Luận văn Thạc sĩ Sinh học: Nghiên cứu mối tương quan di truyền giữa người Việt cổ - thuộc giai đoạn hậu thời kỳ đồ đá mới – với người Việt hiện đại bằng phân tích trình tự toàn bộ hệ gen ty thể

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:76

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Sinh học "Nghiên cứu mối tương quan di truyền giữa người Việt cổ - thuộc giai đoạn hậu thời kỳ đồ đá mới – với người Việt hiện đại bằng phân tích trình tự toàn bộ hệ gen ty thể" trình bày các nội dung chính sau: Phân lập và tách chiết được DNA ty thể (mtDNA) từ mẫu người Việt cổ. Ước đoán được mối liên hệ di truyền giữa người Việt cổ hậu thời kỳ đồ đá mới với người Việt hiện đại cũng như người Việt cổ và một số người cổ thuộc một số nước trong khu vực Đông Nam Á.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Sinh học: Nghiên cứu mối tương quan di truyền giữa người Việt cổ - thuộc giai đoạn hậu thời kỳ đồ đá mới – với người Việt hiện đại bằng phân tích trình tự toàn bộ hệ gen ty thể

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM ĐOÀN THỊ NHUNG VÀ ĐÀO TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Đoàn Thị Nhung SINH HỌC THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU MỐI TƯƠNG QUAN DI TRUYỀN GIỮA NGƯỜI VIỆT CỔ - THUỘC GIAI ĐOẠN HẬU THỜI KỲ ĐỒ ĐÁ MỚI – VỚI NGƯỜI VIỆT HIỆN ĐẠI BẰNG PHÂN TÍCH TRÌNH TỰ TOÀN BỘ HỆ GEN TY THỂ LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH SINH HỌC 2021 Hà Nội - 2021
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM VÀ ĐÀO TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Đoàn Thị Nhung NGHIÊN CỨU MỐI TƯƠNG QUAN DI TRUYỀN GIỮA NGƯỜI VIỆT CỔ - THUỘC GIAI ĐOẠN HẬU THỜI KỲ ĐỒ ĐÁ MỚI – VỚI NGƯỜI VIỆT HIỆN ĐẠI BẰNG PHÂN TÍCH TRÌNH TỰ TOÀN BỘ HỆ GEN TY THỂ LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH SINH HỌC Hà Nội - 2021
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM VÀ ĐÀO TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Đoàn Thị Nhung NGHIÊN CỨU MỐI TƯƠNG QUAN DI TRUYỀN GIỮA NGƯỜI VIỆT CỔ - THUỘC GIAI ĐOẠN HẬU THỜI KỲ ĐỒ ĐÁ MỚI – VỚI NGƯỜI VIỆT HIỆN ĐẠI BẰNG PHÂN TÍCH TRÌNH TỰ TOÀN BỘ HỆ GEN TY THỂ Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Mã số: 8 42 01 14 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Chu Hoàng Hà Hà Nội - 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu trong luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi cùng nhóm nghiên cứu dưới sự góp ý của người hướng dẫn. Đồng thời, kết quả này chưa từng xuất hiện trong bất cứ một nghiên cứu nào. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Học viên cao học
ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tôi xin được gửi lời cảm ơn đến thầy hướng dẫn PGS.TS Chu Hoàng Hà, nếu không có sự hỗ trợ tận tình trong suốt quá trình tôi sẽ không thể hoàn thành được luận văn này. Tôi xin cảm ơn các nhân viên và lãnh đạo Trung tâm Giám định ADN và Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Gen, Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã giúp đỡ tôi có thêm nhiều kiến thức và kinh nghiệm trong mọi bước tiến hành luận văn. Bên cạnh đó, tôi cũng xin được cảm ơn Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và các thành viên trong đề tài “Nghiên cứu giải trình tự gen các mẫu xương khảo cổ tại Việt Nam nhằm cung cấp thông tin di truyền cho nghiên cứu đa dạng sinh học người và khảo cổ học”, mã số đề tài: DL0000.08/20-22 giúp tôi đạt được những kết quả trong luận văn này. Không thể thiếu được lời cảm ơn đến ban Lãnh đạo, phòng Đào tạo, các phòng chức năng của Học viện Khoa học và Công nghệ để luận văn được hoàn thành. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn khi nhận được sự ủng hộ, giúp đỡ từ gia đình và bạn bè trong suốt quá trình làm luận văn.
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT ..................................... v DANH MỤC BẢNG ........................................................................................ vi DANH MỤC HÌNH ........................................................................................ vii MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................. 1 3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................. 1 4. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn............................................................... 1 5. Những đóng góp của luận văn .................................................................. 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ................................................... 3 1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới .......................................................... 3 1.1.1. Lịch sử loài người qua các nghiên cứu di truyền khảo cổ học ....... 3 1.1.2. Loài người tại khu vực Đông Nam Á và Việt Nam qua nghiên cứu di truyền khảo cổ ....................................................................................... 5 1.1.3. Các chỉ thị di truyền sử dụng trong nghiên cứu mẫu xương khảo cổ ................................................................................................................... 6 1.1.4. Ứng dụng công nghệ giải trình tự gen trong nghiên cứu các mẫu khảo cổ .................................................................................................... 10 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............. 18 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ............................................................. 18 2.1.1. Người Việt cổ sinh sống trong giai đoạn hậu thời kỳ đồ đá mới .. 18 2.1.2. Người Việt hiện đại ....................................................................... 18 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................................................ 18 2.2.1. Tách chiết DNA ty thể và giải trình tự bằng hệ thống máy Ion S5™ (Thermo Fisher Scientific) ............................................................. 18 2.2.2. Phân tích đánh giá chất lượng giải trình tự của hệ thống Ion S5™ bằng phần mềm FastQC .......................................................................... 21 2.2.3. Map các đoạn đọc (reads) với hệ gen tham chiếu và lọc chất lượng bằng phần mềm bwa, samtools ............................................................... 21
iv 2.2.4. Ước tính các mẫu bị tổn thương (deamination) và chỉnh lại các file BAM bằng phần mềm mapDamage ........................................................ 21 2.2.5. Gọi các biến thể (variants) và tạo ra VCF (Variant Call Format) 22 2.2.6. Tạo file consensus và kiểm tra nhiễm với Schmutzi .................... 22 2.2.7. Xác định nhóm haplogroup bằng HaploGrep2 ............................. 23 2.2.8. Dựng cây phát sinh chủng loại thông qua phần mềm MEGA ...... 23 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 24 3.1. Kết quả tách chiết DNA ty thể và giải trình tự bằng hệ thống máy Ion S5™ (Thermo Fisher Scientific) ................................................................. 24 3.1.1. Kết quả tách chiết DNA ty thể ...................................................... 24 3.2. Phân tích đánh giá chất lượng giải trình tự của hệ thống Ion S5™ bằng phần mềm FastQC ....................................................................................... 32 3.3. Map các đoạn đọc (reads) với hệ gen tham chiếu và lọc chất lượng bằng phần mềm bwa, samtools ................................................................... 35 3.4. Ước tính các mẫu bị tổn thương (deamination) và chỉnh lại các file BAM bằng phần mềm mapDamage ............................................................ 37 3.5. Gọi các biến thể (variants) và tạo ra VCF (Variant Call Format) ....... 39 3.6. Tạo file consensus và kiểm tra nhiễm với Schmutzi ........................... 41 3.7. Xác định nhóm haplogroup bằng HaploGrep2 .................................... 43 3.8. Dựng cây phát sinh chủng loại thông qua phần mềm MEGA ............. 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 58 1. KẾT LUẬN ........................................................................................ 58 2. KIẾN NGHỊ ........................................................................................ 58 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ............................................... 59 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................ 60
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT STT Tên viết tắt Tên đầy đủ 1 DNA Deoxyribonucleic acid 2 mtDNA Mitochondiral DNA 3 H. sapiens Homo sapiens 4 H. erectus Homo erectus 5 H. floresiensis Homo floresiensis 6 NST Nhiễm sắc thể 7 NRY Non-recombining portion of the Y chromosome 8 Autosomal STRs Autosomal short tandem repeats 9 SNPs Single nucleotide polymorphisms 10 PCR Polymerase chain reaction 11 GWAS Genome-wide association study 12 AMHs Anatomically modern Homo sapiens 13 TCN Trước công nguyên 14 EDTA Ethylenediaminetetraacetic acid 15 AFDIL Armed Forces DNA Identification Laboratory 16 rCRS revised Cambridge Reference Sequence 17 USA United States of America 18 HV1 Hypervariable segment 1 19 VCF Variant Call Format 20 BCF Binary variant call format 21 RSRS Reconstructed Sapiens Reference Sequence
vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Một số loại chỉ thị được sử dụng trong nghiên cứu lịch sử loài người ........................................................................................................................... 7 Bảng 3.1: Kết quả kiểm tra nồng độ DNA đầu vào sử dụng bộ Quantifiler Trio kit (ThermoFisher, USA) ........................................................................ 30 Bảng 3.2: Kết quả định lượng thư viện sau chuẩn bị bằng Ion Library Taqman Quantification kit (ThermoFisher, USA) ........................................................ 30 Bảng 3.3: Chất lượng mỗi trình tự thu được của CCNM24WG và CCNM55WG .................................................................................................. 34 Bảng 3.4: Thông tin các mẫu được lựa chọn để xây dựng cây phát sinh loài 45 Bảng 3.5: Thông tin các mẫu thuộc hai nhánh xanh dương và đỏ .................. 53
vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Mô hình mtDNA ở người................................................................. 12 Hình 2.1: Quy trình làm việc của Schmutzi ( Renaud G et al., 2015) ............ 22 Hình 3.1: Mẫu xương đùi – K1A06 ................................................................ 24 Hình 3.2: Mẫu xương K1B07 ......................................................................... 24 Hình 3.3: Mẫu 6 xương dài - K1B05 .............................................................. 25 Hình 3.4: Mẫu xương dài và các mảnh xương nhỏ K1B10A ......................... 25 Hình 3.5: Mẫu xương K1B08 ......................................................................... 26 Hình 3.6: Mẫu xương gãy nát K1B10 ............................................................ 26 Hình 3.7: Các mẫu xương sau khi nghiền mịn................................................ 27 Hình 3.8: Kết quả điện di sản phẩm PCR với cặp mồi miniset PS1 và PS2 trên gel agarose 2%. ............................................................................................... 28 Hình 3.9: Các thông số của quá trình giải trình tự .......................................... 31 Hình 3.10: Chất lượng trình tự của mẫu xương cổ thứ nhất (CCNM24WG) . 32 Hình 3.11: Chất lượng trình tự của mẫu xương cổ thứ hai (CCNM55WG) ... 32 Hình 3.12: File đầu ra thu được từ samtools ................................................... 36 Hình 3.13: Thông tin tổn thương DNA cổ đại của mẫu CCNM24WG được tạo ra bởi mapDamage 2.0 .................................................................................... 37 Hình 3.14: Thông tin tổn thương DNA cổ đại của mẫu CCNM55WG được tạo ra bởi mapDamage 2.0 .................................................................................... 38 Hình 3.15: Một phần file vcf đầu ra ................................................................ 40 Hình 3.16: Kết quả chạy schmutzi .................................................................. 42 Hình 3.17: Cây phát sinh chủng loại của người Việt cổ và người cổ thuộc một số nước trong cùng giai đoạn .......................................................................... 51 Hình 3.18: Cây phát sinh chủng loại của người Việt cổ, người cổ thuộc một số nước trong cùng giai đoạn và người Việt hiện đại .......................................... 55
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cho đến thời điểm hiện tại, các mẫu xương người khảo cổ chỉ được nghiên cứu về mặt khảo cổ học mà chưa có một nghiên cứu di truyền nào được tiến hành tại Việt Nam. Con người đã đến định cư tại vùng đất Việt Nam từ lâu đời, dựa trên một số dấu vết của những Homo sp. thì dấu vết của những con người đầu tiên tại Việt Nam đã có từ khoảng nửa triệu năm trước – nửa cuối giai đoạn Pleistocene. Tuy nhiên, sự hạn chế của các bằng chứng khảo cổ học và đặc biệt là các nghiên cứu di truyền chứng minh lịch sử của con người sinh sống tại Việt Nam chưa thể đưa ra những kết luận chắc chắn. Nghiên cứu về quá trình tiến hóa của loài người cần tiến hành dựa trên cả các bằng chứng lịch sử và nghiên cứu về mã di truyền. Thông tin di truyền thu thập được từ những bộ hài cốt có thể cung cấp bằng chứng về chủng người, nguồn gốc, sự pha trộn của các nền văn hóa trong quá khứ đến hiện đại, từ lối sống của một quần thế, hay là xác định nguyên nhân dẫn đến cái chết của người đó [1, 2]. 2. Mục đích nghiên cứu Phân lập và tách chiết được DNA ty thể (mtDNA) từ mẫu người Việt cổ. Ước đoán được mối liên hệ di truyền giữa người Việt cổ hậu thời kỳ đồ đá mới với người Việt hiện đại cũng như người Việt cổ và một số người cổ thuộc một số nước trong khu vực Đông Nam Á. 3. Nội dung nghiên cứu Tách chiết mtDNA từ mẫu xương cổ đại Giải trình tự mẫu mtDNA thu được Đánh giá chất lượng của trình tự mtDNA thu được Xây dựng cây phân loại theo haplogoup để sa sánh các mẫu của người Việt cổ với người Việt hiện đại cũng như người Việt cổ và một số người cổ khác trong cùng thời đại trong một số nước khu vực Đông Nam Á. 4. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn DNA cổ đại (aDNA) là vật liệu di truyền thu được từ các mẫu vật cổ đại và không giống như DNA hiện đại, trải qua quá trình phân mảnh và các
2 tổn thương sau khi chết chủ yếu do các yếu tố môi trường gây ra [3]. Các nghiên cứu DNA cổ đại, được thực hiện trong 30 năm qua, đã xác nhận rằng trong khi duy trì các quy trình thích hợp, chúng ta có thể khôi phục vật liệu di truyền từ các mẫu vật cổ đại. Cho đến gần đây, phần lớn các nghiên cứu về aDNA của con người chủ yếu tập trung vào DNA ti thể (mtDNA) nhờ thực tế là mtDNA hiện diện trong tế bào với số lượng bản sao cao hơn bộ gen nhân, và do đó nó thường là dấu hiệu di truyền duy nhất có thể thu hồi từ các mẫu bảo quản kém. Do di truyền từ mẹ, tỷ lệ đột biến cao, không có sự tái tổ hợp và sự biến động ở cấp độ quần thể, nó là một công cụ hữu ích để tái tạo lại các sự kiện nhân khẩu học trong quá khứ [4]. 5. Những đóng góp của luận văn Bước đầu tối ưu quy trình tách chiết mtDNA từ mẫu xương có tuổi vài nghìn năm cũng như những mẫu vật có chất lượng rất kém. Bước đầu cung cấp thêm các bằng chứng phân tử về sự tồn tại của người Việt cổ đại cũng như mối quan hệ di truyền của người Việt cổ và người Việt hiện đại cũng như người Việt cổ với người cổ thuộc một số nước Đông Nam Á trong cùng thời đại, nền văn hoá.
3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 1.1.1. Lịch sử loài người qua các nghiên cứu di truyền khảo cổ học Homo sapiens là loài duy nhất còn tồn tại thuộc chi Homo, có kiểu hình như người hiện đại đang sinh sống trên Trái Đất hiện nay. Tuy nhiên, trước khi sự có mặt của tổ tiên gần nhất của loài người hiện đại đơn độc thì trên Trái Đất đã từng tồn tại những người anh em của H. sapiens khác cùng sinh sống. Những người anh em này có hình thái giải phẫu về tỉ lệ kích thước bộ não trên kích thước cơ thể gần tương tự với loài người và sự xuất hiện của công cụ lao động [5]. Dựa trên bằng chứng khảo cổ thì loài người hiện đại đã tiến hóa từ loài người tối cổ từ khoảng hai triệu năm trở về trước. Trọng tâm của các cuộc tranh luận về nguồn gốc của loài người hiện đại Homo sapiens đó là mô hình, vị trí và thời điểm mà loài người biến đổi từ loài người có hộp sọ lớn thành cấu trúc giải phẫu của người hiện đại. Một số ý kiến đưa ra dựa trên mô hình sự thay thế của người Châu Phi từ thời điểm những tổ tiên Homo sapiens đầu tiên hình thành như một loài mới ở Châu Phi từ khoảng 150 đến 200 nghìn năm về trước, sau đó dần chiếm lĩnh các vùng đất trong thế giới cổ đại, và thay thế các nhóm người khác, trong đó có người Neanderthals. Một số ý kiến khác thì chấp nhận mô hình tiến hóa đa vùng miền – multiregion evolution, sự dịch chuyển từ người cổ đại sang hình thái người hiện đại đã diễn ra trong một làn sóng bành trướng của loài người hiện đại khoảng hai triệu năm trở về trước. Cũng dựa trên mô hình đó nhưng quá trình diễn biến có các dạng khác nhau như sự biến chuyển về hình thái diễn ra đầu tiên ở Châu Phi và sau đó lan rộng ra toàn bộ thế giới cổ đại thông qua hình thức di nhập gen; trong khi đó, một số ý kiến khác thì cho rằng hình thái người hiện đại xuất hiện từ nhiều thời điểm khác nhau, tại nhiều địa điểm khác nhau. Cho đến năm 1997, việc tách chiết thành công mtDNA từ một mẫu vật Neanderthals thu thập được trong hang Feldhofer tại Đức đã đánh dấu bước ngoặt trong nghiên cứu nguồn gốc loài người, khi mà có thể khai thác thông tin di truyền của các mẫu người khảo cổ chứ không chỉ dựa trên các bằng chứng truyền thống. Trên cơ sở đó các nhà khoa học cũng đã tách chiết thành công mtDNA của người Neanderthals ở một số hang động khác, cung cấp
4 thêm bằng chứng gen về người Neanderthals. Các nghiên cứu này đã chỉ ra sự khác biệt trong trình tự mtDNA của người Neandertals với người hiện đại và đề xuất rằng các bằng chứng này ủng hộ mô hình thay thế bởi người Châu Phi, ít nhất là mô hình này đã xảy ra ở Châu Âu [6]. Người Neanderthals sinh sống rộng khắp Châu Âu và khu vực Tây Á trong khoảng thời gian ít nhất là 10000 năm, tuy nhiên lại không có bằng chứng khảo cổ nào công nhận có sự giao phối hoặc tương tác nào giữa người Neanderthals và loài H. sapiens. Tuy nhiên, đến năm 2010, hệ gen đầu tiên của người Neanderthals được giải mã đã thay đổi hoàn toàn suy nghĩ của các nhà di truyền học và khảo cổ học. Green và cộng sự đã giải thành công hệ gen của người Neanderthals với 1.3x coverage sau khi tập hợp các bộ số liệu thu được từ các mẫu xương khai quật được ở hang Vinija ở Croatia. Hệ gen của các nhóm người không phải người Phi như người Pháp, Trung Quốc và Papua New Guinean cho thấy sự tương đồng nhiều hơn 4% với hệ gen này so với hệ gen của người gốc Phi (San và Yoruba) [7]. Sự giải thích hợp lý nhất cho quan sát này đó là người Neanderthals và những tổ tiên của loài người hiện đại đã có hoạt động giao phối với nhau tại khu vực Trung Đông, cũng chính nơi 2 chủng người giao thoa với nhau. Kết luận trên sau đó cũng được ủng hộ bởi các nghiên cứu từ những hệ gen hoàn thiện hơn của người Neanderthals và các hệ gen của người hiện đại. Cho đến thời điểm hiện tại thì toàn bộ các hệ gen của người Neanderthals thu được đều có sự tương đồng cao hơn với người không phải gốc Phi so với người gốc Phi. Năm 2014, một hệ gen thu được từ mẫu hóa thạch có độ tuổi 45000 năm ở vùng Siberia có chứa mẫu Neanderthals mang hệ gen dài hơn so với người hiện đại ngày nay [8]. Cũng trong năm 2010, các nhà khoa học đã công bố một hệ gen thu được từ một mẫu xương ngón tay nhỏ tìm thấy được ở hang động Denisova ở vùng trung nam Siberia. Từ hình thái của chiếc xương cho thấy đây có thể là của một người hiện đại hoặc là một người Neanderthal nhưng cũng có thể là một loài người nào đó. Tuy nhiên, sau khi trình tự hệ gen được khai thác, câu chuyện đã xảy ra theo hướng hoàn toàn khác: mẫu vật đó là người chị em với nhóm Neanderthals trước khi có sự xuất hiện của người hiện đại – Denisovan [9]. Sự xuất hiện của một nhóm loài người khác, người Denisovan là nằm ngoài dự đoán của các nhà khảo cổ học. Người Denisovan đã trở thành một trong những nhóm người tối cổ đầu tiên được giải mã hệ gen đầy đủ trong khi
5 mà những mẫu hóa thạch còn tồn tại rất hạn chế, gây khó khăn cho phân tích giải phẫu. Sự hiện diện của người Denisovan cũng là bằng chứng cho thấy khả năng có những anh em khác của H. sapiens có thể tồn tại đâu đó trên Trái Đất mà chưa được tìm ra. 1.1.2. Loài người tại khu vực Đông Nam Á và Việt Nam qua nghiên cứu di truyền khảo cổ Tại khu vực Châu Á, có rất nhiều bằng chứng cho thấy có ít nhất 2 làn sóng di dân lớn là căn nguyên của sự đa dạng về sắc tộc ngày nay. Làn sóng thứ nhất hình thành nên các nhóm người ở Châu Úc, Papuan và các tổ tiên khác ở Nam Á; sau đó pha trộn với làn sóng thứ hai. Tuy nhiên, chi tiết về sự có mặt của những cư dân định cư đầu tiên tại đây vẫn chưa được làm sáng tỏ. Hệ gen đầu tiên có được từ một cá thể thuộc nền văn minh Mal’ta- Buret’ ở phía nam trung tâm Siberia đã sống cách đây khoảng 24 nghìn năm. Thông tin di truyền từ mẫu vật cho thấy sự pha trộn mạnh mẽ giữa người thuộc phía tây lục địa Á-Âu với người Châu Mỹ bản địa nhưng yếu hơn với người Đông Á và Siberian. Điều này cho thấy có sự khác biệt rất lớn về chủng người giữa các vùng địa lý ở giai đoạn tiền Palaeolithic so với ngày nay. Hệ gen thứ hai chính là hệ gen của người Denisovan với sự tương đồng cân bằng giữa người Tây Âu, Đông Á và Châu Úc. Từ số liệu của 14 cá thể có độ tuổi khoảng 36 – 38 nghìn năm tại Nga cho thấy sự liên kết với người Tây Âu nhưng không gần gũi với người Đông Á [10]. Cho đến thời điểm hiện tại, thì khu vực Châu Á đã ghi nhận đến bốn loài người khác nhau cùng sinh sống tại khu vực này, cho thấy sự đa dạng và phức tạp của khu vực. Người H. erectus có họ hàng gần gũi với người Châu Phi đã đến đây từ những ngày đầu của lịch sử loài người và rất có thể sinh trưởng và tồn tại ở Đông Nam Á cho đến thời kỳ cuối của Pleitocence, thời điểm xuất hiện của loài người hiện đại. Khoảng một triệu năm trước, những người H. erectus đã đến hòn đảo Flores, nơi sinh ra loài người khác H. floresiensis. Lịch sử cận đại tại khu vực Đông Nam Á, cụ thể là tại Việt Nam qua các nghiên cứu về thông tin di truyền còn rất nhiều khoảng trống chưa được khám phá. Số lượng nghiên cứu còn ít, số hệ gen thu được cũng còn nhiều hạn chế. Nghiên cứu về quá trình tiến hóa của loài người cần tiến hành dựa trên cả các bằng chứng lịch sử và nghiên cứu thống kê. Trong một nghiên cứu năm 2018 của McColl và cộng sự, giải trình tự genome của các mẫu hài cốt
6 thu thập được thuộc giai đoạn Đông Sơn (Núi Nấp, 2378 đến 2041 năm trước) cho thấy sự tương đồng cao với nhóm Dai, Amis và Kradai tại Thái Lan hiện tại nhưng có sự pha trộn vốn gen của nhóm nam Trung Quốc. Trong khi đó, những mẫu thu thập được từ giai đoạn sớm hơn, khoảng cuối thời đại đồ đá mới đến đầu thời đại đồ đồng (Hòn Hai Cô Tiên – Quảng Ninh và di tích Mái Đá Điều – Thanh Hóa, khoảng 4000 năm trước) lại không có sự pha trộn với nhóm gen nam Trung Quốc. Trong một nghiên cứu khác gồm các mẫu có niên đại khoảng 4080-3695 năm từ di chỉ khảo cổ Mán Bạc – Ninh Bình, cũng là nơi phát hiện những ông tổ nghề gốm Bát Tràng đầu tiên, cũng cho thấy sự gần gũi về di truyền với người Nam Á hiện đại. Những thông tin thu thập được tối đa từ những bộ hài cốt có thể cung cấp bằng chứng về chủng người, lối sống của họ, cũng có thể tìm kiếm nguyên nhân dẫn đến cái chết, ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên thời điểm đó qua các mẫu vi sinh vật thu được qua vết phân và những câu chuyện xung quanh khi người đó còn sống. Các mẫu hài cốt có tuổi thọ lên đến hàng nghìn năm cũng là thách thức cho quá trình nghiên cứu khai thác thông tin từ hệ gen của họ, khi mà hầu hết mẫu đã bị phân hủy. Có thể thấy ứng dụng của công nghệ giải trình tự đã và đang cung cấp những bằng chứng rất có giá trị để tái hiện bức tranh về lịch sử của loài người nói chung và loài người tại Việt Nam nói riêng. 1.1.3. Các chỉ thị di truyền sử dụng trong nghiên cứu mẫu xương khảo cổ Các nghiên cứu khoa học về lịch sử loài người sử dụng các chỉ thị di truyền rất đa dạng (bảng 1). Một trong số chỉ thị đầu tiên được sử dụng đó là các nhóm máu ABO và các đồng phân protein. Mặc dù nghiên cứu về đa dạng của loài người trở nên phổ biến từ nửa thế kỷ trước, phân tích dựa trên DNA thu hút được sự chú ý và được phát triển bởi giới khoa học và đến năm 1987 thì cây mtDNA đầu tiên đã được mô tả với gốc là người châu Phi. Đã có rất nhiều nghiên cứu khác nhau về mtDNA và di truyền theo dòng mẹ liên tiếp được tiến hành nhằm trả lời các câu hỏi về lịch sử và khảo cổ học. Ngay sau đó, hướng nghiên cứu trên vùng không trao đổi chéo trên nhiễm sắc thể (NST) Y – non-recombining portion of the Y chromosome (NRY) cũng tham gia vào dòng chảy đó của khoa học và cung cấp cách tiếp cận từ di truyền theo dòng cha. Mặc dù các nghiên cứu di truyền đơn dòng trên đều rất quý giá và thu hút, cũng như đã có hàng chục nghìn ty thể và NRY đã được phân tích
7 cặn kẽ, nhưng điều quan trọng là các nghiên cứu đó bị giới hạn ở những bức tranh nhỏ từ tổng thể thông tin có thể có từ hệ gen của loài người. Thực tế là, để kiểm định được các giả thuyết về các mô hình thì cần thiết phải dựa trên phân tích thống kê của cùng lúc nhiều locus khác nhau. Bảng 1. Một số loại chỉ thị được sử dụng trong nghiên cứu lịch sử loài người Ứng dụng và ưu Chỉ thị Giới hạn điểm Không có hiện Thông tin di tượng trao đổi chéo làm truyền chỉ trên dòng mẹ thay đổi cấu trúc khi dựng nên bị giới hạn về cây phát sinh chủng loại - thông tin khi nghiên Có khả năng phân biệt các cứu diễn biến di truyền quần thể tốt hơn mtDNA của quần thể; Chịu ảnh autosomal DNA - Chi phí hưởng lớn bởi chọn lọc thấp - Số bản copy trong tự nhiên; Tốc độ đột một tế bào lớn vì vậy có biến không có tính ổn thể sử dụng được ở các định mà có tính biến mẫu cổ đại, đã bị phân hủy đổi cao; mạnh Không có hiện Thông tin di tượng trao đổi chéo làm truyền chỉ trên dòng thay đổi cấu trúc khi dựng cha nên bị giới hạn về cây phát sinh chủng loại - thông tin khi nghiên Có khả năng phân biệt các cứu diễn biến di truyền quần thể tốt hơn của quần thể; Chịu ảnh NRY autosomal DNA - Chi phí hưởng lớn bởi chọn lọc thấp - Số bản copy trong tự nhiên; Tốc độ đột một tế bào lớn vì vậy có biến không có tính ổn thể sử dụng được ở các định, có tính biến đổi mẫu cổ đại, đã bị phân hủy cao; Có thể dẫn đến sai mạnh số do nghiên cứu trên những điểm SNPs đặc
8 trưng Có thể nghiên cứu Không áp dụng hàng trăm các STR độc được cho nghiên cứu lập cùng lúc trên nhiều cá các sự kiện di nhập gen thể do đó làm giảm sai số theo thời gian; - tốc độ ngẫu nhiên; Thông tin hữu đột biến có sai số lớn Autosomal STRs ích cho nghiên cứu các sự kiện di nhập quần thể cũng như có thể là chỉ thị để phân biệt các quần thể tương đồng cao Có thể nghiên cứu Tính chính xác cùng lúc hàng trăm đến phụ thuộc vào phương Micr hàng nghìn SNP trong pháp nghiên cứu; oarrays cùng 1 thí nghiệm; Chỉ thị Không hiệu quả đối với hữu hiệu cho nghiên cứu các quần thể có sự đa cấu trúc quần thể dạng cao Sai số lớn hơn so Khai thác số liệu với Sanger; Có thể có trình tự lớn, có thể bao trường hợp kết quả bị phủ được toàn bộ các vùng Seco định hướng bởi các gen mà phương pháp SN nd trình tự được ưu tiên Sanger gặp hạn chế; Đầu Ps generation đọc trong quá trình giải vào lớn nhưng không cần sequencing trình tự; Các đoạn đọc phải qua bước khuếch đại ngắn trở thành trở ngại gen (PCR); Giá thành trên khi nghiên cứu các mỗi base rẻ điểm đa dạng Có thể đọc đoạn dài Giá thành trên Thir (>10kb); Một số phương mỗi base cao hơn so d pháp có thể đọc trình tự với NGS thế hệ 2; Đòi generation từng tế bào; Các đoạn đọc hỏi các công cụ phân sequencing dài dễ dàng thực hiện các tích tin sinh chuyên bước lắp ráp sau đọc trình biệt
9 tự mà không cần trình tự tham chiếu Vào đầu những năm 2000, các cách tiếp cận mới cho nghiên cứu đa dạng di truyền loài người xuất hiện, đó là dựa trên các short tandem repeat (STR), một loại chỉ thị nằm rải rác trên toàn bộ hệ gen. Với sự phát triển của công nghệ lai DNA hybridization array, công nghệ ban đầu được sử dụng cho xây dựng bản đồ các allele bệnh trong các nghiên cứu GWAS, giờ đây được sử dụng để nghiên cứu hàng trăm nghìn SNPs. Mặc dù có khả năng phân tích cấu trúc quần thể loài người ở mức độ phân giải lớn hơn cả ở trên một vùng hay trên nhiều vùng khác nhau trên genome, thì chỉ thị đó bị giới hạn khi áp dụng vào nghiên cứu quá trình tiến hóa dưới tác động của các dạng đa dạng di truyền khác nhau. Những giới hạn đó bắt nguồn từ việc thiết kế arrays, khi mà chỉ một số lượng nhất định các chỉ thị SNP được thiết kế cho một kích thước cá thể giới hạn và từ một số quần thể nhất định, do đó có thể dẫn đến sự thiếu sót khi áp dụng cho nghiên cứu các quần thể trên toàn thế giới. Công nghệ giải trình tự đoạn ngắn thế hệ mới đã vượt qua nhiều giới hạn của công nghệ cũ. Việc thu thập các đoạn DNA từ khắp nơi trong hệ gen cho phép tăng khả năng nghiên cứu quá trình di nhập gen. Tuy nhiên, công nghệ này phải đối mặt với các thách thức về mặt phân tích và kiểm định chất lượng. Cụ thể, thế hệ giải trình tự thứ 2 bị lỗi đọc nhiều hơn so với giải trình tự Sanger, và các phương pháp nhằm giải mã toàn bộ thông tin lịch sử của hệ gen vẫn còn đang được phát triển. Ty thể là các bào quan nằm ngoài nhân tế bào và mang hệ gen riêng, độc lập với hệ gen trong nhân tế bào. Hệ gen ty thể là dạng tròn, mạch đơn, có kích thước khoảng 16.5 kb, có số lượng copy lớn gấp hàng trăm lần hệ gen nhân, chỉ được di truyền từ mẹ sang con [11]. Sự thay đổi trình tự xảy ra trên hệ gen ty thể là do quá trình đột biến, không phải kết quả của quá trình trao đổi chéo. Đột biến trên hệ gen ty thể có tốc độ đột biến cao, thường là đột biến dạng trung tính và phát sinh gần như cùng thời điểm với việc sự dịch chuyển địa điểm địa lý của con người. Những đột biến đó tạo thành các haplogroup, có tính phân biệt vùng miền cao. Do đó, mtDNA cũng là chỉ thị tốt cho truy xuất nguồn gốc do khả năng phân biệt theo địa lý và sự khác biệt giữa các quần thể rõ ràng. Từ những ưu điểm trên, mtDNA được sử dụng
10 rộng rãi trong các nghiên cứu về lịch sử tiến hóa, di truyền quần thể, di truyền y sinh, di truyền tiến hóa hay khoa học hình sự [12]. Lĩnh vực nghiên cứu dựa trên mtDNA bắt đầu từ năm 1987 có ảnh hưởng lớn đến các cuộc bàn luận về nguồn gốc con người, khi mà mtDNA có thể giải quyết những giới hạn của các bằng chứng hóa thạch. Báo cáo về cây phát sinh chủng loại dựng từ tất cả trình tự mtDNA của con người với gốc là tổ tiên châu Phi, người đã sống tại đó khoảng 200.000 năm trước, đã củng cố mạnh mẽ hơn mô hình RAO và khởi sinh ra cuộc tranh luận cho 2 thập kỷ sau đó. MtDNA có nguồn gốc từ châu Phi tại thời điểm hiện tại nằm cùng một nhánh như được mô tả trong báo cáo trên, và có sự đa dạng lớn hơn giữa nội tại các mtDNA của châu Phi hơn là nhóm khác. Mặt khác, nghiên cứu dựa trên NRY hay các loci trên nhiễm sắc thể thường cũng đồng tình với mô hình này. MtDNA của người cổ ở nhiều vùng địa lý rộng lớn đã được tách chiết và giải trình tự cho thấy sự khác biệt rõ ràng về mặt di truyền giữa người hiện đại và người Neaderthals [10]. Nghiên cứu sử dụng chỉ thị mtDNA ở đối tượng mẫu xương khảo cổ được sử dụng khá rộng rãi. Năm 2012, nhóm tác giả Fu và cộng sự đã công bố về thông tin di truyền, trong đó có từ hệ gen ty thể của mẫu xương người khoảng 40.000 năm tuổi ở động Tianyuan, Trung Quốc, cho thấy mẫu vật này thuộc quần thể người cổ đại mà là tổ tiên của rất nhiều nhóm người hiện đại ở Châu Á và Châu Mỹ sau này. 1.1.4. Ứng dụng công nghệ giải trình tự gen trong nghiên cứu các mẫu khảo cổ Giải trình tự toàn bộ hệ gen các nhóm người đã tuyệt chủng Năm 2010, một nhóm các nhà khoa học đã tách chiết thành công DNA từ xương răng và công bố các genome lắp ráp đầu tiên của hai nhóm thuộc chi Homo đã tuyệt chủng: người Neanderthals và một nhóm chưa được biết tới trước đó, gọi là Denisova (lấy theo tên hang động thuộc dãy Altai của Nga). Có 2 phát hiện lớn đó là: genome của người Neandethals và Denisovan có sự gần gũi lớn hơn so với nhóm Homo sapien hiện đại – AMHs; và tất cả non- African chia sẻ khoảng 1-4% nguồn gen của người Neanderthals, người địa trung hải – Melanesians có khoảng 3,5% genome giống với nhóm Denisovan.