Ewolucja i zmienność cz owieka. Droga do medycyny ewolucyjnej

Transkrypt

1 Ewolucja i zmienność cz owieka Droga do medycyny ewolucyjnej 1

2 2 Ewolucja i historia cz owieka

3 Naczelne - filogeneza Gibon Orangutan Goryl Bonobo Szympans Człowiek Człowiek Szympans Goryl Orangutan Gibon Makak milionów lat temu Makak 3 Orangutan Goryl Bonobo Szympans Człowiek

4 Historia cz owieka } Antropologia molekularna } Badanie współczesnego DNA pozwala na odtworzenie przebiegu ewolucji człowieka } DNA antyczny dostarcza dodatkowych, lecz fragmentarycznych danych } Projekt sekwencjonowania genomu neandertalczyka 4

5 Ponad milion lat temu 5

6 Hipoteza multiregionalna = hipoteza ciąg ości regionalnej 6

7 Hipoteza multiregionalna } Przodkowie człowieka, którzy opuścili Afrykę ponad milion lat temu ewoluowali na różnych kontynentach } Następowała wymiana genetyczna (ciągłość) między populacjami regionalnymi 7

8 Model OAR (czyli Out of Africa Replacement) 8

9 Model OAR } Out of Africa Pożegnanie z Afryką } Ok 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 9

10 Badania mtdna } mtdna jest wysoce polimorficzny, zwłaszcza w obszarach niekodujących (pętla D) } Ponieważ mtdna dziedziczy się jako jedna jednostka genetyczna (brak lub rzadka rekombinacja, dziedziczenie tylko od matki) określone układy polimorfizmów dziedziczą się razem haplotypy } Haplogrupy (zbiory haplotypów o określonych wspólnych polimorfizmach) korelują z historią populacji ludzkich narzędzie w antropologii, kryminalistyce itp. 10

11 Drzewo i dystrybucja haplotypów mtdna 11

12 Dystrybucja haplotypów chromosomu Y Jobling & Tyler-Smith (2003) Nature Rev. Genet. 4,

13 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) lat } Wyniki wspierają hipotezę OAR (niedawne afrykańskie pochodzenie ludzi) 13

14 14

15 Neandertalczyk } } } } Żył w Europie i środkowo-zachodniej Azji jeszcze ok lat temu Linie człowieka i neandertalczyka rozdzieliły się ~ lat temu Pojawił się w Europie wcześniej, niż H. sapiens (wcześniejsza migracja) Kultura (pochówki), narzędzia, prawdopodobnie mowa Wikimedia commons, Anthropological Institute, University of Zürich 15

16 Analiza DNA genomowego } Rozejście się linii człowieka i Neandertalczyka znacznie wcześniejsze niż ekspansja człowieka z Afryki - N. nie był naszym przodkiem

17 Analiza polimorfizmów } 30% z ~1100 SNP - u Neandertalczyka allel nowy, taki jak u człowieka - więcej, niż w teorii powinno być } Np. wariant FOXP2 Neandertalczyka taki, jak człowieka } Większa dywergencja chromosomu X Neandertalczyka } Możliwe mieszanie przodków ludzi i Neandertalczyków

18 Wyniki analizy genomu z 2010 } Potwierdzenie, że ostateczna dywergencja populacji ~ tys. lat temu } Analiza polimorfizmów Neandertalczyk bardziej podobny do mieszkańców Eurazji, niż Afryki 18

19 Czy cz owiek i Neandertalczyk się krzyżowali? } Większe podobieństwo do mieszkańców Eurazji niż Afryki } ok. 4% genomów Eurazji z polimorfizmami podobnymi do Neandertalczyka } Prawdopodobnie dochodziło do krzyżowania przodków mieszkańców Eurazji z Neandertalczykami } Wkład Neandertalczyka w genom człowieka jest bardzo niewielki } Brak śladów wkładu człowieka do genomu Neandertalczyka 19

20 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 } Nie można wykluczyć scenariusza 4 } Do krzyżowania dochodziło bardzo rzadko niewielki wkład } efekt fali szybka ekspansja populacji kolonizującej wzmacnia wkład z krzyżowania z populacją natywną 20

21 Wnioski } Model OAR zasadniczo utzrymany, ale nie taki prosty, jak się zdawało } Mogło dochodzić do krzyżowania się migrantów z populacjami osiadłymi wcześniej } Nie potwierdziły się koncepcje, że np. dominujący w Eurazji allel mikrocefaliny pochodzi od Neandertalczyka } Geny, które podlegały selekcji po rozdzieleniu człowieka i Neandertalczyka } dużo np. związanych z układem odpornościowym } wiele genów wiązanych z dziedzicznymi upośledzeniami umuysłowymi 21

22 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. 22

23 Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka Analiza mtdna Analiza ndna Przyczyna szybka ekspansja populacji 23

24 Genom szympansa i genom cz owieka 24 Homo sapiens ~ 99.9% identyczności Homo sapiens i Pan troglodytes ~ 99.0% identyczności

25 Różnice ewolucyjne } Nowe geny } Utrata genów } Zmiany liczby kopii (paralogów) genów } Zmiany w genach (mutacje) } Zmiany w ekspresji 25

26 Sk ad genomu cz owieka i szympansa } Ogromna większość genów człowieka występuje u szympansa i vice versa } Człowiek utracił niektóre geny (np. receptorów węchowych), niektóre zyskał (Morpheus nieznana funkcja) } Nie da się przypisać różnic między człowiekiem a szympansem obecności/nieobecności specyficzego genu człowieczeństwa 26

27 Różnice na poziomie sekwencji } 1,6% nukleotydów różniących genomy szympansa i człowieka, z czego: } 35 mln to mutacje punktowe typu podstawienia } 5 mln to delecje i insercje (w tym też duplikacje) 27

28 Różnice na poziomie bia ek } Przeciętne białko ludzkie różni się 2 aminokwasami od szympansiego odpowiednika } 29% białek jest identycznych 28

29 Różnice w genach - metody } Mutacje gromadziły się w genach od momentu dywergencji linii człowieka i szympansa } Poszukiwanie genów, w których tempo ewolucji w jednej z linii jest znacząco odmienne, niż w drugiej (odstępstwa od przewidywań zegara molekularnego) } Poszukiwanie śladów działania dodatniego doboru naturalnego (odchylenia parametru Ka/Ks (ω); test McDonalda-Kreitmana, modele wiarygodności itd.) 29

30 Różnice w genach } Około genów znaczące odchylenia od hipotezy zegara molekularnego (sugeruje odstępstwa od neutralności) } Około 200 obszarów o przyspieszonej ewolucji w linii człowieka (HAR Human Accelerated Regions) przeważnie obszary niekodujące, ale w pobliżu sekwencji regulatorowych } Geny o Ka/Ks (ω) >1 układ odpornościowy, spermatogeneza, apoptoza 30

31 Zmiany genów gen mowy Rzadka choroba dziedziczna objawiająca się zaburzeniami mowy, niezdolnością do tworzenia struktur składniowych i gramatycznych. 31 Gen FOXP2

32 FOXP2 szybka ewolucja 32 Enard et al. (2002) Nature 418,

33 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 uczenie sensomotoryczne) 33

34 MYH16 } Jedna z form łańcucha ciężkiego miozyny } Mutacja ok. 2,5 mln lat temu związek z ewolucją kształtu czaszki osłabienie mięśni szczęki, zmniejszenie twarzoczaszki, wzrost mózgoczaszki 34

35 Gen mikrocefaliny Chory 13 lat Mikrocefalia Zdrowy 11 lat Kouprina et al., PLoS Biology, 2004, 5:E Szybka ewolucja genu u człowieka

36 Dobór naturalny dzia ający na regulację ekspresji } Dane z analizy mikromacierzy sekwencji człowieka, szympansa i rezusa } u człowieka wyraźne ślady działania doboru na ekspresję wielu genów, w tym czynników transkrypcyjnych } Ślady doboru dodatniego w promotorach wielu genów związanych z układem nerwowym oraz z odżywianiem Blekhman et al., 2008, PLOS Genet. 4:e Haygood et al. 2007, Nat Genet 39:

37 Dobór naturalny dzia ający na regulację ekspresji } 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, ) 37 Prabhakar et al., 2008, Science 321:

38 Co kontroluje sekwencja HACNS1? } Wprowadzono gen reporterowy pod kontrolą HACNS1 i homologów z szympansa i rezusa do myszy transgenicznych Tylko ludzki HACNS1 wykazuje silną ekspresję specyficzną dla zawiązków dłoni i stóp Za efekt ten odpowiada 13 z 16 specyficznie ludzkich zmian 38 Specyficznie ludzkie cechy budowy dłoni (przeciwstawny długi kciuk) sprawność manualna Homo faber Specyficznie ludzkie cechy budowy stóp (usztywnienie, Prabhakar et al., 2008, Science 321: krótkie palce) - dwunożność

39 Podsumowanie } Nie ma jednego, czy kilku genów człowieczeństwa } Za różnice między ludźmi a innymi gatunkami odpowiada kumulacja wielu, pozornie niewielkich, różnic } Niewielkie zmiany sekwencji mogą pociągać znaczne zmiany fenotypowe } Istotne są też różnice na poziomie regulacji trudniejsze do zbadania 39

40 Zmienność populacji cz owieka Polimorfizmy i asocjacje 40

41 Zmienność genetyczna cz owieka } Różnice w sekwencjach (geny, obszary niekodujące) } Różnice liczby kopii (paralogów) 41

42 Różnorodność genetyczna cz owieka } Projekt 1000 genomów poszukiwanie różnic w genomach różnych ludzi (2500 osób) } Wstępne dane (2010) 15 mln. miejsc zmiennych } Czy to dużo } 0,5-1% genomu } Więcej nukleotydów, niż w całym genomie drożdży } Ale... 42

43 Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka Analiza mtdna Analiza ndna Przyczyna szybka ekspansja populacji 43

44 Genom i medycyna } Poszukiwanie genów uszkodzonych w rzadkich chorobach genetycznych } Poszukiwanie genetycznych czynników ryzyka częstych schorzeń wieloczynnikowych } Poszukiwanie zmian genetycznych w nowotworach } Dopasowywanie terapii do konkretnego nowotworu 44

45 Jeden gen jedna cecha? } } } Proste przełożenie jednego genu na jedną cechę fenotypową (jak u Mendla) zdarza się rzadko Na powstanie wielu cech wpływają interakcję wielu różnych genów Powstają złożone sieci współzależności złożoność budowana przez oddziaływania i kombinacje, a nie liczbę elementów składowych 45

46 Na przyk ad wzrost } W determinowaniu wzrostu człowieka bierze udział około 100 genów 46

47 Asocjacja } Nieprzypadkowe współwystępowanie czynników (alleli i fenotypów) na poziomie populacji } Czy zawsze asocjacja oznacza zależność przyczynową? } Czy każda asocjacja ma wartość diagnostyczną? } Czy asocjacja odkrywa gen na...?

48 Asocjacje mogą być zwodne } Allel 3A4 cytochromu P450 (CYP3A) i rak prostaty (bardziej zaawansowana postać w momencie diagnozy) } CYP3A może w pływać na tempo hydroksylowania testosteronu - związek przyczynowy? Nie ma wpływu allelu 3A4 na kinetykę metabolizmu testosteronu# Allel 3A4 częściej występuje u ludzi pochodzenia afrykańskiego (Afroamerykanie), niż europejskiego# Podobne korelacje dla raka prostaty dla innych alleli częstszych w populacji afrykańskiej# Bardziej zaawansowany rak prostaty u Afroamerykanów (przyczyny społeczne)?# 48

49 Asocjacja } Zależności funkcjonalne } często z allelami MHC (HLA) - związane z funkcjonowaniem układu odpornościowego } poszukuje się asocjacji dla bardzo intensywnie poznawanych polimorfizmów SNP w genomie człowieka } farmakogenetyka i farmakogenomika polimorfizmy a działanie leków } CRHR1 (receptor kortykotropiny) - skuteczność terapii kortykosteroidami w leczeniu astmy } HLA-B27 - nadwrażliwość na skutki uboczne Abcaviru } HTR2A (serotonina 2A) - reakcja na środki antydepresyjne 49

50 Asocjacja - przykład } HLA-B27 i choroby autoimmunologiczne, np. zesztywniające zapalenie stawów Chorzy# Zdrowi# HLA-B27 +# 90# 1000# HLA-B27 -# 10# 9000# Ryzyko 8% Ryzyko 0,11% test statystyczny Fishera (Fisher exact test): Ryzyko dla całej populacji ~1% p

51 Geny na...? 51

52 A w rzeczywistości... 52

53 Dla przypomnienia } HLA-B27 i choroby autoimmunologiczne, np. zesztywniające zapalenie stawów Chorzy# Zdrowi# HLA-B27 +# 90# 1000# HLA-B27 -# 10# 9000# OR = = 81 test statystyczny Fishera (Fisher exact test): p

54 Ważne!! } Asocjacja to nie jest gen na...! } Czynnik ryzyka nie ma zwykle znaczenia diagnostycznego } Może być przydatny w diagnostyce różnicowej } Zawsze należy analizować asocjację na tle ogólnego ryzyka w populacji, jakie są wartości bezwzględne 54

55 Genetyczne czynniki ryzyka } Badania GWAS asocjacje na skalę genomu } Korelacja wariantów genetycznych z ryzykiem choroby } Znajduje się wiele korelacji, ale żadna nie może być decydującym czynnikiem } Tajemnica brakującej odziedziczalności 55

56 Badanie Wellcome Trust } GWA genome-wide association } 7 ważnych schorzeń wieloczynnikowych, osób (chorych i zdrowych), 200 badaczy, 9 milionów funtów } Jeden z kilku dużych projektów GWA, których wyniki opublikowano w 2007 r. 56

57 Wyniki badań Wellcome Trust } Choroba afektywna dwubiegunowa } Wiele asocjacji, ale żadna bardzo istotna } Choroba wieńcowa } Kilka loci znacznie zwiększających ryzyko, w tym locus na chr. 9 o 50% u heterozygot i dwukrotnie u homozygot } Choroba Crohna } Odkryto warianty w 3 genach zwiększające ryzyko (RGM, NKX2-3 i PTPN2) oraz zawierający 7 nowych genów obszar 57

58 Wyniki badań Wellcome Trust } Nadciśnienie } Brak wyraźnych czynników ryzyka - liczne warianty o stosunkowo małym wpływie } Reumatoidalne zapalenie stawów } Odkryto czynniki ryzyka związane z polimorfizmami w kilku genach } Korelacja z chorobami serca i cukrzycą typu I 58

59 Wyniki badań Wellcome Trust } Cukrzyca typu I } Odkryto 4 nowe genetyczne czynniki ryzyka, w tym gen PTPN2(choroba Crohna) } W sumie znanych jest już co najmniej 10 takich genów } Cukrzyca typu II } Kilka nowych czynników ryzyka } Gen FTO - efekt pośredni, wpływa na ryzyko otyłości } Geny CDKAL1, CDKN2A i IGF2BP2-efekt bezpośredni } Potwierdzenie asocjacji dla kilku genów odkrytych w innych badaniach - w sumie ~10 genów 59

60 Luka odziedziczalności } Missing heritability } Klasyczne badania wykazują znaczną odziedziczalność wielu cech wieloczynnikowych } Badania asocjacyjne wykazują jedynie niewielki wzrost prawdopodobieństwa dla danego polimorfizmu (np. badania asocjacji tłumaczą tylko 5% różnic wzrostu) } Za odziedziczalność złożonych cech wieloczynnikowych odpowiadają interakcje genetyczne wielu polimorfizmów 60

61 Brakująca odziedziczalność } Ciemna materia genomu } Wykrywane asocjacje wyjaśniają kilka % odziedziczalności } Możliwe odpowiedzi: } Inne, jeszcze nie opisane (rzadkie) warianty } pomóc może projekt 1000 genomów } Oddziaływania wielu wariantów między sobą } pomóc mogą teoretycy opisujący sieci zależności } Zmienność liczby kopii 61

62 Zmienność liczby kopii } Niekiedy dotyczy obszarów zawierających geny } Stwierdzono asocjacje wariantów liczby kopii z autyzmem } Ludzie o diecie wysokoskrobiowej - więcej kopii genu kodującego enzym rozkładający skrobię (amylaza, gen AMY1) w porównaniu z ludźmi o diecie niskoskrobiowej 62

63 Medycyna ewolucyjna } Dlaczego chorujemy? } Przyczyny bezpośrednie } Bo zainfekował nas wirus, bo złamaliśmy nogę itp. } Przyczyny pierwotne } Wyścig ewolucyjny pasożytów i gospodarzy } Dlaczego nasze ciało jest zbudowane tak a nie inaczej ewolucyjne kompromisy } Historia ewolucji naszych przodków a przystosowanie do współczesnego środowiska } Nowotwór jako proces ewolucyjny } Dlaczego się starzejemy? 63

64 Medycyna ewolucyjna 64

65 Ewolucyjna medycyna mitochondrialna } Niektóre polimorfizmy mtdna mają znaczenie selekcyjne } Warianty zaadoptowane do zimnego klimatu: słabsze sprzężenie OXPHOS z wytwarzaniem ATP, część energii gradientu protonowego rozpraszana w postaci ciepła } Warianty zaadoptowane do ciepłego klimatu: wydajne sprzężenie OXPHOS z wytwarzaniem ATP, optymalne wykorzystanie energii z pokarmu 65

66 Adaptacje mtdna konsekwencje Ciepły klimat Silne sprzężenie OXPHOS z wytwarzaniem ATP Wydajne wykorzystanie kalorii z pokarmu W połączeniu z wysokokaloryczną dietą zwiększone wytwarzanie ROS Krótszy czas życia Podatność na choroby degeneracyjne (np. AD), cukrzycę. Zimny klimat Słabsze sprzężenie OXPHOS z wytwarzaniem ATP Mniej wydajne wykorzystywanie kalorii z pokarmu, termogeneza Mniejsze wytwarzanie ROS przy diecie wysokokalorycznej Długowieczność Mniejsza zapadalność na choroby degeneracyjne (AD, PD, cukrzyca). Mniejsza zapadalność na choroby związane z defektami OXPHOS (np. LHON). Większa zapadalność na choroby związane z defektami OXPHOS (np. LHON). 66