sabemos a partir del análisis de su DNA.

Se ha sugerido que este homínido vivió entre hace un millón de años y 40.000 años, en áreas en las que también vivían neandertales y Homo sapiens. Su origen se encontraría en una migración de África distinta de las asociadas con humanos modernos y neandertales. El análisis del DNA indica que debió de existir un ancestro común entre denisovanos, neandertales y el Homo sapiens.

Y lo mismo que ocurrió con los neandertales, los denisovanos también se cruzaron con los sapiensque vivía en Eurasia en ese momento. No solo eso sino que las pruebas genéticas demuestran que uno de los restos de denisovanos tiene cromosomas que heredó de una madre neandertal y de un padre denisovano. Es decir, se trata de un descendiente híbrido directo de dos "especies" humanas distintas y ahora extintas.

Parece mentira que todo esto lo sepamos del análisis del DNA extraído de la falange de un meñique fosilizado. Pero todavía nos queda lo mejor.

Como hemos comentado, en septiembre de 2019 se publicó un artículo en el que mostraban lareconstrucción del aspecto físico de un denisovano a partir del análisis genómico del huesecillo del meñique. Para ello, los investigadores han aplicado una nueva técnica de análisis genómico que permite descubrir los patrones de metilación (un tipo de modificación química del DNA) que se relacionan con la expresión de determinados genes.

La metilación del DNA te permite saber qué genes están "encendidos" o "apagados"

Así se ha podido asociar cambios en la actividad de los genes con cambios anatómicos para predecir así la apariencia física. Se identificaron un centenar de genes silenciados en los denisovanos que, por el contrario, sí estaban activos en sapiens y neandertales. Estos datos se cruzaron con la información recogida en enormes bases de datos de enfermedades monogénicas (causadas por un único gen) que provocan un determinado desarrollo morfológico. Tras realizar el estudio genético, pudieron determinar algunas características anatómicas de nuestros parientes y realizar un diseño de su cabeza y cara mediante programas informáticos.

Para comprobar la eficacia del método, los investigadores primero demostraron que su técnica era capaz de reconstruir con precisión la anatomía ya conocida de los neandertales y los chimpancés. Los resultados fueron comparados con un esqueleto de neandertal y los rasgos predichos coincidían entre el 85% y el 90%. En el caso de los chimpancés, el acierto se incrementaba hasta el 92%.

Modelo anatómico de un denisovano (Fuente: ref 3)

Así, han podido estimar hasta 56 rasgos que caracterizan la fisionomía de los denisovanos, 34 de ellos del cráneo. Solo once son específicos de los denisovanos, mientras que el resto son compartidos con neandertales o humanos modernos.

En muchos rasgos se parecían a los neandertales, por ejemplo, en su frente inclinada, la cara alargada y la pelvis grande. Sin embargo, en otros rasgos resultan diferentes, como su gran arco dental, su cráneo mucho más ancho que el nuestro o el de los neandertales, y el que no tenían mentón. En general, los denisovanos resultaban ser más altos y fuertes que los neandertales. Este trabajo demuestra que el estudio de la metilación del DNA puede emplearse para reconstruir características anatómicas de las que incluso no haya registro fósil.

Así debían ser los denisovanos, según el análisis del DNA de uno de sus meñiques

Estos tres ejemplos, la fisionomía del rostro de los denisovanos, los microbios que tenían los neandertales o cómo eran nuestro antepasados de la Edad de Piedra, demuestran de lo que somos capaces de hacer hoy en día con las técnicas genómicas a partir de un huesecillo de un meñique, de una caries fosilizada o de un "chicle" de hace miles de años. Lo de Jurassic Park, ¿seguirá siendo ciencia ficción?

Referencias:

(1) A 5700 Year-Old Human Genome and Oral Microbiome From Chewed Birch Pitch. Jensen, T.Z.T., y col. Nat Commun 2019. 10 (1): 5520.

(2) Neanderthal Behaviour, Diet, and Disease Inferred From Ancient DNA in Dental Calculus. Weyrich, L. S., y col. Nature. 2017. 544 (7650), 357-361.

(3) Reconstructing Denisovan Anatomy Using DNA Methylation Maps. Gokhman, D., y col. Cell. 2019. 79 (1), 180-192.

Grade One Homework

Friday, August 7, 2020

Los Secretos Escondidos Del DNA Antiguo

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