Ewolucja człowieka. Ślady w ziemi i ślady w genach

Transkrypt

1 Ewolucja człowieka Ślady w ziemi i ślady w genach!1

2 !2

3 !3

4 Nie taka prosta historia } mtdna współczesnych Europejczyków różni się od mtdna Europejczyków sprzed lat } fala migracji neolitycznej (~ 7000 lat temu) } kolejne fale migracji } podobnie mtdna wczesnych i późnych Neandertalczyków się różni } dowody na dużą wsobność u Neandertalczyków w Europie (nieliczna populacja)!4

5 Prehistoria Europy } Pierwsi migranci H. sapiens z Afryki (~ lat temu) } Okresy zlodowaceń - ucieczka do południowych refugiów, odbudowa populacji, rekolonizacja ( lat temu) } migracja rolników neolitycznych z Bliskiego Wschodu (7 000 lat temu) } późniejsze migracje } migracja indoeuropejska lat temu!5

6 Prehistoria Europy - najnowsze dane } Współcześni Europejczycy pochodzą od 3 (co najmniej) populacji } } zachodnioeuropejscy myśliwi-zbieracze (WHG) (najstarsze) dawni mieszkańcy północnej Eurazji (ENE) (Syberia), też dali wkład do populacji rdzennych mieszkańców Ameryk } wcześni rolnicy (EEF) (bliski wschód, rewolucja neolityczna) } Na podstawie DNA ze szczątków sprzed lat!6

7 !7

8 Potomkowie pierwszych Europejczyków? } Wszystkie populacje europejskie pochodzą od mieszkańców pre-neolitycznych i migrantów neolitycznych (mieszanie, nie wypieranie) } Ciągłość genetyczna od czasów pre-neolitycznych - Baskowie!8

9 O co chodzi w teorii OAR } Nie o to, że pochodzimy z Afryki } afrykańskie pochodzenie hominidów jest w praktycznie wszystkich modelach } Nie o to, że wywodzimy się od 1 kobiety ( Ewy ) } jesteśmy potomkami jednej populacji, linie każdego genu (a więc i mtdna) muszą się zbiegać w którymś momencie! } Ostatni wspólny przodek wszystkich ludzi żył stosunkowo niedawno (~200 tys. lat temu) w Afryce, był to człowiek współczesny } Hominidy, które wcześniej opuszczały Afrykę to nie nasi przodkowie, tylko boczne linie!9

10 Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka Analiza mtdna Analiza ndna Przyczyna szybka ekspansja populacji!10

11 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!11

12 Gradient różnorodności!12

13 Nie tylko geny } Zgodność zróżnicowania genetycznego ze zróżnicowaniem językowym (Cavalli-Sforza)!13

14 Narodziny języków klasyfikacja na podstawie głosek (fonemów) zróżnicowanie głosek (fonemów)!14 Atkinson, Science (2011) 332:

15 Narodziny języków!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, mir mirna) } 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 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!21

22 Mutacje i dobór } niekorzystne (szkodliwe) } s < 0 } eliminowane przez dobór (oczyszczający/negatywny) } neutralne } s 0 (a konkretniej, s 1/4N) im mniej liczna populacja, tym dryf ważniejszy dla mutacji o niewielkim współcznniku selekcji } utrwalane przez dryf } korzystne } s > 0 } utrwalane przez dobór (z udziałem dryfu dla niewielkich s)!22

23 Selekcjonizm i neutralizm } Selekcjonizm: } większość mutacji jest niekorzystna } większość utrwalonych mutacji jest korzystna } mutacje neutralne są rzadkie (nie częstsze od korzystnych)! } Neutralizm } większość mutacji jest niekorzystna lub neutralna } większość utrwalonych mutacji jest neutralna } mutacje korzystne są rzadkie (znacznie rzadsze od neutralnych)!23

24 Zegar molekularny } W modelu neutralnym tempo zmian zależy jedynie od działania doboru negatywnego } Tempo zmian będzie różne dla różnych sekwencji, ale takie samo w różnych gałęziach drzewa dla danej sekwencji } Chyba, że znaczenie sekwencji dla doboru będzie różne w różnych gałęziach!24

25 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!25 Równomierne tempo zmian Przyspieszone zmiany Spowolnione zmiany

26 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)!26

27 Zmiany genów gen mowy Dyspraksja werbalna! Rzadka choroba dziedziczna objawiająca się zaburzeniami mowy (czynnej i biernej) Brak wyraźnego zaburzenia innych funkcji poznawczych Gen FOXP2!27

28 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!28

29 FOXP2 szybka ewolucja!29 Enard et al. (2002) Nature 418,

30 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)!30

31 Czy Neandertalczyk potrafił mówić } Sekwencja FOXP2 taka, jak u Homo sapiens!31

32 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!32

33 Geny mikrocefaliny i ASPM Mikrocefalia Chory 13 lat Zdrowy 11 lat Szybka ewolucja genu u człowieka!33 Kouprina et al., PLoS Biology, 2004, 5:E126

34 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, )!34 Prabhakar et al., 2008, Science 321:

35 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 Specyficznie ludzkie cechy budowy dłoni (przeciwstawny długi kciuk) sprawność manualna Homo faber!35 dwunożność Prabhakar et al., 2008, Science 321: Specyficznie ludzkie cechy budowy stóp (usztywnienie, krótkie palce) -

36 mir-941!36

37 mir-941 } Gen mirna, występuje tylko u człowieka } takich mirna jest więcej (10) } 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!37

38 mir-941 ewolucja liczby kopii!38

39 mir funkcje } Obniżenie aktywności szlaków hedgehog i insuliny!!!!!!!!! } Może mieć znaczenie w regulacji długości życia!39

40 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!40

41 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!41