Genomika i ewolucja człowieka
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 Europydaty 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
Przodkowie?
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 różnychkontynentach
•
Następowała wymiana genetyczna (ciągłość) między populacjami regionalnymiModel OAR
(Out of Africa Replacement)
Model OAR
•
“Out of Africa” – “Pożegnanie z Afryką”•
Ok. 200 000 lat temu jedna z populacji przodkówczłowieka (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 migrantówBadania mtDNA
•
mtDNA jest wysoce zmienny, zwłaszcza w obszarach niekodujących (pętla D)•
Ponieważ mtDNA dziedziczy się jako jednajednostka 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 wktórymś momencie
•
Ostatni wspólny przodek wszystkich ludzi żyłstosunkowo niedawno (~200 tys. lat temu) w Afryce, był to człowiek współczesny (H. sapiens)
•
Hominidy, które wcześniej opuszczały Afrykę to nie nasi przodkowie, tylko boczne linieDane 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 innychPodejście 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 danychPodejście genomowe
•
Trudniejsze w analizie, ale więcej informacji•
Jedyny sposób analizy admiksji - przepływu informacji międzypopulacjami
•
Przejście od analizy drzew pojedynczych genów do analiz dla wieluniesprzężonych 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 przodkamiEuropejczyków, czy krzyżowali się z ludźmi?
Genom Neandertalczyka
•
Zsekwencjonowano fragmenty mtDNA z kilku próbek (1997)•
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 wewnątrzpopulacyjneNeandertalczyka jest niewielkie, podobnie jak u ludzi
Analizy nDNA
Analiza DNA genomowego
•
Rozejście się linii człowieka i Neandertalczykaznacznie 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 polimorfizmówodpowiadających 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 zNeandertalczykami
•
Wkład N. w genom człowieka jest bardzo niewielki•
Brak śladów wkładu człowieka do genomu N.Scenariusze
•
To, że podobieństwo N. doEuropejczyków, 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 zkrzyżowania z populacją natywną
Nie tylko Neandertalczyk
•
Szczątki z jaskini Denisowa (Ałtaj)•
WspółcześniNeandertalczykom
•
Prawdopodobnie grupa siostrzana•
Ślady krzyżowania zludzkimi migrantami w populacjach Oceanii
•
Epizody krzyżowaniapodczas 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, niżNeandertalczyków
• 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 zpierwszych fal migracji z Afryki, wyginęła
•
~2% admiksji neandertalskiej, porównywalnie zewspółczesnymi populacjami nieafrykańskimi
Admiksja i adaptacja
•
Genetyczne podłożeadaptacji do życia na dużych wysokościach u
Tybetańczyków - warianty genu EPAS1 (szlak hipoksji)
•
Związane z konkretnymhaplotypem EPAS1, częstym u Tybetańczyków, rzadkim u Chińczyków Han
•
Haplotyp ten występuje w sekwencji DenisowianDenisova
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 YBPPotomkowie pierwszych Europejczyków?
•
Wszystkie europejskie populacje są mieszanką potomkówpopulacji pre-neolitycznych
(łowcy-zbieracze) i neolitycznych (rolnicy)
•
Dowody na ciągłość populacyjną w linii żeńskiej (mtDNA) odczasów 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 EuropejczykówEuropejska mozaika
Europejska mozaika
•
Gradient WHG-EEF odzwierciedla migrację EEF do Europy•
Udział ANE największy w Europie północnej i środkowejhttp://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 potomkowiemieszkańców Syberii wschodniej oraz migrantów z Syberii
Zachodniej i Europy (MA1)
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 drożdżyProjekt 1000 genomów
Czasy historyczne
•
Badanie admiksji między populacjami w czasie ostatnich 4000 lat na skalę świataCzasy historyczne
http://admixturemap.paintmychromosomes.com
Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka
Przyczyna – szybka ekspansja populacji (seryjny efekt założyciela).
Analiza mtDNA Analiza nDNA
Problem ras ludzkich
•
Zagadnienie zmienności genetycznej człowieka•
Czy biologia uzasadnia podziały rasowe?Nott JC i Gliddon GR (1868) Indigenous Races of the Earth
Georges 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”Zagadnienie ras ludzkich
•
Argument Lewontina (1972)•
zmienność wewnątrz grup większa niż między grupami•
cechy jednoznacznie odróżniające “rasy” - ~6%zmienności
Kontrargument Edwardsa (2003)
•
Analiza Lewontina dotyczyłapojedynczych genów
•
Korelacja zmienności dla większej liczbygenów pozwala na
rozróżnianie populacji z różnych kontynentów
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
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 biologicznie różnice predyspozycji fizycznych na poziomie “ras”•
niekiedy są na poziomie mniejszych populacji•
nie ma dowodów na różnice w cechach “charakteru”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