People

 Melanie Harder, Alumni

Alumna

Melanie Harder (Germany, 1980)

Dipl.-Biol. in Biology

PhD project
Evolution of the Diversity of Human Appearance - Reconstruction of the Phenotype from Neolithic individuals in Europe
In this project a molecular-genetic analysis was set up for the purpose of reconstructing the human eye-, hair and skin color. This is based on the analysis of single nucleotid polymorphisms, which adjust the synthesis of the pigment melanin in different ways and therefore have an influence on the individual pigmentation of a person.
A statistical evaluation forms the basis of this newly developed method that enables us to reconstruct the externally visible appearance of a total of 400 unrelated German people. It appeared that six (rs12913832 (HERC2 gene), rs12896399 (SLC24A4 gene), rs12203592 (IRF4 gene), rs1805007 and rs1805008 (MC1R gene), rs4778138 (OCA2 gene)) of a total of 18 examined SNPs showed associations concerning the eye-, hair- and skin color with prediction values of up to 99%. For eye color prediction likelihoods of up to 95 %, for hair color likelihoods of up to 85 %, for skin color likelihoods of up to 72 % and for the red tint in the hair likelihoods of up to 99 % can be achieved. Thus this newly developed analysis method enables a reliable reconstruction of the individual pigmentation with high likelihoods. Because this method was meant to find application in the forensic genetics as well as in the area of historical and archaeological research, the analysis of six significant SNPs was tuned so that it works with highly degraded DNA material. Resultant from this a total of five Singleplex-PCRs with sensitivities of down to 3.3 pg were established.
To check the explanatory power of this newly established method, it was compared to already published procedures for eye- and hair color reconstruction. For eye color it could be shown that the analysis of SNP rs12913832 (the HERC2 gene), which is examined in this work as single SNP, predicts the eye color as precisely as the analysis of six SNPs from Walsh et al. 2011. Concerning hair color reconstruction the application of the herein described procedure with only three SNPs rs12913832 (HERC2 gene), rs12896399 (SLC24A4 gene) and rs12203592 (IRF4 gene) reached a more significant result in comparison to the method from Branicki et al. 2011, with a total of 13 SNPs and the variants MC1R_r and MC1R_R. Additionally the reconstruction of a red tint in the hair, achieved almost identical values in comparison to the analysis from Branicki et al. 2011.
In addition to the establishment two family quartets as well as a test person with iris-heterochromie were examined concerning their pigment traits. The results of the family quartets support the high reliability of this new method. It also shows that in case of likelihoods of about 50 % a higher error rate can be expected. Additionally the applicability of this method on individuals with special pigmentation anomalies should be demonstrated. For this a test person with iris-heterochromie was examined. This anomaly presents itself in form of different pigment stamping of the irises which leads to different coloring of the eyes. With the help of our analysis method the genetic determination of the test person, who shows a blue-brown and a brown-yellow-green eye, for blue eye color could be determined. In this case a hyperpigmentation of the darker eye can be assumed.
In addition to the development and validation, the analysis procedure was applied to archaeological skeletal material to answer the questions, when today's european diversity in pigmentation and the blue eye color have originated. Due to the characteristic of the Neolithic as a transition from the hunter and collector to the established farmer, which is associated with the establishment of village communities, this period is seen as the origin of today’s diversity.
A total of 185 neolithic individuals from the time 4.500-2.800 BC and 142 medieval individuals from the 13th/14th century were analyzed as a comparative population. For a total of six neolithic and 21 medieval individuals the pigmentation could be reconstructed in parts completely and often at least partially. The neolithic individuals show a high ration of homozygous alleles in comparison to the medieval individuals, so it can be assumed that no mixture between different populations has occured during the Neolithic era. The low diversity of haplogroups supports this statement. It can be concluded, that the origin of today's pigmentation diversity is localised not in the neolithic period, but must have originated between the neolithic period and the middle ages.
With regard to the blue eye colour the working group Eiberg et al. 2008 hypothesized that the origin is localised 6.000-10.000 years ago. In case of the ascertained eye colors for the neolithic individuals, with an age of approximately 5.000 years, a relatively high portion of blue eyes (66 %) appears. This leads to the conclusion that blue eye color might have originated before the neolithic period. This does not disprove Eibergs hypothesis but it can be assumed that today’s diversity originates about 10.000 years ago rather than 6.000. With the additional analysis of mitochondrial DNA and individual-specific STRs of the aDNA samples, a contamination from the side of the lab employees can be excluded, supporting the authenticity of the aDNA results.

In German: In der vorliegenden Arbeit wurde ein molekulargenetisches Analyseverfahren zur Rekonstruktion der humanen Augen-, Haar- und Hautfarbe etabliert. Dieses basiert auf der Analyse von Einzelnukleotidpolymorphismen, auch unter dem Begriff single nucleotid polymorphisms (= SNPs) bekannt, die auf unterschiedliche Art und Weise die Synthese des Pigmentes Melanin regulieren und somit die individuelle Pigmentierung jedes Einzelnen prägen.
Dem neu entwickelten Verfahren zur Rekonstruktion des äußeren Erscheinungsbildes liegt eine komplexe statistische Auswertung an insgesamt 400 norddeutschen unverwandten Probanden zugrunde. Es zeigte sich hierbei, dass sechs (rs12913832 (HERC2-Gen), rs12896399 (SLC24A4-Gen), rs12203592 (IRF4-Gen), rs1805007 und rs1805008 (MC1R-Gen), rs4778138 (OCA2-Gen)) der insgesamt 18 untersuchten SNPs Assoziationen hinsichtlich der Augen-, Haar- und Hautfarbe aufweisen und bei einer Analyse dieser Vorhersagewahrscheinlichkeiten von bis zu 99 % erreicht werden können. Bezüglich der Augenfarbe kann eine Wahrscheinlichkeit von bis zu 95 %, bei der Haarfarbe von bis zu 85 %, beim Hauttyp von bis zu 72 % und beim Rotstich im Haar von bis zu 99 % erzielt werden. Somit kann mit der neu entwickelten Analysemethode die individuelle Pigmentierung einer Person mit hohen Wahrscheinlichkeiten zuverlässig rekonstruiert werden kann.
Da diese Methode sowohl in der forensischen Genetik als auch im Bereich historischer und archäologischer Fragenstellungen Anwendung finden soll, wurde die Analyse der sechs signifikanten SNPs speziell auf stark degradiertes DNA-Material abgestimmt. Resultierend daraus ergaben sich insgesamt fünf Singleplex-PCRs mit Sensitivitäten von bis zu 3,3 pg, was der DNA-Menge einer halben diploiden Zelle entspricht.
Um zusätzlich die Aussagekraft der neu etablierten Methode zu überprüfen, wurde diese mit bereits publizierten Verfahren zur Augenfarben- und Haarfarbenrekonstruktion verglichen. Hinsichtlich der Augenfarbenrekonstruktion konnte gezeigt werden, dass die Analyse des SNP rs12913832 (HERC2-Gen), der in dieser Arbeit als Einzel-SNP untersucht wird, ebenso exakt die Augenfarbe vorhersagt, wie eine Analyse der insgesamt sechs SNPs aus Walsh et al. 2011. Bezüglich der Haarfarbenrekonstruktion konnte durch die Anwendung des eigenen Verfahrens, bei dem die drei SNPs rs12913832 (HERC2-Gen), rs12896399 (SLC24A4-Gen) und rs12203592 (IRF4-Gen) untersucht werden, ein aussagekräftigeres Ergebnis im Vergleich zur der Methode von Branicki et al. 2011, mit insgesamt 13 SNPs und den Varianten MC1R_r und MC1R_R, erzielt werden. Auch bei der Rekonstruktion des Rostichs im Haar zeigte sich, dass die Methode dieser Arbeit, bei der lediglich die SNPs rs1805007 und rs1805008 des MC1R-Gens untersucht werden, fast identische Werte im Vergleich zum Analyseverfahren von Branicki et al. 2011 liefert, bei dem wesentlich mehr SNPs untersucht wurden.
Zusätzlich zur Methodenetablierung erfolgte ein Exkurs, bei dem zwei Familienquartetts sowie eine Probandin mit Iris-Heterochromie hinsichtlich ihrer Pigmentausprägungen untersucht wurden. Bei der Analyse der Familienquartetts zeigte sich, dass die Rekonstruktion der Augen-, Haar- und Hautfarbe mit dem neu entwickeltem Verfahren größtenteils sehr zuverlässige Ergebnisse liefert. Hierbei fiel lediglich auf, dass sich bei Wahrscheinlichkeiten um die 50 % eine höhere Fehlerquote zu erwarten ist. Da ebenfalls die Anwendbarkeit der Methode bei speziellen Pigmentanomalien demonstriert werden soll, wurde eine Probandin mit Iris-Heterochromie untersucht. Diese Pigmentanomalie stellt sich in Form verschiedener Pigmentausprägungen der Iris dar. Mit Hilfe der Augenfarbenrekonstruktion konnte bei der Probandin, die eine blau-braune und eine braun-gelb-grüne Augenfarbe aufweist, eine genetische Determinierung für die blaue Augenfarbe festgestellt werden, so dass in diesem Fall eine Hyperpigmentierung des dunkleren Auges angenommen werden.
Ergänzend zur Methodenentwicklung und -validierung wurde das Analyseverfahren an archäologischem Skelettmaterial angewendet. Hierbei wurden den Fragen nachgegangen, wann die heutige europäische Pigmentierungsdiversität und die blaue Augenfarbe entstanden sind. Da sich das Neolithikum (Jungsteinzeit) durch einen extremen Wandel vom Jäger und Sammler hin zum sesshaften Bauern auszeichnet, was mit Gründungen von Dorfgemeinschaften einhergeht, wird diese Phase als möglicher Ursprung der heutigen Diversität angenommen.
Es wurden insgesamt 185 neolithische Individuen aus der Zeit 4 500-2 800 BC und 142 mittelalterliche Individuen aus dem 13./14. Jahrhundert als Vergleichspopulation analysiert. Bei insgesamt sechs neolithischen und 21 mittelalterlichen Individuen konnte dessen Pigmentierung zu Lebzeiten teilweise komplett und teilweise partiell rekonstruiert werden. Bei den neolithischen Individuen konnte ein sehr hoher Homozygotieanteil im Vergleich zu den mittelalterlichen Individuen festgestellt werden, so dass anzunehmen ist, dass zu diesem Zeitpunkt noch keine allzu strake Vermischung der unterschiedlichen Populationen erfolgt ist. Die sehr geringe Haplogruppendiversität bekräftigt ebenso diese Aussage. Somit kann zusammenfassend gesagt werden, dass der Ursprung der heutigen Pigmentierungsdiversität nicht im Neolithikum lokalisiert ist, sondern zwischen dem Neolithikum und dem Mittelalter entstanden sein muss.
Bezüglich der blauen Augenfarbe wurde von der Arbeitsgruppe Eiberg et al. 2008 die Hypothese aufgestellt, dass der Ursprung dieser vor 6 000-10 000 Jahren lokalisiert ist. Bei Betrachtung der ermittelten Augenfarben der neolithischen Individuen, die ein Alter von circa 5 000 Jahren aufweisen, zeigt sich ein relativ hoher Anteil der blauen Augenfarbe von 66 %. Dies weist darauf hin, dass die Mutation des SNP rs12913832 für die Ausprägung der blauen Augenfarbe weit vor dem Neolithikum entstanden ist. Die Hypothese wurde somit nicht widerlegt, dennoch kann angenommen werden, dass deren Entstehung eher vor 10 000 als vor 6 000 Jahren erfolgt ist.
Bei allen Untersuchungen wurde höchster Wert auf Kontaminationsvermeidungen mit moderner DNA gelegt. Durch die zusätzlich Analyse der mitochondrialen Haplogruppen und der individualspezifischen STRs der aDNA-Proben, kann eine Kontamination von Seiten der Labormitarbeiter ausgeschlossen werden, was die Authentizität der aDNA-Ergebnisse verstärkt.
Research interests Human diversity and its origin based on aDNA analysis, recent and ancient European people and their appearance, neolithic individuals, human genetics, population genetics, cellbiology.
Post PhD Position Position at Euroimmun, Lübeck
Education

Since November 2008
Member of the Graduate School “Human Development in Landscapes” at the Christian-Albrechts-University Kiel.

2008
Diploma in Biology with the subjects cellbiology, microbiology and legal medicine. Diploma-Thesis: Mitochondriale DNA Mutagenese im Cerebellum von Alkoholkranken.

2001 - 2008
Studies of Biology at the University of Kiel.

Work experience

2006
Internship at the Legal Medicine in Kiel for six weeks.

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