Genetyka i ewolucja człowieka

Genetyka i ewolucja człowieka

Ślady w ziemi i ślady w genomie

Źródła informacji

• Analiza sekwencji współczesnych

• inferencja filogenetyczna

• koalescencja

• Badanie antycznego DNA (aDNA)

• częściowe i kompletne sekwencje

• limit (człowiek) - ok. 400 000 lat (fragmenty mtDNA), 45 000 lat (kompletny genom)

• pojedyncze doniesienia - 700 000 lat (koniowate, Plejstocen)

Bence Viola, MPI EVA, za nature.com

aDNA

Hofreiter et al. 2014, Bioessays 36

Gdyby Ziemia istniała 1 rok…

• 26 XII – wymierają dinozaury

• 28 XII – małpy

• 31 XII, 14:00 – rozdzielenie linii przodków ludzi i szympansów

• 31 XII, 20:00 – Homo erectus

• 31 XII, 23:30 – nasi przodkowie opuszczają Afrykę

• 31 XII, 23:54 – zasiedlenie Europy

daty wg. http://www.uky.edu/KGS/education/geologictimescale.pdf

Naczelne - filogeneza

Szympans

Orangutan Goryl

Człowiek

milionów lat temu

Gibon Makak

Człowiek Bonobo Szympans

Orangutan

Makak Goryl

Przodkowie?

Odnaleziono wiele skamieniałości naczelnych, różne gatunki w tym samym czasie Trudno ustalić relacje między nimi

Przodkowie, czy boczne odgałęzienia drzewa

Dyskusja

• Nie da się jednoznacznie stwierdzić, do której linii należały skamieniałości najstarszych hominidów

• linia prowadząca do człowieka

• linia, która wyginęła i nie ma współczesnych potomków

Przodkowie?

Orrorin tugenensis

• Odkrycie: 2001

• Ok. 5 - 6 mln. lat temu

• Czy był przodkiem ludzi?

• Jeżeli tak, to czy Australopithecus był boczną linią?

• Niektóre cechy bardziej “ludzkie” niż u Australopithecus

• Czy był dwunożny?

• analiza kości – przynajmniej częściowo tak

• Gdzie żył – las czy sawanna?

• raczej las lub pogranicze

Ardipithecus ramidus - Ardi

• Odkrycie 1994, publikacja 2009

• 4,4 mln. lat

• Najstarszy znany właściwy hominin

• Przynajmniej częściowo dwunożny,

• Przodek Australopithecus (?)

Ardipithecus ramidus - Ardi

Ardipithecus i inni

Australopiteki

• Grupa wielu gatunków

• gracylne

• masywne (Paranthropus)

• 4 – 2 MYA

Australopiteki

• A. afarensis

• Lucy (~3,6 MYA)

• A. africanus

• Mrs. Ples

• Dziecko z Taung

• A. boisei - Olduvai

Australopithecus sediba

Cechy pośrednie między innymi Australopithecus a Homo

Opisany w 2010, Wiek: ~ 2 mln. lat

Australopithecus sediba

• Pojemność czaszki bliższa

australopitekom (~420 cm³), ale pewne cechy anatomiczne

(kształt mózgu) bliższe Homo

• różnicowanie półkul – język?

http://www.sciencemag.org

Przodkowie człowieka - scenariusze

• Australopithecus afarensis -> Homo habilis

• A. sediba – boczna linia

• A. africanus -> A. sediba -> Homo

• A. afarensis – boczna linia

Rodzaj Homo

• Ok. 2,3 MYA

• starsze od A. sediba – któryś był boczną linią

• Narzędzia kultury Olduvai (1,9 MYA) – Homo habilis

• Homo erectus, H. ergaster

(pitekantropy) – 1,5 mln. lat temu, wymarł 70 tys. lat temu

• Pierwsi opuścili Afrykę

• Posługiwali się ogniem

• Łowiectwo (oszczepy)

• Struktury społeczne?

Narzędzie sprzed 1,8 mln. lat z Olduvai British Museum

Homo

• Odkryte niedawno w Gruzji (Dmanisi) skamieniałości (~1,8 MYA) sugerują, że H. habilis, H. ergaster i H. rudolfensis mogły być

jednym gatunkiem - H. erectus

• Na podstawie zmienności morfologicznej (nie ma danych genetycznych)

Homo naledi

• Opisany w 2015 r.

• Jaskinia Dinaledi, RPA

• Wczesny przedstawiciel Homo, wiele cech pośrednich między australopitekami a ludźmi

• Datowanie niepewne

• Przesłanki, że są to ślady pochówku (najstarsze)

© National Geographic

Kolebka ludzkości

Australopithecus afarensis (Lucy)

najstarsze ślady Homo (szczęka ~ 2,3 mln lat)

Australopithecus, Homo habilis, H. erectus, H. sapiens

Australopithecus africanus A. sediba

Ponad milion lat temu…

Pierwsi migranci

Hipoteza multiregionalna = hipoteza

ciągłości regionalnej

Hipoteza multiregionalna

• Przodkowie człowieka, którzy opuścili Afrykę ponad milion lat temu ewoluowali na różnych kontynentach

• Następowała wymiana genetyczna (ciągłość) między populacjami regionalnymi

Model OAR


(Out of Africa Replacement)

Model OAR

• “Out of Africa” – “Pożegnanie z Afryką”

• Ok. 200 000 lat temu jedna z populacji przodków człowieka (to już był H. sapiens) rozpoczęła migrację z Afryki na pozostałe

kontynenty

• Nowi migranci wyparli żyjące już w tych regionach hominidy – potomków wcześniejszych migracji i nie mieszali się z nimi

• Wszyscy współcześni ludzie są potomkami tych ostatnich migrantów

Badania mtDNA

• mtDNA jest wysoce zmienny, zwłaszcza w obszarach niekodujących (pętla D)

• Ponieważ mtDNA dziedziczy się jako jedna jednostka genetyczna (dziedziczenie tylko od matki) określone układy polimorfizmów

dziedziczą się razem – haplotypy

• Brak rekombinacji alleli przy dziedziczeniu jednorodzicielskim

• Haplogrupy (zbiory haplotypów o określonych wspólnych

polimorfizmach) korelują z historią populacji ludzkich – narzędzie w antropologii, kryminalistyce itp.

Drzewo i dystrybucja haplogrup

mtDNA

Jobling & Tyler-Smith (2003) Nature Rev. Genet. 4, 598-612

Dystrybucja haplotypów chromosomu Y

Wyniki analiz mtDNA i chromosomu Y

• Drzewo ewolucyjne mtDNA i haplotypów Y jest zakorzenione w populacjach afrykańskich

• Czas od rozejścia się współcześnie żyjących linii (TMRCA) -150 000

—200 000 lat

• Wyniki wspierają hipotezę OAR (niedawne afrykańskie pochodzenie ludzi)

O co chodzi w teorii OAR

• Nie o to, że pochodzimy z Afryki

• afrykańskie pochodzenie hominidów jest w praktycznie wszystkich modelach

• Nie o to, że wywodzimy się od 1 kobiety (“Ewy”)

• jesteśmy potomkami jednej populacji, linie każdego genu (a więc i mtDNA) muszą się zbiegać w którymś momencie

• Ostatni wspólny przodek wszystkich ludzi żył stosunkowo niedawno

(~200 tys. lat temu) w Afryce, był to człowiek współczesny (H. sapiens)

• Hominidy, które wcześniej opuszczały Afrykę to nie nasi przodkowie, tylko boczne linie

Dane genetyczne

• Nie ma danych genetycznych dla gatunków sprzed miliona i więcej lat

• Granica możliwości analiz antycznego DNA: ~100 000 lat (a nawet do ~400 000 lat)

• Są dane genetyczne dla H. neanderthalensis i innych

Podejście genomowe

• Analizy mtDNA i chrY są proste - brak rekombinacji, łatwo ustalić linie dziedziczenia

• nie da się ocenić przepływu informacji między liniami (populacjami) - admiksji

• Dla sekwencji autosomalnych tasowanie alleli w każdym pokoleniu

• dużo więcej informacji, ale metody analizy nie nadążają za przyrostem danych

Podejście genomowe

• Trudniejsze w analizie, ale więcej informacji

• Jedyny sposób analizy admiksji - przepływu informacji między

populacjami

• Przejście od analizy drzew

pojedynczych genów do analiz dla wielu niesprzężonych loci - wyzwanie teoretyczne

Hofreiter et al. 2014, Bioessays 36

Projekty genomowe w badaniu ewolucji człowieka

• Porównanie genomów człowieka i innych naczelnych

• Nasi niedawni krewni - Neandertalczyk i inni

• Prehistoria człowieka

• zasiedlenie Europy

• zasiedlenie Ameryki

• mapa admiksji różnych populacji

• atlas zmienności człowieka (projekt “1000 genomów”)

Neandertalczycy

• Pierwsze ślady o cechach

neandertalskich (Azja) już ok. 400 000 lat temu

• Żył w Europie, wyginął około 30 000 lat temu

• Przodkowie człowieka

współczesnego zasiedlili Europę ok. 40 000 - 50 000 lat temu

• Czy Neandertalczycy byli

przodkami Europejczyków, czy krzyżowali się z ludźmi?

Genom Neandertalczyka

• Zsekwencjonowano fragmenty mtDNA z kilku próbek (1997) - Neandertalczyk boczną linią, a nie przodkiem człowieka

• Zsekwencjonowano ok. 10⁶ bp DNA jądrowego (2006)

• 60% genomu jądrowego (2010)

• Obecnie - 99% genomu z

pokryciem 50x dla pojedynczych osobników (z ~40 mg kości!)

Krings M., Stone A., Schmitz R.W., Krainitzki H., Stoneking M., and Pääbo S. (1997), Cell, 90:19-30.

mtDNA

Knight A. (2003): Journal of Human Evolution, 44:627-32.

mtDNA - drzewo

mtDNA - wnioski

• Sekwencje mtDNA Neandertalczyka lokują się poza drzewem populacji ludzkich

• Nie są bardziej podobne do sekwencji europejskich

• Brak śladów mieszania się Neandertalczyków i ludzi współczesnych (w linii żeńskiej N.)

• Zróżnicowanie wewnątrzpopulacyjne Neandertalczyka jest niewielkie, podobnie jak u ludzi

Analizy nDNA

Analiza DNA genomowego

• Rozejście się linii człowieka i Neandertalczyka znacznie

wcześniejsze niż ekspansja człowieka z Afryki - N. nie był naszym przodkiem

Analiza polimorfizmów

Nowy polimorfizm Admiksja

Analiza pozycji, gdzie występują pojedyncze różnice SNP

Wg. Green et al. (2006), Nature:444:330-336

Wyniki analizy genomu z 2010

• Potwierdzenie, że ostateczna dywergencja populacji ~270 -440 tys.

lat temu

• Analiza polimorfizmów – udział polimorfizmów odpowiadających

allelom Neandertalczyka większy u mieszkańców Eurazji, niż Afryki

• ok. 2-4%

Czy człowiek i Neandertalczyk się krzyżowali?

• Większe podobieństwo u mieszkańców Eurazji niż Afryki

• ok. 2-4% genomów Eurazji z polimorfizmami podobnymi do N.

• Prawdopodobnie dochodziło do krzyżowania przodków mieszkańców Eurazji z Neandertalczykami

• Wkład N. w genom człowieka jest bardzo niewielki

• Brak śladów wkładu człowieka do genomu N.

Scenariusze

• To, że podobieństwo N. do

Europejczyków, Azjatów i Papuasów jest takie samo wskazuje na

scenariusz 3

• Krzyżowanie z przodkami E, A i PNG, na obszarze bliskiego Wschodu

• Do krzyżowania dochodziło bardzo rzadko – niewielki wkład

• efekt fali – szybka ekspansja populacji kolonizującej “wzmacnia” wkład z

krzyżowania z populacją natywną

Neandertalczycy i ludzie

• Analiza DNA z wykopalisk z terenu Rumunii i Włoch

• Ludzie i Neandertalczycy

krzyżowali się jeszcze w Europie ok. 40 000 lat temu

Nie tylko Neandertalczyk

• Szczątki z jaskini Denisowa (Ałtaj)

• Współcześni Neandertalczykom

• Prawdopodobnie grupa siostrzana

• Ślady krzyżowania z ludzkimi migrantami w populacjach

Oceanii

• Epizody krzyżowania podczas migracji do Azji Pd.-Wsch.

Admiksje

• Kompletna sekwencja genomu z jaskini Denisova (2013) sugeruje przepływ genów między H.

sapiens, H. neanderthalensis i być może jeszcze jednym,

nieznanym gatunkiem

Tajemnice Denisowian

• Sekwencje mtDNA z fragmentu kości sprzed 400 000 lat z Hiszpanii (Sima de los Huesos) - większe podobieństwo mtDNA do

Denisowian, niż Neandertalczyków

• kości i zęby morfologicznie podobniejsze do neandertalskich

• wspólny przodek Denisowian i Neandertalczyków?

• odrębna linia?

Genom z Ust’-Ishim

• Syberia, ~ 45 000 lat

• Najstarszy kompletny genom H.

sapiens

• Grupa łowiecko-zbieracka z

pierwszych fal migracji z Afryki, wyginęła

• ~2% admiksji neandertalskiej, porównywalnie ze

współczesnymi populacjami nieafrykańskimi

Admiksja i adaptacja

• Genetyczne podłoże adaptacji do życia na dużych wysokościach u Tybetańczyków - warianty genu EPAS1 (szlak hipoksji)

• Związane z konkretnym

haplotypem EPAS1, częstym u Tybetańczyków, rzadkim u

Chińczyków Han

• Haplotyp ten występuje w sekwencji Denisowian

Denisova

Nie taka prosta historia

• mtDNA współczesnych Europejczyków różni się od mtDNA Europejczyków sprzed 10 000 lat

• fala migracji neolitycznej

• kolejne fale migracji

• podobnie mtDNA wczesnych i późnych Neandertalczyków się różni

• dowody na dużą wsobność u Neandertalczyków w Europie (nieliczna populacja)

Prehistoria Europy

• Pierwsi osadnicy (z Afryki, bazalna populacja Eurazji, ~ 50 000 YBP)

• Zlodowacenia - refugia na południu i ponowne zaludnianie północy (18 000 - 10 000 YBP)

• Migracje neolitycznych rolników z Bliskiego Wschodu (7 000 YBP)

• rozprzestrzenianie się cywilizacji neolitycznej - częściowo genetyczne (migracje), częściowo kulturowe

• Późniejsze migracje

• np. migracja indoeuropejska 4 000 - 1 000 YBP

Potomkowie pierwszych Europejczyków?

• Wszystkie europejskie populacje są mieszanką potomków

populacji pre-neolitycznych

(łowcy-zbieracze) i neolitycznych (rolnicy)

• Dowody na ciągłość populacyjną w linii żeńskiej (mtDNA) od

czasów pre-neolitycznych tylko u Basków

Europejska mozaika

• Co najmniej 3 populacje źródłowe

• zachodnioeuropejscy łowcy-zbieracze (WHG, najwcześniejsze)

• prawdopodobnie ciemna skóra i jasne oczy

• dawni mieszkańcy północnej Eurazji (ANE, Syberia), też ślady w populacjach rdzennych mieszkańców Ameryki

• pierwsi rolnicy (EEF, Bliski Wschód + Bałkany, rewolucja neolityczna)

• jasna skóra, ciemne oczy

• na podstawie analizy DNA szkieletów sprzed 7 000 - 8 000 lat i współczesnych Europejczyków

Europejska mozaika

Europejska mozaika

• Gradient WHG-EEF

odzwierciedla migrację EEF do Europy

• Udział ANE największy w

Europie północnej i środkowej

http://eurogenes.blogspot.com.au

A teraz?

http://bga101.blogspot.com.au/2013/12/eef-whg-ane-test-for-europeans.html

Europa i Ameryka

• Analiza DNA szkieletu chłopca sprzed 24 000 lat (MA1)

• Dowody na przepływ genów do populacji Europy i Ameryki

• Przodkowie mieszkańców Ameryk to potomkowie

mieszkańców Syberii wschodniej oraz migrantów z Syberii

Zachodniej i Europy (MA1)

Czwarte źródło

• Łowcy-zbieracze z Kaukazu (CHG)

• DNA mężczyzny sprzed 13 300 lat (Kotias, Gruzja)

• Należał do grupy, która oddzieliła się od przodków europejskich łowców-zbieraczy

~45 tys. lat temu, a od przodków

neolitycznych rolników ~25 tys. lat temu

• Ich potomkowie - Yamanya (lud pasterski) migrowali do Europy ~3000 p.n.e., stąd

wkład do genomów Europejczyków

• Duży udział u współczesnych mieszkańców Kaukazu

Różnorodność genetyczna człowieka

• Projekt “1000 genomów” – poszukiwanie różnic w genomach różnych ludzi (2500 osób)

• Wstępne dane (2012):

• 38 mln. miejsc zmiennych (SNP)

• 1,4 mln. indeli

• >14 000 większych delecji

• Więcej nukleotydów, niż w całym genomie drożdży

Projekt 1000 genomów

Czasy historyczne

• Badanie admiksji między

populacjami w czasie ostatnich 4000 lat na skalę świata

Czasy historyczne

http://admixturemap.paintmychromosomes.com

Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka

Przyczyna – szybka ekspansja populacji (seryjny efekt założyciela).

Analiza mtDNA Analiza nDNA

Migracje z Afryki

Gradient różnorodności

Nie tylko geny

Różnorodność genów i języków

Różnorodność języków

klasyfikacja oparta o fonemy

różnorodność fonemów

Atkinson, Science (2011) 332: 346-349

Różnorodność fonemów i

rozprzestrzenianie się języków