Aikamatkustelua molekyylin avulla

Transkriptio

1 AIKA Suomi-neidosta, Neandertalin ihmisestä ja vähän Ötzin ruokavaliosta Aikamatkustelua molekyylin avulla ANTTI SAJANTILA K ysymys ihmislajin alkuperästä on herättänyt tutkijapiireissä kiehtovia ja mukaansa tempaavia akateemisia kiistoja, joissa joskus ei ole ollut kysymys lopullisesta totuudesta vaan parhaasta selitysmallista ja tutkimusryhmien egosta. Anatomisesti modernien ihmisten (Homo sapiens sapiens) evoluutiota on selitetty pääpiirteittäin kolmen eri teorian mukaan. Ensimmäisen teorian mukaan ihmislajilla ei ole ollut yksittäistä alkukotia, vaan nykyihmiset kehittyivät alueellisesti toisistaan riippumatta Homo erectuksen levittyä Afrikasta Eurooppaan ja Aasiaan noin vuotta sitten. Tämän teorian kannattajien argumentointi perustuu fossiileiden morfologis-anatomisissa piirteissä havaittuun jatkuvuuteen. Teorian mukaan evoluutio on kestänyt alueellisesti pitkään ja on vaatinut ajallisesti suhteellisen tasaisen geenienvaihdon arkaaisen Homo erectuksen ja anatomisesti modernien ihmisten välillä. Myös toisen teorian mukaan lajimme kehittyi Afrikassa. Levitessään Eurooppaan ja Aasiaan se ainakin osittain sulautui arkaaisten ihmislajien esimerkiksi Neandertalin ihmisten kanssa. Alkukotimme Afrikka Molekyyligenetiikan menetelmiä on viime vuosina käytetty mitä moninaisimpien ongelmien ratkaisemiseen biologisissa tieteissä. Tuhansien vuosien päähän kurkistelu molekyylien avulla on luonut kokonaan uusia tieteenaloja, molekyyliantropologian ja molekyyliarkeologian. Suurin osa geneettisistä tutkimuksista tukee kolmatta teoriaa, jonka mukaan anatomisesti modernit ihmisten kehittyivät Afrikassa ja heidän diasporansa Afrikan alkukodista muualle on tapahtunut evoluution kannalta vasta viime aikoina, noin vuotta sitten. Tämä molekyyliantropologien tukema»recent origin out of Africa» -teoria perustuu pitkälti nykyväestöjen populaatiogenetiikasta saatuun epäsuoraan todistusaineistoon. Tutkittaessa maailman eri väestöjen geneettistä monimuotoisuutta on todettu, että Afrikan väestöissä esiintyvät lähes kaikki ne geneettiset muodot, joka ovat löydettävissä muualta. Toisaalta Afrikassa on sellaisia geneettisiä muotoja, joita ei tavata muualla. Tätä voidaan havainnollistaa yksilöiden alkuperän fylogeneettisella puulla (kuva 1), jossa kaikki afrikkalaisten DNA-linjat erottuvat muista tai sekoittuvat muiden väestöryhmiä edustavien DNA-linjojen joukkoon. Molekyyligeneettisten laboratoriomenetelmien avulla on mahdollista tuottaa suhteellisen laajoja tietokantoja nykyisin elävien ihmisten DNA:n monimuotoisuudesta ja sen jakaantumisesta eri väestöissä tai eri maantieteellisillä alueilla. Nykypäivän DNA:n monimuotoi- 2447

2 Kuva 1. Ihmislajin alkuperä. Ihmisväestöjen DNA-tutkimusten perusteella meidän viimeinen yhteinen kantaisämme (most recent common ancestor, MRCA) eli noin vuotta sitten. Afrikan väestöt muodostavat fylogeneettisessä puussa oman haaransa (A8 A10), mutta Afrikassa esiintyviä DNA-linjoja (A5 A7) on myös esimerkiksi eurooppalaisten ja aasialaisten DNA-linjojen joukossa (EA1 EA4). Afrikan mantereen väestöjen DNA-linjoja on myös huomattavasti enemmän kuin Euraasiassa ja muualla maailmassa. Neandertalin ihmisen mitokondriaalisen DNA:n (mtdna)-sekvenssit osuvat fylogeneettisessä puussa valtaosaltaan anatomisesti nykyihmisten mtdna-linjojen ulkopuolelle. Toistaiseksi julkaistut Neandertalin ihmisen mt- DNA-sekvenssit (N1 N4) muodostavat oman ryhmänsä fylogeneettisessä Simpanssi rekonstruktiossa. N1 N2 N3 N4 Neandertalin ihminen EA1 EA2 EA3 EA4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 suudesta tehtyihin päätelmiin liittyy kuitenkin toistaiseksi ratkaisemattomia tilastollisia ongelmia. Ihmisen evoluution mallintamisen taustalla on useita suhteellisen karkeita oletuksia ihmisen käyttäytymisestä ja väestöjen demografiasta. Tämän vuoksi päätelmät ihmisen alkuperästä ja suhteesta toisiin lähisukulaisiinsa ovat vielä kriittisen keskustelun kohteena. Molekyyliarkeologit ovat harrastaneet arkeogeneettistä aikamatkustusta molekyylien avulla ja tuottaneet suoraa tietoa jo kadonneiden eläinlajien DNAtason monimuotoisuutta ja muinaisista ihmisistä tutkimalla arkeologisten kaivausten yhteydessä löytyneitä tai museoissa säilytettyjä fossiileja. Arkeogenetiikka: luita, nahkaa ja ulosteita DNA-molekyylien monistaminen PCR-menetelmällä luonnosta löytyneistä ulosteista on osoittautunut käteväksi tavaksi analysoida suojeltujen villieläinten tai muuten vaikeasti tavattavien eläinten geneettistä monimuotoisuutta ja ravintotottumuksia. Ulosteet ovat, yllätys yllätys, varsin tavallinen löydös ihmisasutusten arkeologisissa kaivauksissa ja luolissa, jotka ovat olleet eläinten käytössä. Esimerkiksi Yhdysvaltojen lounaisosien luolista on löydetty ulostenäytteitä, jotka edustavat useiden kymmenientuhansien vuosien aikaa. Niistä voidaan periaatteessa seurata evoluutiota suoraan molekyylitasolla ajallisesti ja paikallisesti.»uloste-pcr»-menetelmän avulla on tehty perusluonteisia päätelmiä jo sukupuuttoon kuolleiden eläinlajien geneettisestä monimuotoisuudesta ja sijoittumisesta eläinkunnan sukupuussa muihin lajeihin nähden ja tarkennettu tietoja niiden ravinnonkäytöstä. Mielenkiintoisen yksityiskohdan oman lajimme historiaan lisää tieto, että noin 2000 vuotta sitten Amerikan mantereella asuneet ih Rodiniasupermanner muodostuu Neoproterotsooinen kausi

3 miset söivät kasviksia ja suurten nisäkkäiden lihaa. Uloste-PCR-menetelmällä on monistettu lyhyitä DNA-jaksoja, jotka osoittavat ulostenäytteissä olleen mm. kahdeksan eri kasvin, antiloopin ja siansarvilampaan tähteitä. Puhtaasti morfologisin analyysimenetelmin ei kyseisiä päätelmiä olisi voitu tehdä. Ulosteet eivät luonnollisesti ole ainut eikä edes ensisijainen näytemateriaali molekyyliarkeologeille. Periaatteessa mikä tahansa biologinen materiaali voi olla käyttökelpoinen monistettavaksi PCR-menetelmällä. Kuitenkin mm. pyrolyysikaasukromatografia-massaspektrometrialla on osoitettu muinaisnäytteistä usein aminohappojen ja sokerien välisiä ristisidoksia, jotka estävät DNA:n monistamisen. Käyttämällä PTB:tä (N-fenasyyli-tiatsolibromidi), joka rikkoo sokerien välisiä ristisidoksia, on muinais- DNA:n monistus joistakin näytteistä onnistunut. Lisäksi ympäristöolosuhteet aiheuttavat DNAmolekyylissä oksidatiivisia muutoksia ja hydrolyytistä tuhoutumista. Useimmat näistä muutoksista aiheuttavat DNA-molekyylin muuttumisen tai tuhoutumisen ja estävät DNA:n monistamisen PCR-menetelmällä. Kokonaan toisentyyppinen ongelma on PCRmenetelmään liittyvä kontaminaation mahdollisuus. Vaikka se on sinänsä suhteellisen helposti poissuljettavissa laboratorio-olosuhteissa, saattaa kokeen huolimaton kontrollointi johtaa vaarallisille harhateille tilanteissa, joissa näytteet eivät ole lähtökohdiltaan optimaalisia. Esimerkkinä tästä on vuonna 1995 Nature-lehdessä julkaistu dinosauruksen mitokondriaalinen DNA -sekvenssi (mtdna), jonka tarkempi analyysi osoitti nolosti kyseisen sekvenssin edustavan ihmisen tumallisesta genomista löytyviä mtdna:n insertioita. Myöhemmin näitä insertioita on käytetty»molekulaarisina fossiileina», jotka ovat ikään kuin pysähtyneet tai hidastaneet vauhtiaan evoluutiossa. Tämän ominaisuuden vuoksi mtdna:n tumallisia insertioita voidaan käyttää aikamatkustajan kilometripylväinä ihmisen evoluutiossa. Dinosauruksen DNA:ta ei ole vieläkään luotettavasti monistettu eikä dinosaurusten munia kloonattu. Ötzin viimeinen ehtoollinen Tirolin alpeilta yli metriä merenpinnan yläpuolelta löytyi miehen ruumis, joka osoittautui Euroopan mielenkiintoisimmaksi ihmisperäiseksi muumioiksi neoliittiselta ajalta. Se sai pian nimet»tirolin jäämies» ja»ötzi» Ötztal-nimisen löytöpaikan mukaan (kuva 2). Koska löydös osoittautui kulttuurihistoriallisesti poikkeuksellisen arvokkaaksi, perustettiin Etelä-Tirolin arkeologiseen museoon Bolzanoon Ötzille oma jäähuone, jossa on viimeisten kymmenen vuoden ajan tehty antropologisia, paleopatologisia, etnologisia ja molekyyligeneettisiä tutkimuksia. Ötzi eli radiohiiliajoituksen mukaan noin vuotta sitten, ja muumion läheisyydestä löytyneiden vaatteiden ja aseistuksen perusteella arkeologit ovat arvelleet hänen olleen metsästäjä tai korkeaarvoinen taistelija. Ötzin kuoleman ajateltiin aluksi johtuneen jäätymisestä. Uusimman teorian mukaan hän saattoi joutua väkivallan kohteeksi, sillä hänen vasemmasta olkapäästään löytyi kivinen nuolenpää. Pian löydön jälkeen aloitettiin myös DNAtutkimukset. Ensimmäiset tulokset julkaistiin Science-lehdessä vuonna 1994 (Handt ym. 1994). Ne osoittivat Ötzin mtdna:n sopivan yleiseen eurooppalaiseen geenipooliin. Tutkimus poisti epäilyt muumion ei-eurooppalaisesta alkuperästä, jota oli oletettu mm. iholta löydettyjen tatuointien perusteella. Osaltaan mtdnasekvenssin analysointi vahvisti ajatusta, jonka mukaan nykyeurooppalaisten geenipooli edustaa pikemminkin neoliittisena kuin paleoliittisena aikana Euroopassa asuneiden ihmisten geenipoolia. Ötziä on säilytetty pakastinlämpötilassa. Syksyllä 2000 ruumista sulatettiin tieteellistä tutkimusta varten ensimmäisen kerran sen löytymisen jälkeen. Sulatuksen yhteydessä otettiin näytteet ohut- ja paksusuolen sisällöistä. Vastikään julkaistussa tutkimuksessa (Rollo ym. 2002) Ötzin ennen kuolemaansa käyttämä ravinto rekonstruoitiin suoliston sisällön DNA-analyysil- 2449

4 lä. Hän oli syönyt joitakin aikoja ennen kuolemaansa vuorikauriin lihaa, kaksisirkkaisia ja viljakasveja ja viimeiseksi ehtoollisekseen saksanhirven lihaa ja mahdollisesti viljaa. Suolen siitepölyanalyysi paljasti hänen liikkuneen Alppien alapuolisen metsävyöhykkeen läpi ennen kiipeämistään vuoristoon. Aikamatkustusta on myös harrastanut eräs Alppialueella asuva nainen, joka oli unessaan muistanut olleensa Ötzin vaimo noin 5000 vuotta sitten ja kirjoitti siitä menestyskirjan. Ötzin ja naisen välistä sukulaisuussuhdetta ei ole kuitenkaan tieteellisesti tutkittu molekyylitasolla eikä muutenkaan. Feldhoferin luola Neandertalissa vuonna 1856 Neandertalin ihminen herättää mielikuvan alkuihmisen prototyyppistä, jolla oli kömpelö kävelytapa, massiiviset lihakset ja kulmikkaasta kallosta esiin työntyvä voimakas leuka ja hyvin kehittynyt silmäkuoppien yläpuolinen osa. Neandertalin ihminen osasi myös leikkiä tulella ja ilmeisesti hautasi lähimmäisensä. Kysymystä neandertalilaisen mahdollisesta puhekyvystä käsitellään Haaralan artikkelissa tässä numerossa. Tämä sukulaislajimme on nimetty ensimmäisen löytöpaikan perusteella. Säveltäjä-runoilija Joachim Neanderin ( ) mukaan nimetyn laakson eteläpuolen pienestä luolasta löytyi vuonna 1856 jäännöksiä, joita arveltiin aluksi luolakarhun luiksi mutta jotka myöhemmin osoittautuivat eräiksi tärkeimmistä antropologisista luulöydöksistä ihmisen evoluution kannalta. Koska Neandertalin ihmiset katosivat noin vuotta sitten, ainut tapa arvioida suoraan DNA-tasolla heidän geneettistä suhdetta nykyihmisiin on analysoida muinaista DNA:ta tunnetuista Neandertalin ihmisiksi luokitelluista luulöydöksistä. Useiden vuosien turhauttavien yritysten jälkeen müncheniläisessä laboratoriossa onnistuttiin vuonna 1995 eristämään autenttista Neandertalin ihmisen DNA:ta. Tulokset julkaistiin vuonna 1997 Cell-lehdessä. Ensimmäisen kerran voitiin luotettavasti verrata lähimmän sukulaisemme mtdna:ta modernin ihmisen mtdna:han. Saatiin uusi näkökulma antropologien ja paleontologien piirissä kiisteltyihin kysymyksiin lajimme alkuperästä. Koska Afrikasta lähteneen nykyihmisen tiedetään asuneen useita vuosituhansia samoilla alueilla Neandertalin ihmisten kanssa, on monien mieltä kiinnostanut pitkään myös kysymys, harrastimmeko seksiä Neandertalin ihmisen kanssa. Olemmeko me nykyisin elävä sekoitus, jossa on anatomisesti modernia nykyihmistä ja mausteena Neandertalin miestä, naista tai molempia? Neandertalin ihmisen mtdna-sekvenssi antaa tähän vastauksen, mutta ei aivan täydellistä. Nyt tunnettujen mtdna:n sekvenssien perusteella nykyihmisen mitokondriaalisessa genomissa ei ole jälkiä Neandertalin ihmisen ja meidän intiimistä kanssakäymisestä ja siten geenien sekoittumisesta (kuva 1). Toistaiseksi onnistuneesti analysoidut DNA-sekvenssit edustavat äitien puolelta periytyvää mtdna:ta. Päätelmänä on, ettei neandertalilaisten naisten voida olettaa harrastaneen syrjähyppyjä nyky-ihmisen esi-isien kanssa. Tähänastiset päätelmät eivät kuitenkaan sulje pois mahdollisuutta, että Neandertalin ihmiset olisivat sekoittuneet nykyihmisiin autosomien tai Y-kromosomin DNA:n tasolla. Edustaahan noin emäsparin kokoinen mtdna vain häviävän pientä osaa ihmisen koko genomista. Joka tapauksessa nämä mieltä kiehtovat löydökset tukevat teoriaa nykyihmisten suhteellisen viimeaikaisesta leviämisestä Afrikasta muille mantereille ilman todennettavaa assimiloitumista muihin arkaaisiin ihmislajeihin. Suomalaisuus mielessä, kielessä vai geeneissä? Kysymys ihmislajin alkuperästä on kiinnostava keskustelunaihe kuten myös kysymys suomalaisten alkuperästä. Eri ajankohtina on suomalaisten ja suomalais-ugrilaisia kieliä puhuvien väestöjen»alkukodista» esitetty toisistaan hyvinkin poikkeavia hypoteeseja. Eri näkemyksiä ovat myös värittäneet päivänpoliittiset tai muut ei- 2450

5 Kuva 2. Tirolin alpeilta yli metriä merenpinnan yläpuolelta löytyi miehen ruumis, joka osoittautui Euroopan mielenkiintoisimmaksi ihmisperäiseksi muumioiksi neoliittiselta ajalta. Se sai pian nimet»tirolin jäämies» ja»ötzi» Ötztal-nimisen löytöpaikan mukaan. Kuva: Lehtikuva Oy. tieteelliset tavoitteet. Suomalaisten alkuperää on tarkasteltu kielitieteen ja arkeologian näkökulmasta. Eri tieteiden edustajien koulukuntaisuus ja menetelmien yhteensovittamattomuus ovat kompastuskiviä asiasta kiinnostuneille. Keskusteluissa unohtuu usein väliotsikoksi valitsemani ajatus, joka paljastaa kysymyksen liittyvän problematiikan ehkä jopa sen, että kysymystä on mahdotonta ratkaista yksiselitteisesti ja tieteellisen pitävästi. Jos tarkastelemme Suomen väestöhistoriaa molekyyligenetiikan kannalta, ei kysymys ole yksinkertainen. Joudumme helposti pureutumaan tieteellisen tutkimuksen kysymyksenasettelun mielekkyyteen. Molekyyliantropologisten tutkimusten yhtenä ongelmana on ollut tutkittavien väestöjen määrittäminen. Otan esimerkiksi omat lapseni. Tyttäreni DNA:ta voidaan käyttää juutalaisten väestönotoksessa mtdna:n osalta. Poikani DNA-näytteet taas ovat yhtä hyviä juutalaisten mtdna-tutkimuksissa ja etelähämäläisten Y-kromosomitutkimuksissa. Autosomaalisesti molempien poikieni DNA kuuluu samaan roskakoppaan tyttäreni autosomaalisen DNA:n kanssa, sillä puolet suomalaista, neljännes saksalaista ja neljännes venäläistä sattumanvaraisesti rekombinoitunutta genomia ei juuri kiinnosta molekyyliantropologeja. Kuitenkin he kaikki puhuvat suomea ja saksaa ja heillä on Suomen ja Saksan passi. Mitä nykyiset DNA-tutkimukset kertovat Suomalaisten juurista? Suomalaisten mitokondrioissa on hyvin paljon yhteneviä mtdna-linjoja muiden eurooppalaisten ja siis indoeurooppalaisia kieliä puhuvien väestöjen kanssa. Tämä näyttäisi tukevan Harri Nevanlinnan Tvärminnen symposiumissa vuonna 1980 esittämää arviota, jonka mukaan pääosa suomalaisten ge- 2451

6 neettisestä perimästä on eurooppalaista ja vain pieni osa on peräisin idästä, Volgan mutkan kielellisestä alkukodista. Rajusti yksinkertaistaen: äidit ovat kotoisin etelästä? Entä isät? Muutama vuosi sitten julkaistiin artikkeli, jonka yhtenä kirjoittajana olin ja jossa kuvattiin ennen tuntematon Y-kromosomin pistepolymorfismi. Sen esiintymistaajuus on suuri Burjatiassa ja Suomessa. Ovatko suomalaismiehet sitten lähtöisin Burjatiasta? Eivät varmaankaan, sillä uusimmat tulokset viittaavat siihen, että Y- kromosomin Tat-polymorfiaa esiintyy sattuman sysäyksestä vaihtelevina taajuuksina suurella alueella Pohjois-Euraasiassa. Tämä osoittaa liian nopeiden päätelmien vaarallisuuden, vaikka tieteelliset tulokset olisi julkaistu arvovaltaisissa lehdissä. Molekyyliantropologiset ja erityisesti muinaisen DNA:n tutkimukset ovat tästä erinomainen esimerkki, sillä tuloksista tehtäviin päätelmiin ja»julkaisukelpoisuuteen» liittyvät usein myös tutkijoiden ja tieteellisten lehtien vertaisarvioijien ennakkokäsitykset ja ei-tieteelliset vaikuttimet. Tuoreimmissa tutkimuksissa on havaittu suomalaisten Y-kromosomissa ainakin kaksi päälinjaa. Tämä löydös saattaisi viitata ainakin kahden selkeästi erillisen muuttoliikkeen tai perustajapopulaation tuloon Suomen nykyiselle alueelle. Päätelmä saa myös tukea arkeologisista löydöksistä. Milloin nämä»perustajamiehet» tänne saapuivat ja mitä kieltä he puhuivat, on vielä ratkaisematon kysymys. Eräiden arvioiden mukaan he saapuivat vasarakirveskulttuurin aikoihin, ja heidän mukanaan myös maanviljelys levisi tänne. Niin ikään mtdna- ja Y- kromosomitutkimusten karkeat ajoitukset sopisivat tähän, noin 4000 vuotta sitten alkaneeseen suomalaisten kehitysvaiheeseen. Kysymys suomalaisten alkuperästä liittyy siis aikaan. Ensinnäkin siinä mielessä, että juuriaan etsivä EU-kansalainen on nykyisin kovin kiinnostunut alkuperästään. Toisaalta kysymykseen suomalaisten alkukodista tulisi aina liittää kysymys ajasta. Kuka tuli ja milloin? Viime kädessähän suomalaisten niin kuin meidän kaikkien ihmisten alkukoti on Afrikassa kunhan ajassa vain kuljetaan tarpeeksi taaksepäin. Kirjallisuutta von Haeseler A, Sajantila A, Paabo S. The genetical archaeology of the human genome. Nat Gen 1996;14: Handt O, Richards M, Trommsdorff M, ym. Molecular genetic analyses of The Tyrolean Ice Man. Science 1994;264: Huurre M vuotta Suomen esihistoriaa. Keuruu: Otavan kirjapaino Oy, Hofreiter M, Serre D, Poinar H, Kuch N, Paabo S. Ancient DNA. Nat Genet Rev 2001;2: Krings M, Stone A, Schmitz RW, Krainitzki H, Stoneking M, Pääbö S. Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans. Cell 1997;90: Norio R. Suomi-Neidon geenit. Tautiperinnön takana juurillemme johtamassa. Keuruu: Otavan kirjapaino Oy, Rollo F, Ubaldi M, Ermini L, Marota I. Ötzi s last meals: DNA analysis of the intestinal content of the Neolithic glacier mummy from the Alps. Proc Natl Acad Sci USA 2002;99: Zischler H, Geisert H, von Haeseler A, Pääbo S. A nuclear»fossil» of the mitochondrial D-loop and the origin of modern humans. Nature 1995;378: ANTTI SAJANTILA, apulaisopettaja antti.sajantila@helsinki.fi Oikeuslääketieteen laitos, oikeuspatologian osasto PL 40, Helsingin yliopisto 2452