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Assessing the effect of long-term storage on ancient DNA samples
Alexandra Raimo
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Evolutionäre Anthropologie
Betreuer*in
Ron Pinhasi
Mitbetreuer*in
Olivia Cheronet
DOI
10.25365/thesis.77783
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-23480.60266.761029-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Erforschung antiker DNA hat unser Verständnis von menschlicher Evolution revolutioniert durch Verwendung genetischer Daten als Grundlage. Antike DNA-Moleküle sind durch spezifische Eigenschaften charakterisiert, welche sowohl die Analyse als auch die Sequenzierung kompliziert gestalten. Zu den Eigenschaften zählen: Degradierung, geringe Mengen endogener DNA, fragmentierte, kurze DNA-Stränge (mit einer typischen Basenpaarlänge unter 100 Bp) und zahlreichen chemischen Modifikation taphonomischen-Ursprungs. Obwohl, zahlreiche Studien gezeigt haben, wie wichtig der Erhaltungszustand von Proben für qualitativ hochwertige Forschungsergebnisse ist, wurde ein Aspekt der Proben Konservierung bisher kaum untersucht, nämlich den Einfluss von Langzeitlagerung auf die Qualität von aDNA-Proben. Dieses Forschungsprojekt untersucht die Auswirkungen von Langzeitlagerung auf die Qualität von aDNA-Proben. Proben unterschiedlicher Herstellungsschritte, die ursprünglich vor 8 Jahren von 12 Individuen produziert und analysiert wurden, wurden unter Verwendung der gleichen standardisierten Protokolle erneut hergestellt. Diese unterschiedlichen Proben-Herstellungsschritte beinhalteten Knochenpulver, DNA-Extrakte und indexierte DNA-Bibliotheken. Verwendete Methoden beinhalteten DNA-Extraktion, Herstellung von DNA-Bibliotheken und Indexierung, PCR, Illumina Sequenzierung, bioinformatische Analysen und statistische Analysen mit SPSS und R. Der Großteil der Proben wurde zweimal sequenziert, sowohl mit der NextSeq als auch der NovaSeq Illumina Plattformen. Proben beider Sequenzierungsplattformen wurden in die finale Analyse einbezogen, jedoch stammten die meisten Proben von NextSeq Illumina-plattformen. Für die finale Analyse wurden nur 11 Individuen integriert (n = 11). Die Entscheidung welche Proben für die finale statistische Auswertung inkludiert wurden, erfolgte mittels bioinformatischer Analysen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Cytosin zu Thymin Deaminierung an Position 1 statistisch signifikant höher war in den Proben, die vom Extrakt hergestellt wurden, im Vergleich zu den in 2015 hergestellten Proben, dies deutet auf eine erhöhte Degradation hin. Die Guanin zu Adenin Deaminierung an Position 1 hat ergeben, dass die Proben der Gruppe Extrakt eine statistisch signifikant höhere Deaminierung aufweist, dies deutet auf eine höhere Degradierung aufgrund der Langzeit-Lagerung hin. Im Gegensatz dazu zeigt sich eine statistisch signifikante Abnahme der Cytosin zu Thymin Deaminierung an Position 1 für die Proben, die von Knochenpulver und indexierten DNA-Bibliotheken hergestellt wurden. Dies wiederum deutet auf eine Verbesserung der Proben-Erhaltung im Vergleich zu 2015 hin. Dies ist wahrscheinlich auf eine höhere Stabilität der Knochen und indexierten DNA Bibliothek Proben zurückzuführen. Weiters, wurde ein Anstieg der mittleren DNA-Fragmentlänge, der DNA Fragmentlängen-verteilung und der Anzahl von „unique reads“ für alle untersuchten Proben-Kategorien zwischen 2015 und 2023 festgestellt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass obwohl die Extraktion Gruppe eine höhere Degradation aufweisen, sich die Länge der DNA-Fragmente für alle Proben erhöht hat. Dies ist wahrscheinlich auf eine Verbesserung der Sequenzierungstechnologie, von der MiSeq Plattform in 2015 zu der NovaSeq und NextSeq Plattform in 2023, zurückzuführen. Das ist das erste Mal, dass solche Ergebnisse für NextSeq Daten gezeigt wurden, die Plattform, von der die meisten Proben für die finale Analyse stammten, jedoch wurden bereits von ähnlichen Ergebnissen für NovaSeq Sequenzierungsdaten berichtet. Das Ziel dieses Forschungsprojekts war es Einblicke in die Mechanismen der DNA-Degradation zu gewinnen, da die Qualität der DNA-Proben entscheidend ist, um Resultate hoher Qualität und akkurate Analysen zu erhalten. Zusätzlich zielt dieses Projekt darauf ab Einblicke für den Entwurf standardisierter Lagerungsprotokolle mit konstanten Temperaturen zu gewähren, welche darauf abzielen DNA-Degradierungsprozesse auf ein Minimum zu reduzieren. Standardisierten Lagerungsprotokolle könnten potenziell die Qualität von gelagerten aDNA-Proben verbessern, und wenn möglich zugleich Instandhaltungskosten für aDNA-Labore senken. Dieses Projekt strebt an einen Beitrag zu leisten die Lagerungsbedingungen in aDNA-Labors zu verbessern.
Abstract
(Englisch)
Ancient DNA (aDNA) research has revolutionized our understanding of human evolution through direct genetic evidence. However, aDNA is an inherently degraded molecule, characterized by fragmented structures, low quantities, short read lengths (less than 100 base pairs), and numerous chemical alterations, which complicate its handling and analysis. Numerous studies have shown the importance of sample preservation in achieving high-quality results. Despite the critical importance of preservation, few studies have examined a novel aspect of preservation which is the impact of long-term storage conditions on the quality of aDNA samples. This project has investigated the effect of long-term storage on aDNA by reprocessing bone powders, extracts, and indexed libraries that were initially processed eight years prior from a total of 12 individuals. Utilizing standardized protocols consistent with those utilized eight years ago, DNA degradation was assessed. Methods include DNA extraction, library preparation and indexing, PCR amplification, Next generation Illumina sequencing, bioinformatics and statistical analysis using R and SPSS. The majority of the samples have been sequenced twice, using NextSeq date and NovaSeq Illumina Platforms. Samples from both sequencing platforms were incorporated in the final analysis, although most of the samples selected for final analysis were sequenced using the NextSeq platform. For the final analysis only 11 individuals were incorporated (n = 11). The selection of samples included in the final analysis was based on bioinformatic analysis. We found that Cytosine to Thymine deamination at position 1 was statistically significantly higher in samples produced from Extract compared to the 2015 samples, indicating increased degradation. Similarly, Guanine to Adenine deamination at position 1 showed a statistically significantly higher deamination for the Extract group, indicating higher degradation over the 8 years of storage. Conversely, samples produced from Indexed Library and Powder exhibited a statistically significantly lower Cytosine to Thymine deamination, suggesting better preservation compared to 2015. This is probably related to the higher stability of bone and Indexed library samples. Moreover, we report a statistically significant increase in mean fragment length, fragment length distribution and the rate of unique reads across all categories between the samples from 2015 to 2023. These findings suggest, that despite the higher degradation in the Extract group, the recovery rate of unique reads has improved for all samples, probably attributed due to improved sequencing technologies from MiSeq to NovaSeq and NextSeq Illumina platform. This is the first time similar findings have been reported for NextSeq data, the sequencing platform used for the majority of the samples selected for final analysis, while similar findings have previously been reported for NovaSeq data. This research aimed to provide insights into the mechanisms on aDNA degradation, as DNA quality is central in achieving high-quality results and the accuracy of analysis. Additionally, the study seeks to provide insight into the importance of establishing standardized storage protocols that minimize DNA degradation, potentially improving the quality of stored aDNA samples and minimizing maintenance costs for laboratories. Moreover, we want to highlight the importance of constant temperature in the storage facility. Ultimately, this work aims to improve storage conditions for aDNA research for laboratories.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Antike DNA aDNA DNA-Degradierung Langzeit DNA Stabilität aDNA-Erhaltung Langzeitlagerung aDNA Lagerungszeit Lagerungseffekt Anthropologie Paläogenomik
Schlagwörter
(Englisch)
Ancient DNA aDNA DNA degradation ancient DNA decay long term DNA survival aDNA preservation long-term storage aDNA anthropology
Autor*innen
Alexandra Raimo 
Haupttitel (Englisch)
Assessing the effect of long-term storage on ancient DNA samples
Paralleltitel (Deutsch)
Untersuchung des Effekts von Langzeitlagerung auf antike DNA (aDNA) Proben
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
89 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Ron Pinhasi
Klassifikation
42 Biologie > 42.21 Evolution
AC Nummer
AC17447948
Utheses ID
74668
Studienkennzahl
UA | 066 | 827 | |