SFB 1266 - TransformationsDimensionen

Forschungsaktivitäten 2016-2019

Infektionskrankheiten haben Homo sapiens vermutlich während seiner gesamten Entwicklungsgeschichte begleitet, und Epidemien könnten wichtige prähistorische Transformationsprozesse beeinflusst haben. Das Teilprojekt F4 untersucht, ob Pathogene zusammen mit großen demographischen und/oder ökologischen Krisen vergangener Perioden aufgetreten sind.

Umfangreiches Erregerscreening

Die Forschung an alter DNA (aDNA) hat in den letzten zehn Jahren große Fortschritte gemacht. Dennoch ist es nach wie vor schwierig, Infektionskrankheiten am menschlichen Skelett mit Hilfe genetischer Methoden zu diagnostizieren, insbesondere aufgrund von schlechten Erhaltungbedingungen. Ein weiteres Hindernis ist, dass viele Infektionen keine spezifischen Läsionen am Knochen hinterlassen und so die Verknüpfung mit den verursachenden Krankheitserrgeren schwierig ist. Ohne diese skelettären Hinweise ist eine gezielte Beprobung jedoch nicht möglich, und der Nachweis eines Erregers ist quasi ein Zufallsbefund. Um die Erfolgsaussichten zu erhöhen, ist die Untersuchung von Hunderten oder Tausenden von menschlichen Überresten erforderlich - und ein Quäntchen Glück. Das hierfür groß angelegte Pathogenscreening ist Schwerpunkt des Teilprojekts F4 in der ersten Phase des SFB 1266. Die aus den Proben extrahierte aDNA wird der Hochdurchsatz-Sequenzierung zugeführt und die erzeugten Daten werden mit bioinformatischen Methoden analysiert. So ist es möglich, genetische Überreste von Bakterien und Viren zu identifizieren und ihre Entwicklungsgeschichte nachzuvollziehen.

Bisher haben wir menschliches Probenmaterial (Zähne, Felsenbeine) von rund 1000 Skeletten gesammelt, die an 30 Standorten in ganz Deutschland sowie in Nord- und Osteuropa (z.B. Tschechien, Moldawien, Rumänien) ausgegraben wurden. Die Proben stammen aus verschiedenen Perioden des Frühneolithikums bis zur Spätbronzezeit (5500 - 1500 v. Chr.) und decken damit einen Großteil des diachronen Fokus des SFB 1266 ab. Weitere Beprobungen laufen noch.

Es gelang uns, in 2 von 53 neolithischen Individuen aus Mitteldeutschland, assoziiert mit der Linienbandkeramik und der Trichterbecher Kultur, das Gesamtgenom des Hepatitis-B-Virus (HBV) zu entschlüsseln. Im Vergleich zu rezenten Stämmen scheinen die neolithischen Viren eigenständige Linien zu repräsentieren, die heute nicht mehr existieren und daher vermutlich ausgestorben sind. Eines der Individuen stammt aus der Zeit vor 7000 Jahren und ist der bisher älteste bekannte HBV-Träger (Krause-Kyora et al., 2018a). Diese Studie wurde in Zusammenarbeit mit Teilprojekt D2 und dem Max-Planck-Institut für Menschheitsgeschichte in Jena durchgeführt.

Des Weiteren haben wir bisher ungefähr 700 neolithische und bronzezeitliche Skelette auf infektiöse mikrobielle Erreger hin untersucht. Trotz dieses enormen Aufwandes haben wir - mit Ausnahme von Helicobacter pylori (Maixner et al. 2016) und HBV - keine Hinweise auf weitere Infektionserreger gefunden. Dieses Ergebnis stellt die bisherige Forschungshypothese, dass sozioökonomische Transformationen des Neolithikums durch Epidemien ausgelöst oder beeinflusst sein könnten, in Frage. Wir sind uns jedoch der Grenzen bewusst, die sich aus dem Erhaltungszustand des bioarchäologischen Materials ergeben. Das Fehlen von Evidenz kann darauf zurückzuführen sein, dass nur im Blut übertragene DNA-Erreger im Skelettmaterial nachgewiesen werden können und dass Erreger, die andere Gewebe oder Organe (z.B. Darm) infizieren, oder RNA-Viren nicht erkannt werden. Die tatsächliche Infektionsrate im Neolithikum/Bronzezeitalter könnte daher unterschätzt werden. Neue Ergebnisse aus laufenden Untersuchungen oder der Literatur können das hier gezeichnete Bild allerdings jederzeit ändern.

Im Hinblick auf mögliche Auslöser und Komponenten des Wandels im neolithischen Deutschland (mit besonderem Fokus auf die Lösszone) haben wir das Vorkommen von Krankheitserregern zusammen mit archäologischen und paläopathologischen Proxies (in Zusammenarbeit mit D2 und Z1) untersucht. Der Vergleich zeigte, dass zwar zwischen 5500 und 2500 v. Chr. große Veränderungen in der häuslichen Strategie und der Bestattungspraxis stattfanden, es aber keine Belege für einen kausalen Zusammenhang zwischen diesen Veränderungen und dem Vorhandensein von Krankheitserregern oder Skelettpathologien gibt. Insbesondere die paläopathologischen Parameter zur Identifizierung von Läsionen, die durch Infektionskrankheiten verursacht werden, sind oft unspezifisch und werden häufig uneinheitlich dokumentiert, was diachrone Interpretationen erschwert (Fuchs et al. 2019).

Evolution der menschlichen Immungene

Wenn Krankheitserreger in alten Knochen nicht mehr nachgewiesen werden können, dann kann die Analyse menschlicher Immungene indirekte Aussagen über Infektionskrankheiten in der Vergangenheit liefern. Im Zuge der Evolution durchlaufen Menschen und Krankheitserreger seit jeher wechselseitige Entwicklungen (sogenanntes „Wettrüsten“), bei denen die Wirte ständig gezwungen sind, sich an neue mikrobielle Angriffsstrategien anzupassen. Ihre Immunabwehr und die dafür verantwortlichen Gene werden dadruch so verändert, dass Infektionen besser bekämpft werden können. Solche genetischen Anpassungen können prinzipiell auch in prähistorischen Individuen untersucht werden.

Wir haben eine kleine Pilotstudie gestartet, die außerhalb des ursprünglichen Rahmens dieses Teilprojekts liegt, um die Machbarkeit eines solchen Ansatzes für die geplante zweite Phase des SFB 1266 zu testen. Zu diesem Zweck haben wir uns auf die HLA-Region (HLA = human leukocyte antigen) konzentriert, die eine Reihe sehr wichtiger Immungene umfasst. Zunächst haben wir ein Verfahren zur HLA-Gen-Anreicherung und eine halbautomatische Bioinformatik-Pipeline etabliert, um die Allele in den alten Individuen zuverlässig zu bestimmen (Krause-Kyora et al. 2018b). Anschließend haben wir erfolgreich HLA-Datensätze aus 69 neolithischen Skeletten generiert, was die Eignung der angewandten Methoden belegt. Die Ergebnisse zeigen deutliche Frequenzveränderungen einiger Allele im Laufe der Zeit (Abb. 1), die wahrscheinlich auf eine pathogen-getriebene Selektion zurückzuführen sind. Solche Erkenntnisse sind auch für die medizinische Forschung relevant, da sie uns wichtige Einblicke in die Evolutionsgeschichte von Krankheiten und deren genetische Veranlagung ermöglichen.

Diagramm Abnahme der Frequenz eines HLA-Allels vom Paläolithikum bis zur Neuzeit
Abb. 1. Abnahme der Frequenz eines HLA-Allels vom Paläolithikum bis zur Neuzeit (blaue Linie, rote Linie stellt eine Regressionskurve dar). Die Anzahl der zu jedem Zeitpunkt untersuchten Personen ist in Klammern angegeben. Die Frequenzen basieren auf zuvor veröffentlichten  (Mathieson et al. Nature 528: 499-503, 2015; Lazaridis et al. Nature 513:409-413, 2014; Haak et al. Nature 522: 207-211, 2015; Mathieson et al. Nature 555: 197-203, 2018) und im Teilprojekt F4 generierten Daten.

Verwandtschaft, Phänotyp und Paläopathologie

Wenn der Erhaltungszustand der menschlichen aDNA es zulässt und die erzeugten Shotgun-Datensätze von ausreichender Qualität sind, nutzen wir die gewonnenen Information auch für populationsgenetische Untersuchungen und Verwandtschaftsanalysen sowie die Phänotyprekonstruktion der Individuen. Darüber hinaus ist es unser Ziel, die gewonnenen Ergebnisse mit paläopathologischen Läsionen an Knochen in Beziehung zu setzen (Abb. 2). Diese Studie wird in enger Zusammenarbeit mit Teilprojekten D1 und D2 durchgeführt.

Foto eines Schädels eines 3-4-jährigen Kleinkindes, welches im Wartberg-Galeriegrab von Niedertiefenbach begraben wurde
Abb. 2. Schädel eines 3-4-jährigen Kleinkindes, welches im Wartberg-Galeriegrab von Niedertiefenbach begraben wurde. Die Dächer der Augenhöhlen zeigen eine starke Form von trabekulärem (bälkchenartigem) Wachstum, die sogenannten Cribra Orbitalia, die ein Symptom für eine erhöhte Erythrozytenproduktion aufgrund von Blutarmut sind. Diese können die Folge von physischem Stress wie Unterernährung, erhöhtem Blutverlust oder Infektionen sein. (Foto: S. Jagiolla)