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 Nie taka prosta historia mtdna współczesnych Europejczyków różni się od mtdna Europejczyków sprzed 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)

5 Prehistoria Europy Pierwsi osadnicy (z Afryki, bazalna populacja Eurazji, ~ YBP) Zlodowacenia - refugia na południu i ponowne zaludnianie północy ( YBP) Migracje neolitycznych rolników z Bliskiego Wschodu (7 000 YBP) rozprzestrzenianie się cywilizacji neolitycznej - częściowo genetyczne (migracje), częściowo kulturowe Późniejsze migracje np. migracja indoeuropejska YBP

6 Potomkowie pierwszych Europejczyków? Wszystkie europejskie populacje są mieszanką potomków populacji pre-neolitycznych (łowcy-zbieracze) i neolitycznych (rolnicy) Dowody na ciągłość populacyjną w linii żeńskiej (mtdna) od czasów pre-neolitycznych tylko u Basków

7 Europejska mozaika Co najmniej 3 populacje źródłowe zachodnioeuropejscy łowcy-zbieracze (WHG, najwcześniejsze) prawdopodobnie ciemna skóra, ale już pojawił się allel dający 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 lat i współczesnych Europejczyków

8 Europejska mozaika

9

10 Europejska mozaika Gradient WHG-EEF odzwierciedla migrację EEF do Europy Udział ANE największy w Europie północnej i środkowej

11 A teraz?

12 Europa i Ameryka Analiza DNA szkieletu chłopca sprzed lat (MA1) Dowody na przepływ genów do populacji Europy i Ameryki Przodkowie mieszkańców Ameryk to potomkowie mieszkańców Syberii wschodniej oraz migrantów z Syberii Zachodniej i Europy (MA1)

13 Czwarte źródło Łowcy-zbieracze z Kaukazu (CHG) DNA mężczyzny sprzed lat (Kotias, Gruzja) Należał do grupy, która oddzieliła się od przodków europejskich łowców-zbieraczy ~45 tys. lat temu, a od przodków neolitycznych rolników ~25 tys. lat temu Ich potomkowie - Yamanya (lud pasterski) migrowali do Europy ~3000 p.n.e., stąd wkład do genomów Europejczyków Duży udział u współczesnych mieszkańców Kaukazu

14 Czasy historyczne Badanie admiksji między populacjami w czasie ostatnich 4000 lat na skalę świata

15 Czasy historyczne

16

17

18 Nie tylko geny Różnorodność genów i języków

19 Gradient różnorodności

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

21 Różnorodność fonemów i rozprzestrzenianie się języków

22 Genom szympansa i genom człowieka

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

24 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 specyficznego genu człowieczeństwa

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

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

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

28 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

29 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

30 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

31 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

32 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)

33 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)

34 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

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

36 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)

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

38 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

39 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)

40 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:

41 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

42 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

43 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

44 Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka Przyczyna szybka ekspansja populacji (seryjny efekt założyciela). Kassemann & Pääbo, 2002, J. Int. Med. 251:1-18

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

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

47

48 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

49 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

50 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

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

52 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

53 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"

54 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

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

56 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

57 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

58 Różne cechy - różne podziały

59 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

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

61 Różne geny - różne historie mtdna chr. Y

62 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:

63 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)