Neanderthaler zegt wie we zijn

Evolutionair geneticus Svante Pääbo brengt het fossiele dna van de Neanderthaler in kaart. Komende maand geeft hij de zestiende Anatomische Les in Amsterdam....

Door Ben van Raaij

In een van de gangen van het Max-Planck-Institut für evolutionaire Anthropologie in Leipzig (MPI) staat een kastje met negentien genummerde stukjes bot. Je ziet het er niet echt aan af, maar die zullen nog wel eens in een wetenschapsmuseum terechtkomen.

Niet omdat het 39 duizend jaar oude fossielen zijn van Neanderthalers uit een grot in Vindija, Kroatië – althans: afgietsels van fossielen – maar omdat ze de basis vormen van een van de spectaculairste wetenschappelijke hoogstandjes van dit moment: het Neandertal Genome Project. De ambitie is om na de genomen van de mens en de chimpansee ook de genetische blauwdruk van deze dertigduizend jaar geleden uitgestorven mensachtige, ons evolutionair naaste familielid, in kaart te brengen.

Svante Pääbo (54), hoofd evolutionaire genetica van het MPI in Leipzig, is de geestelijk vader van het in 2006 begonnen project, dat wordt uitgevoerd met het Amerikaanse sequencing-bedrijf 454 Life Sciences en een internationaal consortium van onderzoekers. Pääbo is een informele man die volgens zijn studenten een patent heeft op Major Fashion Violations (vandaag draagt hij Zweedse muilen), maar die van het MPI wel ‘one of the coolest places in science’ heeft gemaakt.

Pääbo is grondlegger van de paleogenetica, de studie van fossiel dna. Als promovendus haalde hij in 1985 de cover van Nature door dna te isoleren uit een Egyptische mummie. Later volgden mammoeten, moa’s en holenberen. In 1997 bracht hij als eerste een stukje mitochondriaal dna van een Neanderthaler in kaart (dna van de mitochondriën, de energie producerende batterijtjes van de cel, dat exclusief in vrouwelijke lijn wordt overgeërfd). Als hij het huidige project tot een goed einde brengt, fluisteren zijn collega’s, wacht hem, wie weet, de Nobelprijs.

Doel van het project is licht te werpen op de evolutie van de mens, zegt Pääbo, gezeten naast een Neanderthalerskelet. ‘We hebben al de genomen van mens en chimpansee. Van alle posities waar ons dna verschilt van dat van de chimp – waar dus sinds de laatste gemeenschappelijke voorouder van mens en chimp, 7 miljoen jaar geleden, iets in de evolutie is gebeurd – weten we straks of die dateren van voor of na de Neanderthaler, 800 duizend jaar geleden. Zo zullen we de evolutionaire veranderingen kunnen opsporen die de mens tot mens maken.’

Het ontcijferen van fossiel dna: hoe moeten we ons dat eigenlijk voorstellen?

‘Het is niet fossiel in de zin van versteend. Het gaat om fossiele botten of tanden met echt organisch materiaal erin. We demineraliseren het bot, degraderen het collageen en zuiveren het eiwit. Dan houd je dna over, zij het beschadigd. Het is uiteengevallen in heel korte fragmenten, niet pakweg twintigduizend, maar zestig nucleotiden per fragment. Bovendien zijn die nucleotiden vaak chemisch veranderd.’

Hoe ver kun je ermee terug?

‘Minder dan 1 miljoen jaar, vanwege de instabiliteit van dna-moleculen. Het oudste gepubliceerde dna, uit Groenlandse ijskernen, is een half miljoen jaar oud. In de praktijk ligt de grens op 100- tot 150 duizend jaar. Dan nóg moet je veel geluk hebben. De meeste Neanderthalerfossielen bevatten helemaal geen dna meer. Temperatuur is erg belangrijk: hoe warmer de omgeving, hoe kleiner de kans dat dna bewaard blijft. Wij hebben ruim honderd monsters verzameld. Slechts uit een handjevol konden we voldoende dna extraheren.’

Het reconstrueren van het Neanderthalgenoom werd praktisch en financieel pas mogelijk door het beschikbaar komen van tweede generatie high throughput sequencing machines, genenlezers waarmee je miljoenen stukjes dna kunt verwerken in dagen of zelfs uren. Daardoor kun je je het veroorloven alle dna in een fossiel monster af te lezen, ook al ben je geïnteresseerd in maar een klein deel ervan.

Toch zijn er obstakels genoeg, zegt Paabo. ‘De machines lezen alle stukjes dna in een monster willekeurig af. Maar 95 procent of meer van het dna in een Neanderthalmonster is vreemd dna, afkomstig van bacteriën die na de dood van het individu in het bot zijn gekomen. Dit noemen we achtergrond-dna, en dat moet je voor het sequencen allemaal wegstrepen. Een groot deel van het werk van de afgelopen jaren is er dan ook in gaan zitten hoe je zoveel mogelijk Neanderthaler-dna zo efficiënt mogelijk uit zo’n monster filtert.’

Een ander probleem bij het aflezen van Neanderthaler-dna is verontreiniging met modern menselijk dna. Het genetisch materiaal van beide soorten komt voor meer dan 99 procent overeen, wat de resultaten enorm kan verstoren. ‘Menselijke contaminatie is overal, neem alleen al die huidschilfers die wij overal verspreiden. Daarom werken we in cleanroomcondities. In dit gebouw zijn de cleanrooms waar we dna uit het bot halen, in de kelder. Je mag niet eerst naar het lab, als je die dag naar ook de cleanroom ook naar de moet.’

Pääbo leerde dit door schade en schande: voor de eerste studie van het project in 2006 werd een miljoen basen van het Neanderthalgenoom afgelezen. Naderhand bleek 10 procent van de sequenties menselijke verontreiniging te zijn, opgelopen toen de dna-monsters naar twee verschillende sequencing-labs waren gestuurd.

Het contaminatieprobleem werd opgelost door het introduceren van speciale adapters, labels van synthetisch dna, vier basen groot, die aan alle fragmenten in een monster worden geplakt om ze te kunnen aflezen. Pääbo: ‘Het is een uniek label dat werkt als een genetische streepjescode. Daardoor is van alle dna in een monster altijd te controleren of het geen latere verontreiniging betreft.’

Hoe staat het met de voortgang?

‘De ruwe schets van het Neanderthalgenoom is zo goed als klaar. Alle drie miljard basen zijn gemiddeld één keer afgelezen, waarmee zo’n 63 procent van het genoom in kaart is gebracht.’ Pääbo hoopt op een publicatie eind dit jaar, begin volgend jaar. ‘Ik moet een slag om de arm houden, want de snelheid van een consortium wordt bepaald door de traagste groep.’

Wanneer hebben we een Neanderthalgenoom dat even accuraat is als dat van de mens?

‘Daarvoor moeten we alle drie miljard basen in het genoom gemiddeld vijftien tot twintig keer aflezen, zodat we zeker weten dat we geen leesfouten maken. Dat is een kwestie van tijd en geld. Ik denk dat we over twee, drie jaar zover kunnen zijn.’

Toch gaat het Pääbo niet om de Neanderthalers zelf. ‘Uiteindelijk zijn die dood. Maar hun genoom zal een catalogus opleveren van alle genetische veranderingen die uniek zijn aan de mens. En achterhalen wat onze evolutie mogelijk maakte, welke genen, mutaties of genexpressies ons in staat hebben gesteld taal en technologie te ontwikkelen en de hele planeet te veroveren – dat zou echt wat zijn.’

Eén mutatie is al ontdekt, in het FOXP2-gen, dat mogelijk iets te maken heeft met spraak en taal. De mutatie werd gevonden bij een Britse familie met een defect aan dit gen, die veel last had van spraakstoornissen. Dit gen lijkt een evolutionair voordeel te hebben opleverd, want er heeft zich een selective sweep voorgedaan.

‘We hebben ontdekt dat het om twee mutaties gaat’, zegt Pääbo. ‘Eén die we delen met de Neanderthaler, en die belangrijk lijkt. We hebben deze mutatie in muizen ingebouwd, en die gaan anders piepen en bewegen. Je ziet ook veranderingen in de bedrading van hun brein. Daarnaast een nieuwe mutatie, die we vermoedelijk niet met de Neanderthaler delen, maar die zich ook snel heeft verbreid. Die doet mogelijk iets met activatie, ook belangrijk voor spraak.’

Pääbo heeft intussen één mythe over de Neanderthalers uit de wereld geholpen: ze zijn niet onze voorouders. ‘Er is geen enkel bewijs dat ze een bijdrage hebben geleverd aan ons mitochondriaal dna. Dat sluit niet uit dat ze hebben bijgedragen aan ons eigenlijk genoom, het kern-dna, maar die bijdrage moet dan wel heel klein zijn geweest. Twee verwante soorten die tienduizenden jaren een leefgebied deelden, zullen ongetwijfeld seks hebben gehad. Maar vanuit de evolutionaire genetica is de enig relevante vraag of die seks tot een nageslacht en dus tot een bijdrage aan de genenpool heeft geleid. Tot nu toe is daar geen bewijs voor.’

Meer over