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<p>This dissertation discusses molecular analyses of dental and skeletal material from victims of the Black Death with the goal of both identifying and describing the evolutionary history of the causative agent of the pandemic. Through this work, <em>Yersinia pestis</em> DNA was successfully identified in skeletal material from a well-documented Black Death burial ground, the East Smithfield cemetery of London, England (1348 -1350). The thesis presents two major methodological advancements in the field of ancient pathogen research: 1) it describes a protocol to confirm the authenticity of ancient pathogen DNA, thus circumventing tenuous issues relating to modern contaminants, and 2) it demonstrates the applicability of DNA capture methods to isolate ancient pathogen DNA from its complex metagenomic background common to ancient DNA extracts. The dissertation is comprised of three publications. The first, submitted to the journal BMC Systems Biology, describes a computational software program for oligo design that has applications to PCR, and capture techniques such as primer extension capture (PEC) and array-based capture. The second manuscript, published in the Proceedings of the National Academy of Sciences, presents a novel capture technique for retrieval of the <em>pestis</em>-specific pPCP (9.6kb) plasmid which can be used as a simple screening tool for the presence of <em>Y. pestis</em> DNA in ancient remains, and describes a method for authenticating ancient pathogen DNA. The third paper, published in the journal Nature, presents a draft genome of <em>Yersinia pestis </em>isolated from the individuals of the East Smithfield collection, thus presenting the first ancient pathogen genome in published literature. Evolutionary changes as they relate to phylogenetic placement and the evolution of virulence are discussed within an anthropological framework.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

Die Lichtensteinhöhle ist eine Klufthöhle im Berg Lichtenstein in den Harzausläufern. Im anthropogenen Teil der Höhle wurden größere Mengen disoloziert vorliegender Menschenknochen gefunden. Über assoziierte archäologische Artefakte und 14C-Datierungen erfolgte eine Einordnung ins 10.–9. Jh. v. Chr.. Aufgrund eines Überzuges mit Gipssinter und konstant niedriger Temperaturen war ein herausragend guter Erhaltungszustand der Knochen und der enthaltenen aDNA gegeben. Dies ermöglichte umfangreiche anthropologische Forschungsarbeiten an den menschlichen Überresten aus der Lichtensteinhöhle. Eine zentrale Fragestellung zu Beginn der Forschungsarbeiten war, ob es sich um eine Opferstätte oder einen Bestattungsplatz handelt. Es konnte für die zunächst identifizierten 40 Individuen ein ausgewogenes Geschlechterverhältnis und eine Altersverteilung über alle Altersklassen hinweg nachgewiesen werden. Zudem konnten mittels molekulargenetischer Methoden verwandtschaftliche Beziehungen zwischen den Individuen aufgedeckt werden. Die Verwandtschaftsrekonstruktion ergab den Stammbaum eines Familienclans. Damit lagen eindeutige Hinweise für eine Nutzung als Bestattungsplatz vor. Während molekulargenetischer Reihenuntersuchungen verschiedener Skelettelemente und morphologischer Zuordnungen von Skelettelementen zu Individuen wurde deutlich, dass Knochen von mehr Individuen als den 40 bislang identifizierten vorhanden waren. Zudem deutete sich an, dass für nahezu alle Individuen nicht alle Knochen in der Höhle aufgefunden worden waren. Das Fehlen von Skelettelementen warf die Frage auf, ob es sich bei der Lichtensteinhöhle nicht um einen Primär- sondern um einen Sekundärbestattungsplatz handeln könnte. Im aktuell durchgeführten Forschungsprojekt wurden, unter Verwendung morphologischer und molekulargenetischer Methoden, die Zuordnungen der dislozierten Knochen zu Individuen zu Ende geführt. Die rekonstruierten Individuen wurden umfassend morphologisch und molekulargenetisch untersucht, mit dem Ziel, die demografische Struktur der Population zu erschließen und die Verwandtschaftsrekonstruktion auszuweiten. Zudem wurde den Fragen der Nutzungsdauer und der genauen Nutzungsart der Höhle nachgegangen. Es konnten 60 Individuen identifiziert werden. Nur für zwei der Individuen wurden alle bei den Zuordnungen berücksichtigten Skelettelemente vorgefunden. An den Knochen zeigten sich nur wenige Fälle degenerativer Veränderungen. Dies ließ darauf schließen, dass die in der Lichtensteinhöhle bestatteten Menschen nicht übermäßig harter körperlicher Belastung ausgesetzt waren. Spuren massiver Gewalteinwirkung fehlten vollständig. Dies macht es unwahrscheinlich, dass die bestattete Population in kriegerische Auseinandersetzungen involviert war. Einige wenige verheilte Frakturen an Rippen oder Schlüsselbein lassen sich problemlos auf Alltagsunfälle zurückführen. Spuren von Mangel- oder Stressphasen waren nur in Einzelfällen nachweisbar. Dies deutet darauf hin, dass die Bestatteten zu Lebzeiten kontinuierlichen Zugang zu ausreichenden Nahrungsressourcen hatten. Das Geschlechterverhältnis war ausgewogen und die Altersverteilung entsprach in den Grundzügen der für eine historische Population zu erwartenden. Eine fesgestellte Unterrepräsentanz von Individuen der Altersklasse Infans I könnte als Hinweis darauf interpretiert werden, dass tatsächlich Sekundärbestattungen praktiziert wurden und die sehr kleinen, fragilen Knochen der Infans I Individuen zum Zeitpunkt der Umbettungen bereits vergangen waren. In begleitenden Arbeiten durchgeführte statistischen Analysen verschiedener Merkmale, wie z.B. Unterschiede im Grad der DNA-Degradierung, lieferten weitere Hinweise in die Richtung, dass es sich bei der Lichtensteinhöhle um einen Sekundärbestattungsplatz handeln dürfte. Für alle neu identifizierten Inividuen wurden mittels molekulargenetischer Analysen die genetischen Fingerabdrücke sowie die mitochondraialen und Y-chromosomalen Haplotypen bestimmt. Die anschließende Verwandtschaftsrekonstruktion ergab einen erweiterten Stammbaum, in dem für 47 der 60 Individuen entweder direkte Verwandtschaft oder aber Verwandtschaft in mütterlicher oder väterlicher Familienlinie belegt ist. Der Stammbaum umfasst insgesamt sechs Generationen. Dies entspricht – bei einer angenommenen Generationendauer von 20 Jahren – einer Nutzungsdauer von 120 Jahren und passt somit gut zum archäologisch ermittelten Nutzungszeitraum. Die Auswertung der Diversität der mitochondrialen und Y-chromosomalen Haplotypen ergab Hinweise auf eine patrilokale Gesellschaftsform. In begleitenden Arbeiten wurden weitere genetische Marker – z.B. für die Augen- und Haarpigmentierung, die immungenetische Ausstattung oder auch für den Laktosetoleranzstatus – analysiert. Insgesamt zeigte sich, dass sich in vielerlei Hinsicht die genetische Ausstattung heutiger Populationen im Vergleich zu der vor 3.000 Jahren nicht grundlegend unterscheidet. Lediglich für die Frequenz des Laktosetoleranz verursachenden Allels war eine deutliche Zunahme seit der Bronzezeit zu verzeichnen.

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Syftet med litteraturstudien är att sammanfatta vilken gensekvens som används vid genetisk barcoding av växter och hur väl metoden i fråga tillämpas i tre biologiska yrkesområden: dietanalyser i ekologin, analys av pollensporer i forensisk biologi samt analys av uråldrigt DNA (ancient DNA) i paleontologin. Vidare var det även av intresse att se hur genetisk barcoding kan användas i den gymnasiala undervisningen och hur väl den passar in med de svenska styrdokumenten för skolan. Hur elever har gynnats av den valda metoden samt vilka begränsningar som har uppstått har också berörts. Litteraturstudien baseras på vetenskapliga artiklar som har sökts fram med de nedan listade nyckelorden. Resultaten visar att en kombination av gensekvenser, däribland rbcL, matK, trnH-psbA och ITS, fungerar bäst vid identifiering av växter. I dagsläget är genetisk barcoding fortfarande i utvecklingsfasen, där metoden begränsas av antalet referenssekvenser i databaserna, vilket gör det svårt att utesluta morfologiska identifieringsmetoder i de tre yrkesområdena. Vid användning av barcoding i den gymnasiala undervisningen visar det sig att det stämmer väl överens med de svenska styrdokumenten och ökar elevers intresse för de naturvetenskapliga ämnena, då de kan bidra med värdefull forskning genom tillägg av referenssekvenser i databaserna. De största begränsningarna är att det blir ett stort arbetslass för läraren, att läraren i fråga måste vara bekväm med de olika laboratiska momenten och att skolan ska ha tillgång till nödvändig apparatur. / The purpose of the literature study is to conclude which gene sequences are being used in DNA barcoding on plants and how the method in question is being used in three different biological occupations: diet analysis in ecology, analysis of pollen in forensics and analysis of ancient DNA (aDNA) in paleontology. Further it was also of interest to study how DNA barcoding can be used in high school settings and how the method correlates with the Swedish curriculum. How pupils have benefited from the chosen method and what limitations have arisen have also been touched upon. This literature study is based on scientific articles that have been sought with the keywords listed below. The results show that a combination of gene sequences, including rbcL, matK, trnH-psbA and ITS, works best in plant identification. At present, genetic barcoding is still in the developmental phase, where the method is limited by the number of reference sequences in the databases, which makes it difficult to exclude morphological-based methods in the three occupational fields. When using barcoding in upper secondary education it turns out that it’s in good agreement with the Swedish curriculum and increases the students' interest in the scientific subjects, since they can contribute with genuine research when adding reference sequences in the databases. The main limitations are the workload for the teacher, the teacher in question must be comfortable with the different laboratory steps and that the school must have access to necessary equipment.

The evolutionary history of H. neanderthalensis, interwoven with that of H. sapiens, has always fascinated the scientific world. Recent adavncess in paleogenetics shedds new light on the phylogenetic relationship between Neandertals and modern humans. The studies developed in this thesis intend principally to control the contaminants through the development of an anti-contamination protocol for decreasing the human contamination in pre-laboratory phases. We designed a PCR-based method specific for reducing human contamination during the laboratory analysis, and we analyzed the fragmentation pattern of the ancient sequences by massively parallel sequencing technologies. Furthermore, we studied two nuclear genes, TAS2R38 -associated to bitter taste perception- and ABO blood group system –involved in natural immunity- that provide specific information on aspects of the Neanderthal phenotype and adaptation. / La historia evolutiva d’H. neanderthalensis, imbricada amb la d’H. sapiens, ha fascinat sempre el món científic. Avenços recents en paleogenètica aporten una nova llum sobre la rel•lació filogenètica entre els neandertals i els humans moderns. Els treballs d’aquesta tesi intenten principalment controlar els contaminants mitjançant el desenvolupament d’un protocol d’anti-contaminació que disminueixi la contaminació humana de les mostres en la fase de pre-laboratori. Hem desenvolupat un mètode basat en la PCR específic per a reduïr els contaminants humans durant l’anàlisi en el laboratori, i hem analitzat el patró de fragmentació de les seqüències antigues amb tècniques de seqüenciació massiva en paral•lel. A més a més, hem estudiat dos gens nuclears, el TAS2R38 –associat a la percepció del gust amarg- i el grup sanguini ABO –implicat en la immunitat natural- que proporcionen informació específca sobre aspectes del fenotip i de les adaptacions dels neandertals.

In this thesis we have addressed three different although related topics. First, we studied the post-mortem mutation damage rate of contaminated DNA sequences in ancient human remains focusing on the development of strategies to avoid pre-laboratory derived contaminations. We proposed a guideline to control them consisting in typing every single person involved on the manipulation of the remains, especially when they have not been excavated and washed under controlled conditions. Second, we successfully develop a non-invasive technique to sequence ancient remains but preserving it from the destruction. And third, we sequenced ancient human remains from different evolutionary times (from Paleolithic to post-Neolithic) to make inferences about the peopling of Western Europe focusing mainly in the Iberia peninsula. We found that there is a long term genetic continuity at least since the Neolithic. The only clear genetic discontinuity found is that involving two different human species, H. sapiens and H. neanderthalensis. / En la presente tesis hemos tratado tres temas diferentes aunque muy relacionados. Primero, hemos estudiado la tasa de mutación post-mortem de secuencias de ADN contaminante en restos humanos antiguos centrándonos en el desarrollo de estrategias para evitar que las muestras se contaminen antes de llegar al laboratorio. Proponemos una guía que consiste en el tipado genético de cada persona implicada en la manipulación de los restos, especialmente cuando estos han sido excavados y lavados bajo condiciones no controladas. Segundo, hemos desarrollado una técnica no invasiva para secuenciar DNA de restos humanos antiguos pero sin destruirlos. Y por ultimo, hemos secuenciado restos humanos antiguos pertenecientes a diferentes periodos evolutivos (desde el Paleolitico hasta el post-Neolitico) que nos han permitido hacer inferencias sobre el poblamiento Europeo centrándonos básicamente en la Península Ibérica. Hemos encontrado que ha habido una continuidad genética desde el Neolítico. La única clara discontinuidad genética encontrada es entre dos especies distintas: H. Sapiens y H.neanderthalensis.

Les cultures néolithiques atteignent le territoire français vers 5600-5200 cal. BC. Bien que les données de l'ADN ancien apportent depuis peu un nouvel éclairage concernant les modalités de diffusion(s) du Néolithique en Europe, de telles données restaient inexistantes concernant les premiers groupes fermiers s'implantant sur le territoire français. Ce travail propose donc l'analyse inédite du pool génétique des groupes humains de cinq sites du Néolithique ancien et moyen (5200-3600 cal. BC), répartis sur la partie nord du territoire français et représentatifs de la diversité culturelle de la période, y compris au niveau des pratiques funéraires. Un total de 88 haplogroupes et 63 haplotypes mitochondriaux a pu être caractérisé. À l'échelle régionale, une continuité claire est démontrée entre les groupes du courant danubien et ceux de la moitié nord de la France. Cependant, les données issues de la nécropole de Gurgy (Yonne, sud du Bassin parisien) montrent un métissage avec des groupes néolithiques issus du courant méditerranéen et un métissage précoce avec des descendants des chasseurs-cueilleurs. Ce dernier, également détecté à Fleury-sur-Orne (Normandie), renforce l'hypothèse d'un métissage croissant entre chasseurs-cueilleurs et fermiers vers l'ouest du continent. À l'échelle locale, les résultats révèlent une frappante diversité des schémas de fonctionnement des groupes. À Obernai (Alsace) des groupes maternellement et culturellement différenciés semblent utiliser successivement la nécropole, mais de façon sectorisée. À Gurgy, aucune corrélation entre lignées maternelles et organisation de la nécropole ou pratiques funéraires n'a pu être identifiée, impliquant une acculturation totale (au niveau funéraire) d'individus aux origines multiples. Enfin, à Fleury-sur-Orne, une continuité maternelle entre individus déposés au sein de monuments de type Passy et de dolmens plus tardifs (sépultures collectives) est démontrée, suggérant une évolution sociale complexe du groupe. Enfin, l'importante diversité mitochondriale observée sur l'ensemble des sites apparaît cohérente avec un système matrimonial de type patrilocal, incluant l'intégration de femmes chasseurs-cueilleurs au sein des groupes fermiers au début du Néolithique. / The study of ancient DNA has recently shed new light on the different Neolithic expansion waves into Europe, however no palaeogenetic data was available for first farmer groups that settled modern day France from 5600-5200 cal. BC. Here we present the first analysis of the gene pool from five Early and Middle Neolithic sites (5200-3600 cal. BC) spread across northern France that are representative of both the period’s cultural diversity and variable funerary practices. A total of 88 mitochondrial haplogroups and 63 haplotypes could be identified. At the regional scale, a clear continuity is evident between Danubian populations and the farmer groups that settled the northern half of France. However, data from the Gurgy necropolis (Yonne) south of the Paris Basin evinces admixture with Neolithic groups from the Mediterranean expansion wave as well as early admixture with descendants of hunter-gatherer groups. This latter pattern is also observable at Fleury-sur-Orne (Normandy), reinforcing the hypothesis of increasing admixture between hunter-gatherers and farmers from eastern to western Europe. More locally, our data shows a clear diversity in the funerary organization of farmer groups. At Obernai (Alsace), maternally and culturally differentiated groups seem to have successively used different sectors to bury their dead. At Gurgy, no correlation between maternal lineages and necropolis organization or funerary practices could be identified, implying the complete acculturation of individuals with diverse ancestries, at least in terms of burial practices. Finally, at Fleury-sur-Orne, a maternal continuity between individuals buried in Passy-type structures and later dolmens (collective burials) is evident, suggesting a complex social evolution of the group. Finally, the substantial mitochondrial diversity observed in all sites appears consistent with a patrilocal kinship system, including the integration of hunter-gatherer females in Early Neolithic farmer groups.

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