Ewolucja człowieka. Ślady w ziemi i ślady w genach

Transkrypt

1 Ewolucja człowieka Ślady w ziemi i ślady w genach

2 Migracje z Afryki

3

4 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

5 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)

6 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

7 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

8 Europejska mozaika Co najmniej 3 populacje źródłowe zachodnioeuropejscy łowcy-zbieracze (WHG, najwcześniejsze) prawdopodobnie ciemna skóra i 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

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

14 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

15 Migracje z Afryki

16 Gradient różnorodności

17 Nie tylko geny Różnorodność genów i języków

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

19 Różnorodność fonemów i rozprzestrzenianie się języków

20 Genom szympansa i genom człowieka

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

22 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

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

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

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

26 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

27 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

28 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

29 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

30 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)

31 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)

32 FOXP2 Gen koduje czynnik transkrypcyjny - białko regulujące działanie innych genów Niezbędny do rozwoju mózgu, niezbędny do życia Chorzy z dyspraksą werbalną mają tylko niewielką zmianę (mutację) w tym genie

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

34 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)

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

36 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

37 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)

38 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:

39 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

40 mir-941 mirna - cząsteczki RNA regulujące działanie genów

41 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

42 mir-941 ewolucja liczby kopii

43 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

44 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