Ewolucja człowieka
Ślady w ziemi i ślady w genach 2
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
Genom szympansa i genom
człowieka
Różnice ewolucyjne
•
Nowe geny•
Utrata genów•
Zmiany liczby kopii (paralogów) genów•
Zmiany w genach (mutacje)•
Zmiany w ekspresjiSkład genomu człowieka i szympansa
•
Ogromna większość genów człowieka występuje u szympansa i vice versa•
Człowiek utracił niektóre geny (np. receptorówwęchowych), niektóre zyskał (Morpheus – nieznana funkcja, miR-941 - miRNA)
•
Nie da się przypisać różnic między człowiekiem aszympansem obecności/nieobecności specyficzego
“genu człowieczeństwa”
Różnice na poziomie sekwencji
•
Do 5% genomu (uwzględniając rearanżacje i zmiany liczby kopii genów), w tym ~40 milionówpodstawień nukleotydowych (~1,5%)
Różnice na poziomie białek
•
Przeciętne białko ludzkie różni się 2 aminokwasami od szympansiego odpowiednika•
29% białek jest identycznych•
Sekwencja to nie wszystko (regulacja!)Nowe geny
•
~50-60 potencjalnych nowych genów•
W większości niepotwierdzona funkcjaUtrata genów
•
Liczne przypadki specyficznej utraty genu w linii człowieka•
liczne receptory węchowe•
jedna z keratyn, ok. 240 tys. lat temu•
owłosienie?•
sekwencja regulatorowa genu AR (receptor androgenu)•
kolczyste wyrostki penisa, wibrysykot
Utrata genów
•
Liczne przypadki specyficznej utraty genu w linii człowieka•
sekwencja regulatorowa genu GADD45G•
hamuje podziały komórek, u człowieka nie jest aktywny w mózgu•
nadmiernie aktywny u niektórych chorych na psychozy i autyzmMutacje i dobór naturalny
•
Efekty działania mutacji obserwujemy pośrednio•
różnice sekwencji między populacjami (gatunkami)•
polimorfizm sekwencji w obrębie populacji•
Na allele wytworzone przez mutacje może działać dobór•
Za zmiany częstości powstających alleli może odpowiadać dryf genetyczny•
Obserwujemy mutacje utrwalone całkowicie lub częściowo (polimorfizmy) w puli genowejJak szukać śladów działania doboru
•
Większość sekwencji genów zmienia sięjednostajnie, w tempie wyznaczanym przez eliminację mutacji niekorzystnych – “zegar molekularny”
•
Odstępstwa od jednostajnego tempa w określonej gałęzi – dobór specyficzny dla tej gałęziRównomierne tempo
zmian Przyspieszone zmiany Spowolnione zmiany
Różnice w genach
•
Około 500-600 genów – znaczące odchylenia od zegara molekularnego (sugeruje odstępstwa od neutralności)•
Około 200 obszarów regulatorowych oprzyspieszonej ewolucji w linii człowieka (HAR – Human Accelerated Regions)
Zmiany genów – „gen mowy”
•
Dyspraksja werbalna (Gopnik, 1990)•
Rzadka choroba dziedziczna objawiająca się zaburzeniami mowy (czynnej i biernej)•
Brak wyraźnego zaburzenia innych funkcji poznawczychGen FOXP2 (2001)
FOXP2
•
Gen koduje czynnik transkrypcyjny - białko regulujące działanie innych genów•
Niezbędny do rozwoju mózgu, niezbędny do życia•
Chorzy z dyspraksją werbalną mają tylko niewielką zmianę (mutację) w tym genieEnard et al. (2002) Nature 418, 869-72
FOXP2 – szybka ewolucja
Nie tylko u ludzi
•
Ekspresja FOXP2 koreluje ze złożonością śpiewu ptaków (zdolność uczenia się głosów i imitacji)•
Uszkodzenie FOXP2 zaburza zdolność komunikacji głosowej u myszy (a także uczeniesensomotoryczne)
Czy Neandertalczyk potrafił mówić
•
Sekwencja FOXP2 taka, jak u Homo sapiens•
Mutacja sekwencji regulatorowej GADD45G - też podobnie, jak u człowiekaMYH16
•
Jedna z form łańcucha ciężkiego miozyny•
Mutacja ok. 2,5 mln lat temu – związek zewolucją kształtu czaszki – osłabienie mięśni
szczęki, zmniejszenie twarzoczaszki, wzrost mózgoczaszki
Geny mikrocefaliny
Chory 13 lat Zdrowy 11 lat
Szybka ewolucja genu u człowieka
Podobnie inne geny powiązane z mikrocefalią (ASPM, CDK5RAP2, MCPH1)
Mikrocefalia
Kouprina et al., PLoS Biology, 2004, 5:E126
HACNS1 - element regulatorowy
•
Enhancer HACNS1 (Human Accelerated Conserved Noncoding Sequence 1)•
Sekwencja 546bp konserwowana u kręgowców lądowych•
16 zmian po rozdzieleniu linii szympans-człowiek (vs. 4 oczekiwane przy założeniu neutralności, p=1,3×10-6)Prabhakar et al., 2008, Science 321:1346-50
Co kontroluje sekwencja HACNS1?
•
Wprowadzono gen reporterowy pod kontrolą HACNS1 ihomologów z szympansa i rezusa do myszy
transgenicznych
•
Tylko ludzki HACNS1 wykazuje silną ekspresję specyficzną dla zawiązków dłoni i stóp•
Specyficznie ludzkie cechy budowy dłoni•
Specyficznie ludzkie cechy budowy stópPrabhakar et al., 2008, Science 321:1346-50
miR-941
miRNA - cząsteczki RNA regulujące działanie genów
miR-941
•
Gen miRNA, występuje tylko u człowieka•
ten jest jedynym o wysokiej ekspresji w CNS•
Pojawił się między 6-7 a 1 milion lat temu•
występuje już u Denisovian, ale nie u szympansa•
Liczba kopii u człowieka jest zmienna (2-11)•
w toku ewolucji po wyjściu z Afryki malałamiR-941 – ewolucja liczby kopii
Podsumowanie
•
Nie ma jednego, czy kilku “genów człowieczeństwa”•
Za różnice między ludźmi a innymi gatunkamiodpowiada kumulacja wielu, pozornie niewielkich, różnic
•
Niewielkie zmiany sekwencji mogą pociągać znaczne zmiany fenotypowe•
Istotne są też różnice na poziomie regulacji – trudniejsze do zbadaniaTriumf Darwina
•
Ewolucja cech specyficznie ludzkich była związana z szeregiem cząstkowych zmian dotykającychróżnych genów
•
Koncepcja Darwina wyrażona językiem genomiki porównawczej!“różnica między
człowiekiem a innymi
zwierzętami ma charakter ilościowy, a nie jakościowy”
Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka
Przyczyna – szybka ekspansja populacji (seryjny efekt założyciela).
Analiza mtDNA Analiza nDNA
Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka
Kassemann & Pääbo, 2002, J. Int. Med. 251:1-18
Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka
Kassemann & Pääbo, 2002, J. Int. Med. 251:1-18
Problem ras ludzkich
•
Zagadnienie zmienności genetycznej człowieka•
Czy biologia uzasadnia podziały rasowe?Nott JC i Gliddon GR (1868) Indigenous Races of the Earth
Poligenizm i monogenizm
•
Monogenizm - wszyscy ludzie pochodzą od jednej pary przodków•
różnice rasowe jako skutek “degeneracji”•
Poligenizm - wiele par przodków•
polifiletyzm - odrębne gatunki•
nieortodoksyjne interpretacje Księgi Rodzaju (wielu Adamów, itp.)•
w kontekście naukowym od XVIII w.•
np. Voltaire, David HumeJohann Friedrich Blumenbach
•
1775 - De generis humani varietate nativa•
5 ras•
kaukaska•
mongolska•
malajska•
etiopska•
amerykańska•
Nie uważał żadnej rasy za “gorszą” co do zdolności•
Adam i Ewa byli rasy kaukaskiej i pochodzili z AzjiGeorges Cuvier
•
Tableau élémentaire de l'histoire naturelle des animaux (1798)•
podział ludzkości na trzyrasy: kaukaską, mongolską i etiopską
•
Adam i Ewa byli rasy kaukaskiej•
“rasa biała przewyższa inne pod względem geniuszu, odwagi i aktywności”Arthur de Gobineau
•
Essai sur l'inégalité des races humaines (1853)•
Twórca koncepcji “rasy aryjskiej”A Darwin?
•
Używał terminu “rasa”wobec odmian zwierząt i roślin
•
U człowiekarozróżnienie kulturowe, a nie biologiczne
•
“dzicy” i “cywilizowani”•
Podkreślał, że człowiek to jeden gatunekDarwin o rasach
•
“It may be doubted whether any character can be named, which is distinctive of a race and isconstant ... they graduate into each other, and ... it is hardly possible to discover clear, distinctive characters between them ... “
•
“There is, however, no doubt that the various races, when carefully compared and measured, differ much from each other"Inni wcześni ewolucjoniści
•
Darwin uważał, że wszyscy ludzie mają wspólne ewolucyjne pochodzenie•
większość zwolenników Darwina podzielała ten pogląd•
Alfred R. Wallace - różnice między rasami pojawiłysię tuż po powstaniu człowieka (czyli są “od zawsze”)
•
Ernst Haeckel - różne rasy powstały niezależnie z przedludzkich “podludzi” (Urmenschen)•
August Schleicher - różne grupy języków powstały niezależnie•
Henry F. Osborn (1916) - czarni i biali pochodzą od różnych gatunków naczelnychZagadnienie ras ludzkich
•
Argument Lewontina (1972)•
zmienność wewnątrz grup większa niż między grupami kontynentalnymi•
85% zmienności wewnątrz grup•
cechy jednoznacznie odróżniające “rasy” - ~6%zmienności
Kontrargument Edwardsa (2003)
•
Analiza Lewontinadotyczyła pojedynczych genów
•
Korelacja zmienności dla większej liczby genówpozwala na rozróżnianie populacji z różnych
kontynentów
•
Przy zastosowaniumetody zakładającej
podział na zadaną liczbę grup
Zmienność a rasy
•
Istnieją cechy, których zmienność wykazuje korelację (kowariancja)•
nie tworzą wyraźnych zgrupowań, tylkogradienty
•
nie dzielą na tradycyjnie pojmowane rasy•
dają różne wynikizależnie od wybranych do analizy genów
Różne cechy - różne podziały
Zagadnienie ras ludzkich
•
Tradycyjne podziały rasowe oparte na cechach,które nie są dobrą miarą różnorodności genetycznej
•
kolor skóry (~6 genów), kształt nosa i oczu – wpływ doboruRasy a taksonomia
•
Przy analiziegenetycznej wszystkie populacje spoza Afryki są odgałęzieniem
jednej z grup afrykańskich
•
Różnorodnośćnajwiększa w Afryce
Różne geny - różne historie
mtDNA chr. Y
Zagadnienie ras ludzkich
•
Zmienność i zróżnicowanie genetyczne to fakt•
Istnieją genetyczne wyróżniki poszczególnych populacji, związane z ich historią•
Łączenie różnych populacji w duże zgrupowania na podstawie koloru skóry, zamieszkiwanegokontynentu itp. nie ma sensu biologicznego
•
Współcześni biolodzy mówiąc o “rasach” w istocie mówią o zróżnicowaniu genetycznym, które ma charakter ciągły•
Patrz:•
http://raceandgenomics.ssrc.org/Zagadnienie ras
•
Zmienność genetyczna jest faktem - ma charakter ciągły•
Ustalanie absolutnych granic jest arbitralne - rasy to konstrukt społeczny, a nie biologiczny•
Rasy u zwierząt odpowiadają znacznie większym różnicom między osobnikami, niż u człowieka•
Nie ma dowodów na determinowane genetycznie różnice predyspozycji biologicznych na poziomie“ras”
