Ewolucja człowieka. Ślady w ziemi i ślady w genach 2

Transkrypt

1 Ewolucja człowieka Ślady w ziemi i ślady w genach 2

2 Migracje z Afryki

3

4 Gradient różnorodności

5 Nie tylko geny Różnorodność genów i języków

6 Różnorodność języków klasyfikacja oparta o fonemy różnorodność fonemów Atkinson, Science (2011) 332:

7 Różnorodność fonemów i rozprzestrzenianie się języków

8 Genom szympansa i genom człowieka

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

10 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, mir mirna) Nie da się przypisać różnic między człowiekiem a szympansem obecności/nieobecności specyficzego genu człowieczeństwa

11 Różnice na poziomie sekwencji Do 5% genomu (uwzględniając rearanżacje i zmiany liczby kopii genów), w tym ~40 milionów podstawień nukleotydowych (~1,5%)

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

13 Nowe geny ~50-60 potencjalnych nowych genów W większości niepotwierdzona funkcja

14 Utrata 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, wibrysy kot

15 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 autyzm

16 Mutacje 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 genowej

17 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 Równomierne tempo zmian Przyspieszone zmiany Spowolnione zmiany

18 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)

19 Zmiany genów gen mowy Dyspraksja werbalna (Gopnik, 1990) Rzadka choroba dziedziczna objawiająca się zaburzeniami mowy (czynnej i biernej) Brak wyraźnego zaburzenia innych funkcji poznawczych Gen FOXP2 (2001)

20 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 genie

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

22 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)

23 Czy Neandertalczyk potrafił mówić Sekwencja FOXP2 taka, jak u Homo sapiens Mutacja sekwencji regulatorowej GADD45G - też podobnie, jak u człowieka

24 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

25 Geny mikrocefaliny Mikrocefalia Chory 13 lat Zdrowy 11 lat Kouprina et al., PLoS Biology, 2004, 5:E126 Szybka ewolucja genu u człowieka Podobnie inne geny powiązane z mikrocefalią (ASPM, CDK5RAP2, MCPH1)

26 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:

27 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 Specyficznie ludzkie cechy budowy dłoni Prabhakar et al., 2008, Science 321: Specyficznie ludzkie cechy budowy stóp

28 mir-941 mirna - cząsteczki RNA regulujące działanie genów

29 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 malała

30 mir-941 ewolucja liczby kopii

31 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

32 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

33 Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka Analiza mtdna Analiza ndna Przyczyna szybka ekspansja populacji (seryjny efekt założyciela).

34 Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka Kassemann & Pääbo, 2002, J. Int. Med. 251:1-18

35 Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka Kassemann & Pääbo, 2002, J. Int. Med. 251:1-18

36 Problem ras ludzkich Zagadnienie zmienności genetycznej człowieka Czy biologia uzasadnia podziały rasowe? Nott JC i Gliddon GR (1868) Indigenous Races of the Earth

37

38 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 Hume

39 Johann Friedrich Blumenbach 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 Azji

40 Georges Cuvier Tableau élémentaire de l'histoire naturelle des animaux (1798) podział ludzkości na trzy rasy: kaukaską, mongolską i etiopską Adam i Ewa byli rasy kaukaskiej rasa biała przewyższa inne pod względem geniuszu, odwagi i aktywności

41 Arthur de Gobineau Essai sur l'inégalité des races humaines (1853) Twórca koncepcji rasy aryjskiej

42 A Darwin? Używał terminu rasa wobec odmian zwierząt i roślin U człowieka rozróżnienie kulturowe, a nie biologiczne dzicy i cywilizowani Podkreślał, że człowiek to jeden gatunek

43 Darwin o rasach It may be doubted whether any character can be named, which is distinctive of a race and is constant... 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"

44 Inni wcześni ewolucjoniści Darwin uważał, że wszyscy ludzie mają wspólne ewolucyjne pochodzenie większość zwolenników Darwina podzielała ten pogląd Alfred R. Wallace - różnice między rasami pojawiły się 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 naczelnych

45 Zagadnienie ras ludzkich Argument Lewontina (1972) zmienność wewnątrz grup większa niż między grupami kontynentalnymi 85% zmienności wewnątrz grup cechy jednoznacznie odróżniające rasy - ~6% zmienności

46 Kontrargument Edwardsa (2003) Analiza Lewontina dotyczyła pojedynczych genów Korelacja zmienności dla większej liczby genów pozwala na rozróżnianie populacji z różnych kontynentów Przy zastosowaniu metody zakładającej podział na zadaną liczbę grup

47 Zmienność a rasy Istnieją cechy, których zmienność wykazuje korelację (kowariancja) nie tworzą wyraźnych zgrupowań, tylko gradienty nie dzielą na tradycyjnie pojmowane rasy dają różne wyniki zależnie od wybranych do analizy genów

48 Różne cechy - różne podziały

49 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 doboru

50 Rasy a taksonomia Przy analizie genetycznej wszystkie populacje spoza Afryki są odgałęzieniem jednej z grup afrykańskich Różnorodność największa w Afryce

51 Różne geny - różne historie mtdna chr. Y

52 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, które ma charakter ciągły Patrz:

53 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 niekiedy są na poziomie mniejszych populacji nie ma dowodów na różnice w cechach charakteru wpływ środowiska (kultury)