Эволюционная генетика человека -Human evolutionary genetics

Эволюционная генетика человека изучает, чем один человеческий геном отличается от другого человеческого генома, эволюционное прошлое, которое привело к возникновению человеческого генома, и его текущие эффекты. Различия между геномами имеют антропологические , медицинские , исторические и судебные последствия и приложения. Генетические данные могут дать важную информацию об эволюции человека .

Происхождение обезьян

Таксономические отношения гоминоидов . _

Биологи классифицируют людей , как и лишь несколько других видов , как человекообразных обезьян (виды семейства Hominidae ). Современные гоминиды включают два различных вида шимпанзе ( бонобо , Panpaniscus , и шимпанзе , Pantroglodytes ), два вида горилл ( западная горилла , Gorilla gorilla и восточная горилла , Gorilla graueri ) и два вида орангутангов . ( борнейский орангутанг , Pongo pygmaeus , и суматранский орангутанг , Pongo abelii ). Человекообразные обезьяны с семейством Hylobatidae гиббонов образуют надсемейство Hominoidea обезьян .

Обезьяны, в свою очередь, относятся к отряду приматов (>400 видов), наряду с обезьянами Старого Света , обезьянами Нового Света и другими. Данные как митохондриальной ДНК (мтДНК), так и ядерной ДНК (яДНК) указывают на то, что приматы принадлежат к группе Euarchontoglires вместе с Rodentia , Lagomorpha , Dermoptera и Scandentia . Это также подтверждается Alu-подобными короткими вкрапленными ядерными элементами (SINE), которые были обнаружены только у представителей Euarchontoglires.

Филогенетика

Филогенетическое дерево обычно получают из последовательностей ДНК или белков популяций. Часто митохондриальная ДНК или последовательности Y-хромосомы используются для изучения демографии древних людей. Эти однолокусные источники ДНК не рекомбинируют и почти всегда наследуются от одного родителя, только с одним известным исключением в мтДНК. Люди из более близких географических регионов, как правило, более похожи, чем люди из более отдаленных регионов. Расстояние на филогенетическом дереве можно приблизительно использовать для обозначения:

1. Генетическая дистанция . Генетическая разница между людьми и шимпанзе составляет менее 2%, или в три раза больше, чем разница среди современных людей (по оценкам, 0,6%).
2. Временная удаленность самого последнего общего предка. По оценкам, митохондриальный самый недавний общий предок современных людей жил примерно 160 000 лет назад, а последние общие предки человека и шимпанзе - примерно 5–6 миллионов лет назад.

Видообразование человека и африканских обезьян

Отделение людей от их ближайших родственников, не являющихся людьми африканских человекообразных обезьян (шимпанзе и горилл), активно изучается уже более века. Были рассмотрены пять основных вопросов:

• Какие человекообразные обезьяны являются нашими ближайшими предками?
• Когда произошли расставания?
• Какова была эффективная численность популяции общего предка до раскола?
• Имеются ли следы популяционной структуры (субпопуляции), предшествующие видообразованию, или частичная примесь, следующая за ним?
• Какие конкретные события (включая слияние хромосом 2a и 2b) происходили до и после разделения?

Общие наблюдения

Как обсуждалось ранее, разные части генома демонстрируют различное расхождение последовательностей у разных гоминоидов . Также было показано, что расхождение последовательностей ДНК человека и шимпанзе сильно различается. Например, расхождение последовательностей варьируется от 0% до 2,66% между некодирующими неповторяющимися областями генома человека и шимпанзе. Процент нуклеотидов в геноме человека (hg38), которые полностью совпадают с геномом шимпанзе (pantro6), составил 84,38%. Кроме того, деревья генов, полученные путем сравнительного анализа сегментов ДНК, не всегда соответствуют дереву видов. Подводя итог:

• Расхождение последовательностей значительно различается у людей, шимпанзе и горилл.
• Для большинства последовательностей ДНК люди и шимпанзе кажутся наиболее близкими родственниками, но некоторые указывают на кладу человек-горилла или шимпанзе-горилла .
• Геном человека секвенирован, как и геном шимпанзе. У людей 23 пары хромосом, а у шимпанзе , горилл и орангутангов — 24. Человеческая хромосома 2 представляет собой слияние двух хромосом 2a и 2b, которые остались отдельными у других приматов.

Время расхождения

Большой интерес представляет время расхождения человека от других человекообразных обезьян. В одном из первых молекулярных исследований, опубликованном в 1967 году, измерялись иммунологические расстояния (ID) между разными приматами. В основном исследование измеряло силу иммунологического ответа, который антиген одного вида (человеческий альбумин) индуцирует в иммунной системе другого вида (человека, шимпанзе, гориллы и обезьяны Старого Света ). Близкородственные виды должны иметь сходные антигены и, следовательно, более слабую иммунологическую реакцию на антигены друг друга. Иммунологический ответ вида на его собственные антигены (например, от человека к человеку) был принят за 1.

ID между людьми и гориллами был определен как 1,09, между людьми и шимпанзе был определен как 1,14. Однако расстояние до шести разных обезьян Старого Света в среднем составляло 2,46, что указывает на то, что африканские обезьяны более тесно связаны с людьми, чем с обезьянами. Авторы считают, что время расхождения между обезьянами Старого Света и гоминоидами составляет 30 миллионов лет назад (млн лет назад), основываясь на данных окаменелостей, и считается, что иммунологическое расстояние увеличивается с постоянной скоростью. Они пришли к выводу, что время расхождения людей и африканских обезьян составляет примерно ~ 5 млн лет назад. Это был удивительный результат. Большинство ученых в то время считали, что люди и человекообразные обезьяны разошлись намного раньше (> 15 млн лет назад).

Горилла с точки зрения ID была ближе к человеку, чем к шимпанзе; однако разница была настолько незначительной, что трихотомия не могла быть определена с уверенностью. Более поздние исследования, основанные на молекулярной генетике, смогли разрешить трихотомию: шимпанзе филогенетически ближе к людям, чем к гориллам. Однако некоторые времена расхождения, оцененные позже (с использованием гораздо более сложных методов молекулярной генетики), существенно не отличаются от самой первой оценки в 1967 году, но в недавней статье они оцениваются в 11–14 млн лет назад.

Время расхождения и эффективный размер предковой популяции

Последовательности сегментов ДНК расходятся раньше, чем виды. Большой эффективный размер популяции предков (слева) сохраняет различные варианты сегментов ДНК (= аллели) в течение более длительного периода времени. Следовательно, в среднем время дивергенции генов (t _A для сегмента ДНК A; t _B для сегмента ДНК B) будет больше отклоняться от времени дивергенции видов (t _S ) по сравнению с небольшим эффективным размером предковой популяции (справа).

Современные методы определения времени расхождения используют выравнивание последовательностей ДНК и молекулярные часы . Обычно молекулярные часы откалиброваны, предполагая, что орангутанг отделился от африканских обезьян (включая людей) 12-16 млн лет назад. Некоторые исследования также включают некоторых обезьян Старого Света и устанавливают время их расхождения от гоминоидов до 25-30 млн лет назад. Обе точки калибровки основаны на очень небольшом количестве ископаемых данных и подверглись критике.

Если эти даты будут пересмотрены, время расхождения, оцененное по молекулярным данным, также изменится. Однако маловероятно, что относительное время расхождения изменится. Даже если мы не можем точно определить абсолютное время расхождения, мы можем быть уверены, что время расхождения между шимпанзе и человеком примерно в шесть раз короче, чем между шимпанзе (или людьми) и обезьянами.

В одном исследовании (Takahata et al. , 1995) использовали 15 последовательностей ДНК из разных областей генома человека и шимпанзе и 7 последовательностей ДНК человека, шимпанзе и гориллы. Они определили, что шимпанзе более тесно связаны с людьми, чем гориллы. Используя различные статистические методы, они оценили время расхождения человека и шимпанзе в 4,7 млн ​​лет назад, а время расхождения между гориллами и людьми (и шимпанзе) в 7,2 млн лет назад.

Кроме того, они оценили эффективный размер популяции общего предка человека и шимпанзе примерно в 100 000 человек. Это было несколько неожиданно, поскольку эффективная численность людей в настоящее время оценивается примерно в 10 000 человек. Если это правда, это означает, что человеческая линия претерпела бы огромное уменьшение эффективного размера популяции (и, следовательно, генетического разнообразия) в своей эволюции. (см. теорию катастрофы Тоба )

А и В - два разных локуса . На верхнем рисунке они соответствуют дереву видов. ДНК, присутствующая у сегодняшних горилл, ранее отличалась от ДНК, присутствующей у современных людей и шимпанзе. Таким образом, оба локуса должны быть более похожи между человеком и шимпанзе, чем между гориллой и шимпанзе или гориллой и человеком. На нижнем графике локус А имеет более позднего общего предка у человека и гориллы по сравнению с последовательностью шимпанзе. В то время как шимпанзе и горилла имеют более позднего общего предка для локуса B. Здесь деревья генов несовместимы с деревом видов.

В другом исследовании (Chen & Li, 2001) секвенировали 53 неповторяющихся межгенных сегмента ДНК человека , шимпанзе , гориллы и орангутанга . Когда последовательности ДНК были объединены в одну длинную последовательность, сгенерированное дерево соединения соседей поддерживало кладу Homo - Pan со 100% начальной загрузкой (то есть люди и шимпанзе являются ближайшими родственными видами из четырех). Когда три вида довольно тесно связаны друг с другом (например, человек, шимпанзе и горилла), деревья, полученные из данных о последовательности ДНК, могут не совпадать с деревом, представляющим видообразование (дерево видов).

Чем короче межузловой промежуток времени (T _IN ), тем чаще встречаются неконгруэнтные генные деревья. Эффективный размер популяции (N _e ) межузловой популяции определяет, как долго генетические линии сохраняются в популяции. Более высокий эффективный размер популяции приводит к большему количеству неконгруэнтных генных деревьев. Следовательно, если межузловой интервал времени известен, можно рассчитать эффективную численность предков общего предка человека и шимпанзе.

Когда каждый сегмент был проанализирован отдельно, 31 человек поддерживал кладу Homo - Pan , 10 поддерживал кладу Homo - Gorilla и 12 поддерживал кладу Pan - Gorilla . Используя молекулярные часы, авторы подсчитали, что гориллы разделились сначала 6,2–8,4 млн лет назад, а шимпанзе и люди разделились 1,6–2,2 миллиона лет спустя (межузловой промежуток времени) 4,6–6,2 млн лет назад. Межузловой промежуток времени полезен для оценки наследственного эффективного размера популяции общего предка человека и шимпанзе.

Экономный анализ показал, что 24 локуса поддерживают кладу Homo - Pan , 7 поддерживают кладу Homo - Gorilla , 2 поддерживают кладу Pan - Gorilla и 20 не дали разрешения. Кроме того, они взяли 35 локусов, кодирующих белок, из баз данных. Из них 12 поддержали кладу Homo - Pan , 3 - кладу Homo - Gorilla , 4 - кладу Pan - Gorilla и 16 не дали разрешения. Следовательно, только ~ 70% из 52 локусов, которые дали разрешение (33 межгенных, 19 кодирующих белок), поддерживают «правильное» дерево видов. Из доли локусов, которые не поддерживали дерево видов, и межузлового промежутка времени, который они оценили ранее, эффективная популяция общего предка человека и шимпанзе оценивается примерно в 52 000–96 000 человек. Это значение не так велико, как это из первого исследования (Такахата), но все же намного выше, чем современная эффективная численность популяции людей.

В третьем исследовании (Yang, 2002) использовался тот же набор данных, что и Чен и Ли, но с использованием другого статистического метода оценивалась эффективная наследственная популяция «всего» от 12 000 до 21 000 человек.

Генетические различия между людьми и другими человекообразными обезьянами

Выравниваемые последовательности в геномах человека и шимпанзе различаются примерно на 35 миллионов однонуклеотидных замен. Кроме того, около 3% полных геномов отличаются делециями, вставками и дупликациями.

Поскольку частота мутаций относительно постоянна, примерно половина этих изменений произошла в человеческой родословной. Лишь очень небольшая часть этих фиксированных различий привела к различным фенотипам людей и шимпанзе, и найти их — большая проблема. Подавляющее большинство различий нейтральны и не влияют на фенотип .

Молекулярная эволюция может действовать по-разному, через эволюцию белков, потерю генов, дифференциальную регуляцию генов и эволюцию РНК. Считается, что все они сыграли определенную роль в эволюции человека.

Потеря гена

Многие различные мутации могут инактивировать ген, но немногие из них меняют его функцию определенным образом. Таким образом, инактивационные мутации будут легко доступны для воздействия отбора. Таким образом, потеря генов может быть обычным механизмом эволюционной адаптации (гипотеза «меньше значит больше»).

80 генов были потеряны в человеческой линии после отделения от последнего общего предка с шимпанзе. 36 из них были для обонятельных рецепторов . Гены, участвующие в хеморецепции и иммунном ответе, перепредставлены. Другое исследование показало, что 86 генов были потеряны.

Ген кератина волос KRTHAP1

Ген кератина волос типа I был утерян в человеческой родословной. Кератин является основным компонентом волос. У людей все еще есть девять функциональных генов кератина волос типа I, но потеря этого конкретного гена могла вызвать истончение волос на теле человека. Основываясь на предположении о постоянных молекулярных часах, исследование предсказывает, что потеря гена произошла относительно недавно в ходе эволюции человека — менее 240 000 лет назад, но и последовательность неандертальца Виндии, и денисовская последовательность с высоким покрытием содержат те же преждевременные стоп-кодоны, что и современные. человек и, следовательно, датировка должна быть больше, чем 750 000 лет назад.

Ген миозина MYH16

Стедман и др. (2004) заявили, что потеря саркомерного миозинового гена MYH16 в человеческой линии привела к уменьшению жевательных мышц . Они подсчитали, что мутация, которая привела к инактивации (делеция двух пар оснований), произошла 2,4 миллиона лет назад, до появления Homo ergaster /erectus в Африке. Последующий период был отмечен сильным увеличением объема черепа , что способствовало предположению, что потеря гена, возможно, устранила эволюционное ограничение размера мозга у представителей рода Homo .

По другой оценке, потеря гена MYH16 произошла 5,3 миллиона лет назад, задолго до появления Homo .

Другой

• CASPASE12 , цистеиниласпартатпротеиназа. Предполагается, что потеря этого гена снизила смертность от бактериальной инфекции у людей.

Добавление гена

Сегментарные дупликации (SD или LCR ) сыграли роль в создании новых генов приматов и формировании генетической изменчивости человека.

Вставки ДНК, специфичные для человека

Когда геном человека сравнили с геномами пяти сравниваемых видов приматов, включая шимпанзе , гориллу , орангутанга , гиббона и макаку, было обнаружено, что существует примерно 20 000 специфичных для человека вставок, которые считаются регуляторными. В то время как большинство вставок кажутся нейтральными по отношению к приспособленности, небольшое количество было идентифицировано в положительно отобранных генах, демонстрирующих ассоциации с нервными фенотипами, а некоторые - с фенотипами, связанными с зубами и сенсорным восприятием. Эти результаты намекают на, казалось бы, важную роль специфичных для человека вставок в недавней эволюции человека.

Давление отбора

Ускоренные области человека - это области генома, которые различаются между людьми и шимпанзе в большей степени, чем это можно объяснить генетическим дрейфом за время, прошедшее с тех пор, как у этих двух видов был общий предок. Эти регионы демонстрируют признаки того, что они подвержены естественному отбору, что привело к эволюции явно человеческих черт. Двумя примерами являются HAR1F , который, как полагают, связан с развитием мозга, и HAR2 (также известный как HACNS1 ), который, возможно, сыграл роль в развитии противопоставленного большого пальца .

Также было высказано предположение, что большая часть различий между людьми и шимпанзе связана с регуляцией экспрессии генов , а не с различиями в самих генах. Анализы консервативных некодирующих последовательностей , которые часто содержат функциональные и, таким образом, положительно отобранные регуляторные области, учитывают эту возможность.

Последовательность расхождения между людьми и обезьянами

Когда черновая последовательность генома обыкновенного шимпанзе ( Pan troglodytes ) была опубликована летом 2005 года, 2400 миллионов оснований (из ~ 3160 миллионов оснований) были секвенированы и собраны достаточно хорошо, чтобы их можно было сравнить с геномом человека. 1,23% этого секвенирования отличались однонуклеотидными заменами. Считалось, что из них 1,06% или менее представляют собой фиксированные различия между видами, а остальные представляют собой варианты участков у людей или шимпанзе. Различия другого типа, называемые вставками /делециями, составляют гораздо меньше различий (на 15 % больше), но вносят около 1,5 % уникальной последовательности в каждый геном, поскольку каждая вставка или делеция может включать от одного основания до миллионов базы.

В сопутствующей статье исследованы сегментарные дупликации в двух геномах, вставки и делеции которых в геном составляют большую часть последовательности indel. Они обнаружили, что в общей сложности 2,7% эухроматической последовательности были дифференциально продублированы в той или иной линии.

Расхождение в последовательности обычно имеет следующий образец: человек-шимпанзе < человек-горилла << человек-орангутанг, что подчеркивает близкое родство между людьми и африканскими обезьянами. Элементы Alu быстро расходятся из-за высокой частоты динуклеотидов CpG , которые мутируют примерно в 10 раз чаще, чем средний нуклеотид в геноме. Частота мутаций выше в мужской зародышевой линии , поэтому расхождение в Y-хромосоме , которая наследуется исключительно от отца, выше, чем в аутосомах . Х - хромосома наследуется в два раза чаще через женскую зародышевую линию, чем через мужскую зародышевую линию, и, следовательно, показывает несколько меньшее расхождение последовательностей. Расхождение последовательностей области Xq13.3 между людьми и шимпанзе удивительно низкое.

Наименее распространены мутации, изменяющие аминокислотную последовательность белков (К _{а ).} На самом деле ~ 29% всех ортологичных белков у человека и шимпанзе идентичны. Типичный белок отличается всего двумя аминокислотами. Показатели расхождения последовательностей, показанные в таблице, учитывают только различия в замещении, например, от A ( аденина ) до G ( гуанина ). Однако последовательности ДНК также могут различаться вставками и делециями ( вставками ) оснований. Обычно они удаляются из выравниваний до того, как будет выполнен расчет расхождения последовательностей.

Генетические различия между современными людьми и неандертальцами

Международная группа ученых завершила предварительную расшифровку генома неандертальца в мае 2010 года. Результаты указывают на некоторое скрещивание между современными людьми ( Homo sapiens ) и неандертальцами ( Homo neanderthalensis ) , поскольку геномы неафриканских людей имеют на 1–4% больше общего с неандертальцами, чем геномы африканцев южнее Сахары. Неандертальцы и большинство современных людей имеют общий вариант гена лактазы , не переносящий лактозу , который кодирует фермент, неспособный расщеплять лактозу в молоке после отъема. Современные люди и неандертальцы также имеют общий вариант гена FOXP2 , связанный с развитием мозга и речью у современных людей, что указывает на то, что неандертальцы могли говорить. У шимпанзе есть два различия аминокислот в FOXP2 по сравнению с человеком и неандертальцем FOXP2.

Генетические различия среди современных людей

Считается, что H. sapiens появился около 300 000 лет назад. Он рассеялся по Африке, а после 70 000 лет назад по всей Евразии и Океании. Исследование 2009 года выявило 14 «кластеров исконного населения», самым удаленным из которых является народ сан в Южной Африке.

С их быстрым распространением в различных климатических зонах и особенно с наличием новых источников пищи с одомашниванием крупного рогатого скота и развитием сельского хозяйства человеческие популяции подвергались значительному избирательному давлению с момента их рассредоточения. Например, было обнаружено, что выходцы из Восточной Азии отделены от европеоидов рядом концентрированных аллелей, указывающих на давление отбора, включая варианты генов EDAR , ADH1B , ABCC1 и ALDH2 . В частности, восточноазиатские типы ADH1B связаны с одомашниванием риса и, таким образом, возникли после развития выращивания риса примерно 10 000 лет назад. Несколько фенотипических черт, характерных для выходцев из Восточной Азии, обусловлены единственной мутацией гена EDAR , датируемой c. 35 000 лет назад.

По состоянию на 2017 год в базе данных полиморфизма одиночных нуклеотидов ( dbSNP ), в которой перечислены SNP и другие варианты, всего 324 миллиона вариантов, обнаруженных в секвенированных геномах человека. Нуклеотидное разнообразие , средняя доля нуклеотидов, которые различаются между двумя людьми, оценивается от 0,1% до 0,4% для современных людей (по сравнению с 2% между людьми и шимпанзе). Это соответствует геномным различиям в нескольких миллионах участков; Проект « 1000 геномов» аналогичным образом обнаружил, что «типичный [индивидуальный] геном отличается от эталонного генома человека от 4,1 до 5,0 миллионов участков… затрагивая 20 миллионов оснований последовательности».

В феврале 2019 года ученые обнаружили доказательства, основанные на генетических исследованиях с использованием искусственного интеллекта (ИИ), которые предполагают существование неизвестного вида предков человека, а не неандертальца , денисовца или человеческого гибрида (например, Денни (гибридный гоминин) ) , в геноме современные люди .

Научные исследования

В марте 2019 года китайские ученые сообщили о вставке гена MCPH1, связанного с мозгом человека, в лабораторных макак-резусов , в результате чего трансгенные обезьяны стали лучше работать и быстрее отвечать на «тесты кратковременной памяти, включающие соответствие цветам и формам», по сравнению с контрольными нетрансгенными обезьянами. обезьяны, по словам исследователей.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

• Джоблинг, Марк А .; Холлокс, Эдвард; Херлс, Мэтью; Кивисильд, Тоомас; Тайлер-Смит, Крис (2013). Эволюционная генетика человека . Нью-Йорк: Гарланд Наука. ISBN 978-0-8153-4148-2. OCLC  829099073 .
• Раннала Б., Ян З. (август 2003 г.). «Байевская оценка времени расхождения видов и размеров предковой популяции с использованием последовательностей ДНК из нескольких локусов» . Генетика . 164 (4): 1645–1656. doi : 10.1093/генетика/164.4.1645 . ПМС  1462670 . PMID  12930768 .

внешние ссылки

• Предки человека могли скрещиваться с шимпанзе