Ewolucja człowieka. Ślady pozostawione w genach

Transkrypt

1 Ewolucja człowieka Ślady pozostawione w genach

2 Złożone zagadki } } Odnaleziono wiele skamieniałości naczelnych, różne gatunki w tym samym czasie Trudno ustalić relacje między nimi } Przodkowie, czy boczne odgałęzienia drzewa 2

3 3

4 Neandertalczyk } } } } Żył w Europie i środkowo-zachodniej Azji jeszcze ok lat temu } Rówwnolegle z H. sapiens (Cro-Magnon) 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 4

5 Wyniki analizy genomu z 2010 } Potwierdzenie, że ostateczna dywergencja populacji ~ tys. lat temu } Analiza polimorfizmów Neandertalczyk bardziej podobny do mieszkańców Eurazji, niż Afryki 5

6 Analizy ndna 6

7 Analiza polimorfizmów Analiza ~1100 pozycji, gdzie występują pojedyncze różnice SNP Allel przodka Allel nowy (pochodny) 30% Dane z Green et al. (2006), Nature:444:

8 Czy człowiek 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 8

9 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 9

10 Wnioski } Model OAR zasadniczo utrzymany, ale nie taki prosty, jak się zdawało } Mogło dochodzić do krzyżowania się migrantów z populacjami osiadłymi wcześniej tylko we wczesnych fazach migracji 10

11 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. 11

12 Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka Analiza mtdna Analiza ndna Przyczyna szybka ekspansja populacji 12

13 Różnorodność genetyczna człowieka } Projekt 1000 genomów poszukiwanie różnic w genomach różnych ludzi (2500 osób) } Wstępne dane (2010) 15 mln. miejsc zmiennych } 0,5-1% genomu } Więcej nukleotydów, niż w całym genomie drożdży 13

14 Zagadnienie ras ludzkich } Argument Lewontina } zmienność wewnątrz grup większa niż między grupami } cechy jednoznacznie odróżniające rasy - ~6% zmienności } Tradycyjne podziały rasowe oparte na cechach, które nie są dobrą miarą różnorodności genetycznej } kolor skóry (~6 genów), kształt nosa i oczu wpływ doboru } Istnieją cechy, których zmienność wykazuje korelację (kowariancja) } nie tworzą wyraźnych zgrupowań, tylko gradienty } niewielka część zmienności } Globalizacja zaciera różnice 14

15 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, zamieszkiwanego kontynentu itp. nie ma sensu biologicznego } Współcześni biolodzy mówiąc o rasach w istocie mówią o zróżnicowaniu genetycznym, ktore ma charakter ciągły } Patrz: } 15

16 Genom szympansa i genom człowieka 16

17 Różnice ewolucyjne } Nowe geny } Utrata genów } Zmiany liczby kopii (paralogów) genów } Zmiany w genach (mutacje) } Zmiany w ekspresji 17

18 Skład genomu człowieka 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 18

19 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) 19

20 Różnice na poziomie białek } Przeciętne białko ludzkie różni się 2 aminokwasami od szympansiego odpowiednika } 29% białek jest identycznych } Sekwencja to nie wszystko (regulacja!) 20

21 Jak szukać śladów działania doboru } Większość sekwencji genów zmienia się jednostajnie, w tempie wyznaczanym przez eliminację mutacji niekorzystnych zegar molekularny } Odstępstwa od jednostajnego tempa w określonej gałęzi dobór specyficzny dla tej gałęzi Orangutan Goryl Szympans Człowiek Orangutan Goryl Szympans Człowiek Orangutan Goryl Szympans Człowiek 21 Równomierne tempo zmian Przyspieszone zmiany Spowolnione zmiany

22 Różnice w genach } Około genów znaczące odchylenia od zegara molekularnego (sugeruje odstępstwa od neutralności) } Około 200 obszarów regulatorowych o przyspieszonej ewolucji w linii człowieka (HAR Human Accelerated Regions) 22

23 Zmiany genów gen mowy Dyspraksja werbalna Rzadka choroba dziedziczna objawiająca się zaburzeniami mowy (czynnej i biernej) Brak wyraźnego zaburzenia innych funkcji poznawczych Gen FOXP2 23

24 FOXP2 szybka ewolucja 24 Enard et al. (2002) Nature 418,

25 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) 25

26 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 26

27 Geny mikrocefaliny i ASPM Mikrocefalia Chory 13 lat Zdrowy 11 lat Szybka ewolucja genu u człowieka 27 Kouprina et al., PLoS Biology, 2004, 5:E126

28 Dobór naturalny działający 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, ) 28 Prabhakar et al., 2008, Science 321:

29 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 29 Prabhakar et al., 2008, Science 321: Specyficznie ludzkie cechy budowy dłoni (przeciwstawny długi kciuk) sprawność manualna Homo faber Specyficznie ludzkie cechy budowy stóp (usztywnienie, krótkie palce) - dwunożność

30 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 30

31 Triumf Darwina } Ewolucja cech specyficznie ludzkich była związana z szeregiem cząstkowych zmian dotykających różnych genów } Koncepcja Darwina wyrażona językiem genomiki porównawczej! różnica między człowiekiem a innymi zwierzętami ma charakter ilościowy, a nie jakościowy 31

32 Kontrowersyjne tematy ewolucjonizmu } Problem poziomu działania doboru } Gradualizm i punktualizm } Psychologia ewolucyjna 32

33 Poziom działania doboru } Na co działa dobór naturalny } na organizmy? } na fenotyp, zależny od genotypu } znaczenie mają tylko cechy odziedziczalne } na populacje (pule genowe)? } co z organizmami bez procesów płciowych (np bakterie?) } na geny ( samolubne geny )? } typowe przypadki ruchome elementy genetyczne, wirusy } fenotyp jednak na poziomie organizmu } większość podlegających doborowi cech zależy od interakcji wielu genów (sieci i systemy) -> poziom organizmu } na jednostki wyższego rzędu } Gaja? 33

34 Gradualizm i punktualizm } Gradualizm } zmiany stopniowe, trwają cały czas } tempo nie musi być jednostajne } Punktualizm } okresy stazy przeplatane okresami gwałtownych zmian } mutacje rozwojowe hopeful monsters } W radykalnej wersji sfalsyfikowany, ale zwrócił uwagę na różnice tempa zmian i na rolę procesów rozwojowych ( evodevo ) 34

35 Psychologia ewolucyjna } Szukanie biologicznych (ewolucyjnych) mechanizmów u podłoża zachowań człowieka } Nasza biologia (ukształtowana przez ewolucję) jest istotna dla naszej psychiki truizm } Problemy } rozdzielenie mechanizmów kulturowych od biologicznych } problem odziedziczalności badanych cech (niefrasobliwe stosowanie pojęcia genów ) } charakter wyjaśnień ex post problem z falsyfikowalnością i konstruowaniem testowalnych hipotez } panglosjanizm (traktowanie wszystkich cech jako adaptacji) 35

36 Przyszłość } Ewolucja biologiczna gatunku ludzkiego trwa, ale jest bardzo powolna w porównaniu z rozwojem cywilizacji 36

37 Wizje i pomyłki } Czy współczesna medycyna i biotechnologia ma wpływ na naszą ewolucję? } Czy układ odpornościowy przestanie być potrzebny i zaniknie? 37

38 Wizje i pomyłki } Czy współczesna medycyna i biotechnologia ma wpływ na naszą ewolucję? } Czy genetyczna diagnostyka prenatalna i inzynieria genetyczna doprowadzą do stworzenia super-człowieka? 38

39 Wizje i pomyłki } Czy współczesna medycyna i biotechnologia ma wpływ na naszą ewolucję? } Czy pomagając ludziom z ciężkimi chorobami genetycznymi psujemy pulę genową gatunku? 39

40 Wizje i pomyłki } Czy współczesna medycyna i biotechnologia ma wpływ na naszą ewolucję? } Czy człowiek podzieli się na dwa gatunki? 40