Die Paläogenetik ist ein wissenschaftliches Teilgebiet der Genetik. Sie befasst sich mit der Analyse genetischer Proben fossiler, subfossiler und prähistorischer Überreste von Organismen. Aus den Proben werden die Erbinformationen als DNA-Bruchstücke extrahiert. Diese aDNA (alte DNA) wird mittels Polymerasekettenreaktion (PCR) kloniert und sequenziert.
Paläogenetiker erschaffen keine lebenden Organismen neu, sondern setzen mithilfe verschiedener Analysemethoden Sequenzen alter DNA zusammen. Fossilien sind „die einzigen direkten Zeugen ausgestorbener Arten und evolutionärer Ereignisse“ (EM GEIGEL, 2008); der Nachweis von DNA in diesen Fossilien liefert weitaus mehr Informationen über die betreffenden Arten – möglicherweise sogar Aufschluss über deren gesamte Physiologie und Anatomie.
Die älteste bislang sequenzierte DNA stammt aus der Zeit vor etwa zwei Millionen Jahren und wurde aus Sedimenten in Nordgrönland gewonnen.
Die Paläogenetik ist ein relativ junger Wissenschaftszweig. Den Begriff der Paläogenetik bildeten die beiden US-Amerikaner Linus Carl Pauling und Emile Zuckerkandl bereits 1963. Sie wiesen auf die damals noch zukünftige Möglichkeit der Rekonstruktion historischer Proteine und DNA-Sequenzen hin.
Die erste aDNA-Sequenz wurde 1984 von der Arbeitsgruppe um Allan Wilson publiziert. Es handelte sich um mitochondriale DNA aus getrockneter Skelettmuskulatur eines Quagga (eine 1883 ausgerottete Zebra-Form). Die DNA wurde aus einer Museumsprobe isoliert und kloniert. 1985 veröffentlichte Svante Pääbo eine Arbeit über die Isolierung und Klonierung von aDNA aus einer 2400 Jahre alten ägyptischen Kindermumie. Pääbo gilt als Begründer der systematischen Paläogenetik. Dafür wurde er mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2022 ausgezeichnet.
Bei der Untersuchung archäologischer Überreste wurden große Fortschritte erzielt, etwa bei der Gewinnung alter DNA. Um alte DNA gewinnen zu können, muss sie zunächst isoliert werden. Da das antike Material meist extremen Umweltbedingungen ausgesetzt war, gestaltet sich die Analyse oft schwierig. Daher setzen Forscher eine Vielzahl von Verfahren ein, um die DNA zu extrahieren und eine möglichst hohe Ausbeute zu erzielen. Die in den 1980er und 1990er Jahren entwickelten Verfahren der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) erwiesen sich als entscheidend für die Analyse alter DNA. Mittels PCR lassen sich gezielt Kopien bestimmter DNA-Abschnitte vervielfältigen. Forscher nutzen die PCR, um Ähnlichkeiten in diesen Kopien zu untersuchen und ihre DNA-Ergebnisse zu untermauern. In Kombination mit etablierten bibliotheksbasierten Ansätzen und der Hochdurchsatzsequenzierung (HTS) konnte der Gewinnungsprozess effizienter gestaltet werden. Zu den Verfahren, die zur weiteren Optimierung des Prozesses entwickelt wurden, gehören silikabasierte Extraktionsprotokolle, ein leichter Voraufschluss verkalkter Proben sowie Methoden zur Gewebeauswahl und Probenahme.
Bevorzugte Quellen für die DNA-Gewinnung sind Knochen und Zähne. Nach der Extraktion liegt die DNA in fragmentierter Form vor, weshalb weitere Verfahren zu ihrer Rekonstruktion erforderlich sind. Ähnlich wie bei der Gewinnung kommen auch bei der Rekonstruktion verschiedene Techniken zum Einsatz, darunter PCR, HTS-Verfahren, Strategien zur Bibliothekskonstruktion, Anreicherungs- und Zielsequenz-Erfassungsmethoden (Target Capture), Datenauthentifizierung und Schadensmodellierung sowie epigenomische Rekonstruktion.
Die Untersuchung der DNA Verstorbener ermöglicht auch Einblicke in die Krankheitsgeschichte von Mensch und Tier, indem gezielt die DNA von Krankheitserregern analysiert wird, die diese einst infizierten. Durch diesen Blick in die Vergangenheit lässt sich feststellen, wann bestimmte Krankheiten erstmals auftraten und verschiedene Arten – einschließlich des Menschen – zu befallen begannen. Dank der Analyse alter DNA konnten die Ursprünge verschiedener Krankheiten aufgeklärt werden, darunter *Yersinia pestis* (Pest), *Mycobacterium tuberculosis* (Tuberkulose) und das Variola-Virus (Pocken).
Mithilfe der Paläogenetik lassen sich nicht nur Menschen der Vergangenheit untersuchen, sondern auch die Organismen, auf die sie Einfluss nahmen. Durch die Analyse der genetischen Unterschiede zwischen domestizierten Arten – wie etwa Rindern – und ihren wildlebenden Verwandten (basierend auf archäologischen Funden) lässt sich der Prozess der Domestizierung erforschen. Dies kann Aufschluss über die Verhaltensweisen jener Kulturen geben, die diese Tiere domestizierten. Zudem offenbart die Genetik dieser Tiere Merkmale, die in den paläontologischen Überresten nicht sichtbar sind, etwa Hinweise auf ihr Verhalten, ihre Entwicklung und ihre Reifung. Die genetische Vielfalt kann zudem Aufschluss darüber geben, wo die jeweiligen Arten domestiziert wurden und wie sich die domestizierten Tiere von dort aus verbreiteten.
Überreste aus der Vergangenheit enthalten meist nur einen geringen Bruchteil der ursprünglichen DNA eines Organismus, oft fragmentiert in sehr kurze Sequenzen. Diese kurzen Fragmente können die Genom-Rekonstruktion und die präzise Sequenzausrichtung erschweren, insbesondere bei Arten ohne nahe verwandte heutige Nachfahren. Dies ist auf den Abbau der DNA im abgestorbenen Gewebe durch biotische und abiotische Zersetzungsprozesse zurückzuführen. Die Erhaltung der DNA hängt von verschiedenen Umweltfaktoren ab, darunter Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Sauerstoffgehalt und Sonneneinstrahlung. Überreste aus heißen und feuchten Regionen enthalten typischerweise weniger intakte DNA als solche aus Permafrostböden oder Höhlen, wo sie unter kalten, sauerstoffarmen Bedingungen über Hunderttausende von Jahren erhalten bleiben können. Zudem baut sich DNA nach der Ausgrabung des Materials wesentlich schneller ab; frisch ausgegrabene Knochen enthalten mit deutlich höherer Wahrscheinlichkeit verwertbares genetisches Material. Nach der Ausgrabung können Knochen zudem durch moderne DNA (etwa durch Kontakt mit der Haut oder unsterilen Werkzeugen) kontaminiert werden, was zu falsch-positiven Ergebnissen führen kann. Auch die Interpretation paläogenetischer Daten birgt analytische Herausforderungen. Alte DNA kann Schäden aufweisen, die nach dem Tod entstanden sind und eine echte genetische Mutation – wie etwa die Veränderung von Basenpaaren – vortäuschen können, obwohl es sich tatsächlich um einen chemischen Zerfallsprozess handelt. Um zwischen evolutionärer Variation und chemisch bedingten Fehlern zu unterscheiden, sind hochentwickelte Computerprogramme erforderlich, die entsprechende Prozesse wiederholt durchführen. Wissenschaftler nutzen diese Modelle und wiederholten Experimente, um die Unterschiede zu identifizieren. Durch die Kombination ihrer genetischen Erkenntnisse mit archäologischen Befunden können sie ein besseres Verständnis für eine bestimmte Zivilisation gewinnen.
