考古遺伝学

ルードビッヒ・ヒルシュフェルドは、ポーランドの微生物学者・血清学者で、第2回国際輸血会議の血液型部会長を務めた。1910年にエーリッヒ・フォン・ダンゲルンと「血液型グループ遺産」を創設し、生涯を通じて大きく貢献した^[8]。1919年の研究のひとつで、ヒルシュフェルドはマケドニア戦線の人々のABO式血液型と髪の色を記録し、髪の色と血液型には相関関係がないことを発見した。さらに彼は、西ヨーロッパからインドにかけて血液型Aが減少し、血液型Bはその逆であることを観察した。東と西の血液型比率は、主にAまたはBからなる2つの血液型が血液型Oから変異し、移動または交雑によって混合したことに由来するという仮説を立てた^[8]。彼の仕事の大半は、血液型と性別、病気、気候、年齢、社会階級、人種との関連性を研究することであった。彼の研究は、消化性潰瘍が血液型Oでより優勢であること、AB型の母親は男女比が高いことを発見することにつながった^[9]。

アーサー・ムーラントはイギリスの血液学者、化学者。多くの賞を受賞し、特に王立協会のフェローシップを授与された。彼の仕事には血液型遺伝子頻度に関する既存のデータの整理が含まれ、多くの集団における血液型の調査を通じて世界の遺伝子地図に大きく貢献した。ムーラントはルイス抗原系（英語: Lewis antigen system）、MNS抗原系（英語: MNS antigen system）、ケル抗原系（英語: Kell antigen system）、Rh因子の新しい血液型抗原を発見し、血液型と他の様々な疾患との関連を分析した。また、遺伝子多型の生物学的意義にも着目した。彼の研究は、人々の間の生物学的関係を示す遺伝的証拠の分離を容易にしたため、考古学の基礎となった。この遺伝的証拠は、以前はその目的のために使われていた。また、集団遺伝学の理論を評価するための材料も提供した^[10]。

[ ウィリアム・ボイドはアメリカの免疫化学者であり、1950年代に人種の遺伝学に関する研究で有名になった生化学者である^[11]。1940年代、ボイドとカール・O・レンコーネンは、インゲンマメとクサフジの粗抽出物が血液型Aの赤血球を凝集させるが、血液型BやOの赤血球を凝集させないことを発見した後、レクチンが様々な血液型に対して異なる反応を示すことをそれぞれ独自に発見した^[12]。人種の違いや様々な人種集団の分布と移動パターンを調べるために、ボイドは世界中から血液サンプルを系統的に収集し分類し、血液型は環境の影響を受けず遺伝するという発見に至った。ボイドは著書Genetics and the Races of Man（1950年）の中で、世界人口を13の人種に分類し、それはそれぞれの血液型プロファイルの違いと、人間の人種は異なる対立遺伝子を持つ集団であるという彼の考えに基づいている^[13][14]。人種に関連する遺伝性形質に関する最も豊富な情報源のひとつは、依然として血液型の研究である^[14]。

化石回収は発掘現場の選定から始まる。発掘候補地は通常、その場所の鉱物学とその地域の骨の目視検出によって特定される。しかし、フィールド・ポータブル蛍光X線^[15]と高密度ステレオ再構成^[16]などの技術を使って発掘地帯を発見する方法が増えた。使用される道具には、ナイフ、ブラシ、先のとがったこてなどがあり、地中から化石を取り除くのを助ける^[17]。

古代のDNAの汚染を避けるため、サンプル(標本)は手袋をして扱い、発掘直後は-20°Cで保管する。化石サンプルは、他のDNA分析に使用されていないラボで分析されるようにすれば、汚染を防ぐこともできる^[17][18]。骨は粉砕されて粉末になり、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）工程の前に溶液で処理される^[18]。DNA増幅のためのサンプルは、必ずしも化石の骨とは限らない。塩漬けや自然乾燥させた保存皮膚も、状況によっては使用できる^[19]。

DNAの保存が難しいのは、骨の化石が劣化し、DNAが土中のバクテリアや真菌によって化学的に修飾されるからである。化石からDNAを抽出するのに最適な時期は、保存されている骨に比べてDNAが6倍含まれているため、地中から取り出したばかりの時である。化石が暖かい地域で発見された場合、DNA増幅の成功率が低下することからも明らかである。化石の環境の急激な変化もDNAの保存に影響する。発掘によって化石の環境が急激に変化すると、DNA分子に生化学変化が生じる可能性がある。さらに、DNAの保存は、発掘された化石の処理（洗浄、ブラッシング、天日乾燥など）、pH、放射線、骨や土壌の化学組成、水文学などの他の要因にも影響される。永続化には3つの段階がある。第1段階は細菌による腐敗であり、DNAの15倍の分解を引き起こすと推定されている。第2段階は骨が化学的に分解する時期であり、そのほとんどは脱プリン酸（英語: depurination）によるものである。第3段階は、化石が発掘され保管された後に起こるもので、骨のDNA分解が最も急速に起こる^[18]。

遺跡から標本が採取されると、一連の工程を経てDNAが抽出される^[20]。より一般的な方法のひとつは、骨のサンプルから古代のDNAを採取するために、シリカを利用し、ポリメラーゼ連鎖反応を利用するものである^[21]。

化石から古代DNAを抽出し、分析用に準備しようとする場合、いくつかの難題がある。DNAは絶えず分裂している。生物が生きている間はこの分裂が修復されるが、一度死んでしまうとDNAは修復されずに劣化し始める。その結果、サンプルは100塩基対程度の長さのDNA鎖を持つことになる。コンタミネーションもまた、プロセス全体の複数の段階における重大な課題である。バクテリアDNAのような他のDNAが元のサンプルに含まれていることがよくある。コンタミネーションを避けるためには、古代DNA抽出作業用の換気システムや作業スペースを別にするなど、多くの予防措置を講じる必要がある^[22]。注意深く洗わないとカビ(菌類)の繁殖につながるので、使用するサンプルは新鮮な化石が最適である^[20]。化石から採取されたDNAにも、DNAの複製を阻害する化合物が含まれていることがある^[23]。また、どの方法が課題を軽減するのに最適であるかについてコンセンサスを得ることも、検体の独自性による再現性の欠如のために困難である^[22]。

シリカ吸着によるDNA分離（英語: DNA separation by silica adsorption）は、考古学的に骨(遺物)からDNAを抽出し、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）技術を用いて増幅可能なDNAを得るための精製段階として用いられる方法である^[23]。このプロセスは、DNAを結合させ、PCR増幅を阻害する化石の他の成分から分離する手段としてシリカを用いることで機能する。しかし、シリカ自体も強力なPCR反応阻害剤（英語: Reaction inhibitor）であるため、抽出後のDNAからシリカが確実に除去されるように注意深い対策を講じる必要がある^[24]。シリカベースの方法でDNAを抽出する一般的なプロセスの概略は以下の通りである^[21]

1. 骨標本を洗浄し、外層を削り取る。
2. できればコンパクトな断面からサンプルを採取する
3. サンプルを細かく粉砕し、DNAを放出するための抽出溶液に加える。
4. DNAの結合を促進するため、シリカ溶液を加えて遠心分離する。
5. 結合溶液を除去し、緩衝液を加えてDNAをシリカから遊離させる。

シリカ吸着によるDNA分離（英語: DNA separation by silica adsorption）の主な利点のひとつは、基本的な実験室のセットアップと化学薬品しか必要とせず、比較的迅速かつ効率的であることである。また、プロセスの規模を大きくしたり小さくしたりできるので、サンプルの大きさに依存しない。もう一つの利点は、室温でプロセスを実行できることである。しかし、この方法には欠点もある。主に、シリカ吸着によるDNA分離（英語: DNA separation by silica adsorption）は骨や歯のサンプルにしか適用できず、軟部組織には使用できない。 様々な種類の化石に有効であるが、新鮮でない化石（例えば博物館用に処理された化石）には効果が低いかもしれない。また、汚染は一般的にすべてのDNA複製にリスクをもたらすので、汚染された物質にこの方法を適用すると誤解を招く結果になるかもしれない^[21]。

ポリメラーゼ連鎖反応は、DNAのセグメントを増幅することができるプロセスであり、抽出された古代のDNAにしばしば使用される。主に3つのステップがある：変性、アニーリング、伸長。変性は高温でDNAを2本の一本鎖に分割する。アニーリングは、TaqポリメラーゼがDNAに付着できるように、DNAのプライマー鎖を一本鎖に付着させることを含む。伸長は、Taqポリメラーゼをサンプルに加え、塩基対をマッチングさせて2本の一本鎖を2本の完全な二本鎖にすることで起こる^[20]。このプロセスは何度も繰り返され、古代DNAを使用する場合は通常より多くの回数が繰り返される^[25]。PCR法の問題点としては、短い塩基配列のため、古代のDNAに対してオーバーラップしたプライマー対が必要になることが挙げられる。また、"ジャンピングPCR "と呼ばれる、PCRの過程でDNAが組み換わる現象が起こり、不均一なサンプルではDNAの分析が難しくなることがある。

化石残留物から抽出されたDNAは、主に超並列シーケンス（英語: Massive parallel sequencing）^[26]を用いて配列決定され、これは、サンプルのDNAセグメントが高度に断片化され、濃度が低い場合でも、同時に増幅し、塩基配列を決定することができる^[25]。これは、一般的なプライマーが結合できるすべての鎖に一般的な塩基配列を付加することで、存在するすべてのDNAが増幅される。 これは一般的にPCRよりもコストと時間がかかるが、古代DNAの増幅には困難が伴うことを考慮すると、安価で効率的であると言える^[25]。Marguliesらによって開発された超並列シーケンス（英語: Massive parallel sequencing）の1つの方法は、ビーズベースのエマルジョンPCRとパイロシークエンシング法（英語: pyrosequencing）^[27]を用いたもので、サンプルの潜在的な損失、テンプレートに対する基質の競合、複製におけるエラーの伝播を回避できるため、核DNAの解析に威力を発揮することがわかった^[28]。

DNAの塩基配列を解析する最も一般的な方法は、他の情報源からの既知の塩基配列と比較することである。

BLASTNなどのソフトウェアを使って既知の種のDNA配列と比較することで、化石残留物の身元を明らかにすることができる^[28]。この考古学的アプローチは、化石の形態学があいまいな場合に特に役立つ^[29]。それとは別に、種の同定は核DNA配列に特定の遺伝マーカーを見つけることによっても行うことができる。例えば、アメリカ先住民は、Wallaceらによって定義された特定のミトコンドリアRFLPと欠失によって特徴づけられる^[30]。

aDNA比較研究は、2つの種の進化的関係を明らかにすることもできる。古代の種のDNAと近縁の現存する種のDNAの塩基の違いの数から、その2つの種の最後の共通祖先からの遺伝的分岐（英語: Genetic divergence）年代を推定することができる^[26]。オーストラリアの有袋類オオカミやアメリカの地上ナマケモノなど、いくつかの絶滅種の系統樹はこの方法で構築された^[26]。動物のミトコンドリアDNAや植物の葉緑体DNA（英語: Chloroplast DNA）は、細胞あたり数百のコピーを持つため、古代の化石から容易に入手できるため、通常この目的に使われる^[26]。

2つの種の関係を調べるもう1つの方法は、ハイブリダイゼーションである。両種の一本鎖DNAセグメントが互いに相補的なペア結合を形成するようにする。より近縁の種はより類似した遺伝的構造を持つため、より強いハイブリダイゼーションシグナルを持つ。スコルツらはネアンデルタール人の核DNA（化石残留物W-NWとクラピナから抽出された）を用いてサザンブロッティングを行った。その結果、古代人とネアンデルタール人のハイブリダイゼーションは弱く、古代人と現代人のハイブリダイゼーションは強かった。ヒト-チンパンジーおよびネアンデルタール人-チンパンジーのハイブリダイゼーションも同様に弱い強度である。このことは、ヒトとネアンデルタール人は同じ種の2個体ほど近縁ではないが、チンパンジーよりは近縁であることを示唆している^[18]。

古代の種の貴重な表現型情報を提供するために核DNAを解読する試みもある。これは常に、よく研究されている近縁種の核型にaDNAの塩基配列をマッピングすることによって行われる^[28]。例えば、Greenらはネアンデルタール人Vi-80化石の核DNA配列と現代人のX染色体およびY染色体配列を比較し、それぞれ1万個あたり2.18塩基と1.62塩基の類似性を見出した^[28]。他にも、古代ヌビア人の綿からシロイヌナズナの小人症に関連する突然変異を発見したり^[29]、ネアンデルタール人の苦味知覚遺伝子座を調査したりした^[31]。