Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu Anna Juras Etnogeneza Słowian w świetle badań kopalnego DNA Praca doktorska wykonana w Zakładzie Biologii Ewolucyjnej Człowieka Instytutu Antropologii UAM w Poznaniu pod kierunkiem Prof. dr hab. Janusza Piontka Poznań 2012 1 Składam serdeczne podziękowania Panu Prof. dr hab. Januszowi Piontkowi za wsparcie, pomoc oraz życzliwość w trakcie realizacji niniejszej pracy. Szczególne wyrazy wdzięczności kieruję pod adresem Pani dr Mirosławy Dabert, dziękując za serdeczność, zaangażowanie i ogromną pomoc merytoryczną. Składam także serdeczne podziękowania Prof. Eske Willerslovi, Prof. Tomowi Gilbertowi, dr Helenie Malmström, dr Maanasie Raghavan za możliwość realizacji badań w GeoGenetic Center na Uniwersyetcie Kopenhaskim oraz za wsparcie merytoryczne i praktyczne. Pragnę też gorąco podziękować dr Ene Metspalu i dr Lenie Kushniarevich z Uniwersytetu w Tartu w Estonii oraz dr Jakubowi Kosickiemu z Wydziału Biologii UAM za pomoc w opracowywaniu analiz statystycznych. Dziękuję również swoim Bliskim w szczególności Mężowi i Dzieciom za cierpliwość, wyrozumiałość oraz wsparcie. 2 SPIS TREŚCI Streszczenie................................................................................................................... 6 Summary....................................................................................................................... 7 Rozdział I. Wstęp…………...…........…………………………………………………….... 8 1. Dotychczasowe badania etnogenezy Słowian............................................................. 9 2. 1.1. Koncepcje i interpretacje archeologiczne...................................................................9 1.2. Źródła historiograficzne.......................................................................................... 14 1.3. Analizy językoznawcze........................................................................................... 16 1.4. Badania antropologiczne......................................................................................... 17 1.5. Współpraca interdyscyplinarna............................................................................... 21 2. Kopalny DNA................................................................................................................ 22 2.1. Historia badań kopalnego DNA.............................................................................. 24 2.2. Charakterystyka cząsteczek kopalnego DNA......................................................... 24 2.2.1. Degradacja i uszkodzenia DNA post-mortem.............................................. 24 2.2.2. Inhibitory PCR............................................................................................. 27 2.2.3. Wpływ czynników środowiska na kopalny DNA........................................ 29 2.3. Źródła kopalnego DNA........................................................................................... 32 2.4. Kontaminacje egzogennym DNA............................................................................ 34 2.5. Warunki i metodyka pracy z kopalnym DNA......................................................... 35 2.6. Weryfikacja autentyczności wyników badań kopalnego DNA............................... 40 2.7. Przykłady zastosowań badań kopalnego DNA i nowe możliwości badawcze........ 42 3. Mitochondrialny DNA w analizach populacji ludzkich............................................ 45 3.1. Charakterystyka mitochondrialnego DNA.............................................................. 45 3.2. System klasyfikacji mitochondrialnego DNA......................................................... 47 3.3. Zastosowanie kopalnego mitochondrialnego DNA w badaniach populacyjnych... 50 4. Pochodzenie Słowian na podstawie badań współczesnego DNA...............................51 Rozdział II. Cel pracy......................................................................................................... 54 Rozdział III. Materiały i metody...................................................................................... 55 1. Materiały...................................................................................................................... 55 1.1. Materiał szkieletowy z okresu rzymskiego............................................................ 56 3 1.2. Materiał szkieletowy z okresu średniowiecza........................................................ 57 1.3. Kopalny materiał porównawczy............................................................................. 58 1.4. Współczesny materiał porównawczy..................................................................... 58 2. Metody......................................................................................................................... 59 2.1. Pobieranie i oczyszczanie materiału....................................................................... 59 2.2. Izolacja DNA.......................................................................................................... 60 2.3.Amplifikacja sekwencji markerowych, klonowanie produktów PCR i sekwencjonowanie................................................................................................. 61 2.4. Analiza sekwencji................................................................................................... 64 2.5. Analizy statystyczne............................................................................................... 64 2.6.1. Analiza wspólnych haplotypów................................................................... 64 2.6.2. Analiza międzypopulacyjnych dystansów genetycznych............................ 65 Rozdział IV. Wyniki............................................................................................................ 67 1. Izolacja i amplifikacja kopalnego DNA................................................................... 67 1.1. Skuteczność amplifikacji fragmentów HVR I mitochondrialnego DNA............. 68 1.1.1. Rogowo...................................................................................................... 69 1.1.2. Kowalewko................................................................................................ 69 1.1.3. Gąski.......................................................................................................... 70 1.1.4. Karczyn...................................................................................................... 70 1.1.5. Cedynia...................................................................................................... 71 1.1.6. Lednica...................................................................................................... 72 2. Klonowanie i sekwencjonowanie klonów................................................................ 73 3. Analiza sekwencji...................................................................................................... 75 4. Analiza typów uszkodzeń DNA................................................................................ 77 5. Analiza polimorfizmu pojedynczych nukleotydów w regionie kodującym mitochondrialnego DNA........................................................................................... 78 6. Zróżnicowanie mitochondrialnego DNA w badanych populacjach.................... 80 7. Analizy statystyczne.................................................................................................. 82 7.1. Opis statystyczny populacji................................................................................... 82 7.2. Analiza wspólnych haplotypów............................................................................. 88 7.3. Analiza zróżnicowania międzypopulacyjnego...................................................... 92 Rozdział V. Dyskusja.......................................................................................................... 97 4 1. Skuteczność izolacji DNA........................................................................................ 97 2. Międzypopulacyjne odległości genetyczne w ujęciu porównawczym.................. 98 3. Zróżnicowanie populacji z okresu rzymskiego i średniowiecza w ujęciu interdyscyplinarnym.............................................................................................. 100 3.1. Analiza wspólnych nieinformatywnych haplotypów......................................... 101 3.2. Analiza wspólnych informatywnych haplotypów.............................................. 102 3.3. Rzadkie haplogrupy............................................................................................ 104 3.4. Haplotypy unikatowe.......................................................................................... 106 Rozdział VI. Wnioski........................................................................................................ 109 Wykaz skrótów................................................................................................................... 110 Literatura............................................................................................................................ 111 Załączniki............................................................................................................................ 136 5 Streszczenie Od wielu lat przedstawiciele nauk archeologicznych, antropologicznych, historycznych, językoznawczych, a od niedawna także genetycznych, próbują odpowiedzieć na pytanie gdzie, kiedy i w jaki sposób doszło do wyodrębnienia się etnosu Słowian i ich rozprzestrzenienia na szerokie obszary Europy.