Analiza starodavne in muzejske DNA

Opis predmeta

Študentje se bodo spoznali s pojmom starodavne DNA, izolirane iz biološkega materiala organizmov, ki so živeli v preteklosti. Spoznali bodo zgodovino starodavne DNA in prvih raziskav na tem področju. V predmet bodo vključene teme o tem, kaj je starodavna DNA in kakšne so njene lastnosti (posebnosti zaradi njene degradacije). »Muzejska DNA« je pogovoren izraz za DNA izolirano iz organizmov hranjenih v muzejskih zbirkah, delno se pojem prekriva s pojmom starodavne DNA, predmet pa bo obravnaval njune podobnosti in razlike. Predstavljeno bo delo v muzejskih zbirkah – nekoč in danes – in zakaj so muzejske zbirke izjemnega pomena pri raziskovanju pretekle biodiverzitete ter njenemu ohranjanju.

Predmet bo obsegal razlike v analizi starodavne (muzejske) DNA in analize standardne DNA, vse od prvih korakov izolacije do bioinformatske analize. Študentom bo predstavljena široka paleta znanstvenih področji, pri katerih se starodavna DNA uporablja (od antropologije, klimatskih sprememb pa do populacijske genetike).

Sledili bodo izjemni primeri novih spoznanj, ki jih je omogočila analiza starodavne DNA:

V evoluciji človeka: analiza starodavne DNA Neandertalcev in Denisovancev, kaj smo podedovali od enih oziroma drugih, skrivnostna četrta vrsta, katere DNA je viden v genomu ostalih treh?
Izumrtja določenih živalskih vrst (mamuti, tasmanski tigri, dodo), kaj vse nam povedo njihovi genomi?
Klimatske spremembe in odgovori, ki nam jih ponuja starodavna DNA.

Jurassic Park: kako daleč smo od obuditve dinozavrov, mamutov, neandertalcev – tehnične omejitve in etično-moralni vidiki.

Predmet učimo na programih

Cilji in kompetence

Cilji predmeta je seznaniti študente z lastnostmi starodavne DNA in številnimi znanstvenimi področji, kjer se uporablja. V tem kontekstu bo poudarek na študijah in konkretnih primerih, kjer je uporaba ključno doprinesla k razjasnitvi nekaterih vprašanj. Predstavljena bo tudi t.i. muzejska DNA in delo v muzejskih zbirkah, ki ga študentje običajno ne spoznajo tekom študija.

Kompetence študentov po opravljenem predmetu vključujejo znanje o starodavni in muzejski DNA ter njihova sposobnost vključiti to področje raziskav v njihove trenutne raziskave ali za uporabo v prihodnosti.

Metode poučevanja in učenja

Metode poučevanja bodo odvisne od števila prijavljenih študentov. Predvidena so predavanja, kjer bodo predstavljene teoretične osnove in zgoraj navedeni konkretni primeri. V primeru manjšega števila študentov, bodo te osnove in primere spoznali preko navedene literature, ki jim bodo sledile konzultacije. Glede na področje raziskovanja oziroma interes bodo študentje pripravili seminarsko nalogo (ali predavanje, ali manuskript), ki se bo poglobila v eno izmed tem. Praktično delo bo prilagojeno zmožnostim/času študentov: omogočen bo obisk Prirodoslovnega muzeja na Dunaju in našega laboratorija, ki je specializiran za delo z muzejsko in starodavno DNA, ali pa bo praktično delo bioinformatske narave. Glede na področje raziskovanja doktorskega študenta se lahko analizo starodavne DNA tudi konkretno vključi v doktorsko raziskavo in objavi v obliki znanstvenega članka.

Predvideni študijski rezultati

Študentje bodo osvojili teoretično in praktično znanje o:

– lastnostih starodavne in muzejske DNA,

– delu v muzejskih zbirkah,

– znanstvenih področjih, kjer se starodavna in muzejska DNA uporabljata (in sta doprinesli ključna spoznanja za njihov razvoj),

– razlike v analizi v primerjavi s »standardno« DNA – od laboratorija do bioinformatike,

– praktično delo, ki bo pripravilo študenta na dejansko uporabo starodavne DNA na izbranem področju.

Temeljni viri in literatura

Splošno o starodavni DNA (General about aicent DNA):

Bouwman A, Rühli F. 2016. Archaeogenetics in evolutionary medicine. Journal of Molecular Medicine (Berl), 94(9): 971–7.

Cappellini E, Prohaska A, Racimo F. 2018. Ancient Biomolecules and Evolutionary Inference. Annual Review of Biochemistry, 87: 1029-106.

Hagelberg E, Hofreiter M, Keyser C. 2015. Ancient DNA: the first three decades. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 370: 20130371.

Zupanič Pajnič I. 2019. Molekularnogenetski vidiki preiskav starodavne DNA,Zdravniški vestnik, 88.

O muzejskih zbirkah in »muzejski« DNA (About museum collections and »museum« DNA):

Boessenkool S, Star B, Scofiled RP, Seddon PJ, Walters JM. 2010. Lost in translation or deliberate falsification? Genetic analyses reveal erroneous museum data for historic penguin specimens. Proceedings Royal Society Series B, 277: 1057–1064.

Kruckenhauser L, Haring E. 2010. Advantages and limits of DNA analyses of specimens from scientific museum collections. 5th Biennial European Bird Curators Meeting, 225-235.

Analize starodavne in muzejske DNA (Analysis of ancient and museum DNA):

Allentoft ME, Collins M, Harker D, et al. 2012. The half-life of DNA in bone: measuring decay kinetics in 158 dated fossils. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 279(1748): 4724-33.

Burrell AS, Disotell TR, Bergey CM. 2014. The use of museum specimens with high-throughput DNA sequencers. Journal of Human Evolution, 79: 35–44.

Cappellini E, Welker F, Pandolfi L et al. 2019. Early Pleistocene enamel proteome from Dmanisi resolves Stephanorhinus phylogeny. Nature, 574: 103–107.

Evolucija človeka (Human evolution):

Meyer M, Kircher M, Gansauge MT. 2012. A High-Coverage Genome Sequence from an Archaic Denisovan Individual. Science, 338 (6104): 222-226.

Prüfer K, Racimo F, Patterson N, Jay F. 2014. The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains. Nature, 505(7481): 43-9.

2. Izumrtja (Extinctions):

Feigin CY, Newton AH, Doronina L. et al. 2018. Genome of the Tasmanian tiger provides insights into the evolution and demography of an extinct marsupial carnivore. Nature Ecology and Evolution, 2: 182–192.

Rogers RL, Slatkin M. 2017. Excess of genomic defects in a woolly mammoth on Wrangel island. Plos Genetics, 13(3): e1006601.

Shapiro B, Sibthorpe, Rambaut A et. Al. 2002. Flight of the Dodo. Science, 295: 1683.

3. Klimatske spremembe (Climate change):

Hadly EA, Ramakrishnan U, Chan YL, et al. 2004. Genetic response to climatic change: insights from ancient DNA and phylochronology. PLoS Biology, 2(10): e290.

4. Invazivne vrste (Invasive species):

Palandačić A, Kruckenhauser L, Ahnelt H, Mikschi E. 2020. European minnows through time: museum collections aid genetic assessment of species introductions in freshwater fishes (Cyprinidae: Phoxinus species complex). Heredity, 124: 410–422.

5. Jurassic Park:

Bailleul AM, Zheng W, Horner JR, Hall BK, Holliday CM, Schweitzer MH. 2020. Evidence of proteins, chromosomes and chemical markers of DNA in exceptionally preserved dinosaur cartilage National Science Review: 7(4): 815–822.