SFB 1266 - TransformationsDimensionen

Phase 1 - Forschungsaktivitäten 2016-2020


F4: Die Erforschung von Infektionskrankheiten des Menschen durch die Analyse alter Genome und Skelettpathologien



Teilprojektleitung: Prof. Dr. Ben Krause-Kyora, Prof. Dr. Almut Nebel
Mitarbeitende: Alexander Immel
 

 

Forschungsagenda

DNA Untersuchung Reinstlabor
Abb. 1. Die Arbeit mit alter DNA muss in einem Reinstlabor durchgeführt werden, um Kontaminationen mit exogener DNA zu vermeiden. Weitere Schutzmaßnahmen sind das Tragen von Anzügen, Masken sowie Handschuhen. (Foto: S. Kornell)

Gemeinhin wird angenommen, dass Infektionskrankheiten den Homo sapiens während seiner gesamten Evolution begleitet haben. Epidemien könnten wichtige prähistorische Transformationsprozesse beeinflusst haben. Das Projekt F4 will untersuchen, ob Infektionskrankheiten mit großen demographischen und/oder ökologischen Krisen vergangener Perioden einhergingen. Zu diesem Zweck werden mehrere hundert gut datierte menschliche Skelettüberreste auf das Vorhandensein bekannter bakterieller und viraler Erreger untersucht. Dabei wird das konservierte genetische Material der Pathogene mit modernsten molekularen Techniken angereichert und sequenziert. Die gewonnenen Ergebnisse werden mit genomischen Daten heutiger Krankheitserreger verglichen, um Modelle für die Rekonstruktion vergangener und die Vorhersage moderner Epidemien zu entwickeln.
 

DNA Untersuchung Zahnstein
Abb. 2. Zahnstein hat sich an den unteren Prämolaren und Molaren abgelagert. Zahnstein mineralisiert schon zu Lebzeiten eines Individuums, so dass die DNA äußerst gut erhalten ist. (Foto: S. Kornell)

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.

Forschungsergebnisse und -aktivitäten

Unsere Ausgangsthese in Phase 1 war, dass Epidemien wichtige prähistorische Transformationsprozesse beeinflusst oder ausgelöst haben könnten. Insbesondere die Einführung der neolithischen Lebensweise (größere Menschenansammlungen, Nähe von Menschen und Tieren, schlechte Hygiene, Ernährungsumstellungen, höhere körperliche Belastung) mag zu einem Anstieg von Infektionskrankheiten, möglicherweise sogar zu Epidemien, geführt haben. Das Ziel des Teilprojektes in der ersten SFB-Förderungsphase war es herauszufinden, ob Auftreten, Verbreitung und Evolution von Krankheitserregern (durch Blut übertragene Bakterien, Viren) mit größeren sozioökonomischen Transformationen im Neolithikum und in der Bronzezeit korrelierten.

Ein großangelegtes Pathogenscreening von 731 neolithischen und bronzezeitlichen Skeletten ergab - mit Ausnahme von Helicobacter pylori in der Geletschermumie Ötzi (Maixner et al., 2016) und dem Hepatitis-B Virus in zwei neolithischen Proben (Krause-Kyora et al., 2018 eLIFE) - keine Hinweise auf infektiöse Erreger. Unsere Ergebnisse, aber auch andere neueste Studien, weisen auf vereinzelte Infektionsgeschehen während des Neolithikums hin, aber nicht auf Epidemien. Insbesondere fanden wir keine Unterstützung für die Hypothese, dass die Wanderung des Yamnaya-Volkes nach Westen mit der Übertragung von Yersinia pestis, dem Pesterreger, einherging (Immel et al. 2020).

Entsprechend unserer Ausgangsthese untersuchten wir, inwieweit das Auftreten von Pathogenen mit neolitischen Transformationen assoziiert werden kann. Hierfür stellten wir in Kooperation mit den Teilprojekten D2 und Z1 archäologische und paläopathologische Proxies zusammen, wobei wir uns auf neolithische Siedlungs- und Bestattungsgebiete der deutschen Lösszone beschränkten. Im Vergleich der Proxies zeigte sich, dass zwischen 5500-2500 v. Chr. zwar mehrfache tiefgreifende Veränderungen in den Siedlungs- und Hausstrukturen sowie der Bestattungspraxis stattfanden, jedoch Hinweise für einen kausalen Zusammenhang mit dem Aufreten von Krankheitserregern oder skelettären Indikatoren fehlen (Fuchs et al. 2019).

Wenn Krankheitserreger in alten Knochen nicht mehr nachweisbar sind, kann die Analyse menschlicher Immungene indirekte Rückschlüsse auf Infektionskrankheiten in der Vergangenheit liefern. Wir führten eine kleine Pilotstudie durch, in der wir die Immungene, die für die menschlichen Leukozytenantigene (HLA) codieren, im Detail analysierten. Zunächst etablierten wir eine Methode für den HLA-Capture und eine Bioinformatik-Pipeline, die es uns ermöglichte, die Allele in alten DNA-Extrakten zuverlässig zu bestimmen (Krause-Kyora et al. 2018 Nature Communications; Pierini et al. 2020). Darüber hinaus wandten wir diese Methode an, um die HLA-Profile einer neolithischen Gemeinschaft zu ermitteln, die im Galeriegrab von Niedertiefenbach, Deutschland, bestattet war (3300-3200 cal. BCE, Meadows et al. 2020; Rinne et al. 2019). Wir beobachteten, dass die Bevölkerung von Niedertiefenbach einen HLA-Genpool besaß, der sich erheblich von dem der heutigen Deutschen unterschied, was auf substanzielle und dauerhafte Veränderungen in der Immunantwort über Tausende von Jahren hindeutet (unveröffentlicht).

Da Wanderungsbewegungen möglicherweise eine wichtige Rolle bei der Entstehung und Ausbreitung von Epidemien gespielt haben, lag ein weiterer Schwerpunkt von F4 auf der Identifizierung demographischer Transformationen mittels populationsgenetischer Analysen. In Kooperation mit Teilprojekt D1 fanden wir heraus, dass Cucuteni-Trypillia-assoziierte Populationen in der heutigen Republik Moldau einem graduellen genetischen Einfluss von Steppenbewohnern unterlagen, möglicherweise bereits um 3500 v. Chr. Diese Erkenntnis passt zu der Hypothese, dass kontinuiertliche Kontakte zu einer Vermischung zwischen den östlichen Steppenbewohnern und den lokalen, westlichen Populationen führten (Immel et al., 2020). In einer weiteren Studie, die in Zusammenarbeit mit den Teilprojekten D2 und Z1 durchgeführt wurde, analysierten wir genomweite Daten von 42 Individuen aus dem Niedertiefenbach Kollektiv. Die Gemeinschaft war genetisch divers und trug eine große Jäger-Sammler-Komponente (~50%), die höchstwahrscheinlich auf den Genfluss von westlichen Jägern und Sammlern zurückgeht. Wir berechneten, dass die Vermischungsprozesse, die zur Entstehung der Niedertiefenbach-Population führten, am Ende der Michelsberger Kultur oder zu Beginn der Wartbergkultur (3800-3500 v. Chr.) stattfanden, was auf wichtige demographische und kulturelle Transformationen in Westeuropa der damaligen Zeit hinweist (unveröffentlicht).