Ewolucja i zmienność cz owieka Droga do medycyny ewolucyjnej 1
2 Ewolucja i historia cz owieka
Gibon Orangutan Goryl Bonobo Szympans Człowiek Szympans Goryl Człowiek Orangutan Gibon Makak milionów lat temu Makak 3 Orangutan Goryl Bonobo Szympans Człowiek
Historia cz owieka Antropologia molekularna Badanie współczesnego DNA pozwala na odtworzenie przebiegu ewolucji człowieka DNA antyczny dostarcza dodatkowych, lecz fragmentarycznych danych Projekt sekwencjonowania genomu neandertalczyka 4
Ponad milion lat temu 5
Hipoteza multiregionalna = hipoteza ciąg ości regionalnej 6
Hipoteza multiregionalna Przodkowie człowieka, którzy opuścili Afrykę ponad milion lat temu ewoluowali na różnych kontynentach Następowała wymiana genetyczna (ciągłość) między populacjami regionalnymi 7
Model OAR (czyli Out of Africa Replacement) 8
Model OAR Out of Africa Pożegnanie z Afryką Ok. 200 000 lat temu jedna z populacji przodków człowieka (to już był H. sapiens) rozpoczęła migrację z Afryki na pozostałe kontynenty Nowi migranci wyparli żyjące już w tych regionach hominidy potomków wcześniejszych migracji i nie mieszali się z nimi Wszyscy współcześni ludzie są potomkami tych ostatnich migrantów 9
Badania mtdna mtdna jest wysoce polimorficzny, zwłaszcza w obszarach niekodujących (pętla D) Ponieważ mtdna dziedziczy się jako jedna jednostka genetyczna (brak lub rzadka rekombinacja, dziedziczenie tylko od matki) określone układy polimorfizmów dziedziczą się razem haplotypy Haplogrupy (zbiory haplotypów o określonych wspólnych polimorfizmach) korelują z historią populacji ludzkich narzędzie w antropologii, kryminalistyce itp. 10
Drzewo i dystrybucja haplotypów mtdna 11
Dystrybucja haplotypów chromosomu Y Jobling & Tyler-Smith (2003) Nature Rev. Genet. 4, 598-612 12
Wyniki analiz mtdna i chromosomu Y Drzewo ewolucyjne mtdna i haplotypów Y jest zakorzenione w populacjach afrykańskich Czas od rozejścia się współcześnie żyjących linii (TMRCA) -100 000 200 000 lat Wyniki wspierają hipotezę OAR (niedawne afrykańskie pochodzenie ludzi) Brak dowodów na mieszanie się linii neandertalczyków i ludzi 13
Neandertalczyk Żył w Europie i środkowo-zachodniej Azji jeszcze ok. 35 000 lat temu Linie człowieka i neandertalczyka rozdzieliły się ~ 600 000 lat temu Pojawił się w Europie wcześniej, niż H. sapiens (wcześniejsza migracja) Kultura (pochówki), narzędzia, prawdopodobnie mowa Wikimedia commons, Anthropological Institute, University of Zürich 14
Genom neandertalczyka Znane sekwencje mtdna Projekt sekwencjonowania genomu na ukończeniu Opublikowane wyniki analiz ~1/3 sekwencji Brak dowodów na mieszanie linii człowieka współczesnego (populacji współczesnych) i neandertalczyka 15
16
17
Nowe geny Utrata genów Zmiany liczby kopii (paralogów) genów Zmiany w genach (mutacje) Zmiany w ekspresji 18
Sk ad genomu cz owieka 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 19
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) 20
Przeciętne białko ludzkie różni się 2 aminokwasami od szympansiego odpowiednika 29% białek jest identycznych 21
Mutacje gromadziły się w genach od momentu dywergencji linii człowieka i szympansa Poszukiwanie genów, w których tempo ewolucji w jednej z linii jest znacząco odmienne, niż w drugiej (odstępstwa od przewidywań zegara molekularnego) Poszukiwanie śladów działania dodatniego doboru naturalnego (odchylenia parametru Ka/ Ks ( ); test McDonalda-Kreitmana, modele wiarygodności itd.) 22
Około 500-600 genów znaczące odchylenia od hipotezy zegara molekularnego (sugeruje odstępstwa od neutralności) Około 200 obszarów o przyspieszonej ewolucji w linii człowieka (HAR Human Accelerated Regions) przeważnie obszary niekodujące, ale w pobliżu sekwencji regulatorowych Geny o Ka/Ks ( ) >1 układ odpornościowy, spermatogeneza, apoptoza 23
Rzadka choroba dziedziczna objawiająca się zaburzeniami mowy, niezdolnością do tworzenia struktur składniowych i gramatycznych. Gen FOXP2 24
25 Enard et al. (2002) Nature 418, 869-72
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) 26
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 27
Prekursor endogennych opioidów i neuropeptydów Przyspieszona ewolucja w obrębie promotora genu 28
Chory 13 lat Mikrocefalia Zdrowy 11 lat Kouprina et al., PLoS Biology, 2004, 5:E126 29 Szybka ewolucja genu u człowieka
ASPM homologia do białka Drosophila odpowiadającego za wykształcanie wrzeciona podziałowego mutacje u człowieka powodują mikrocefalię MGC8902 zawiera wiele powtórzeń domeny DUF1220, liczba powtórzeń wzrosła w linii człowieka, ekspresja w korze mózgowej, nieznana funkcja 30
Obszar HAR1 bardzo szybko ewoluuje u hominidów Nie koduje żadnego białka, tylko RNA Być może RNA regulatorowy Pollard et al., Nature 2006 31
Dane z analizy mikromacierzy sekwencji człowieka, szympansa i rezusa u człowieka wyraźne ślady działania doboru na ekspresję wielu genów, w tym czynników transkrypcyjnych Ślady doboru dodatniego w promotorach wielu genów związanych z układem nerwowym oraz z odżywianiem Blekhman et al., 2008, PLOS Genet. 4:e1000249 Haygood et al. 2007, Nat Genet 39:1140-4. 32
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 ) 33 Prabhakar et al., 2008, Science 321:1346-50
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 34 Specyficznie ludzkie cechy budowy dłoni (przeciwstawny długi kciuk) sprawność manualna Homo faber Specyficznie ludzkie cechy budowy stóp (usztywnienie, krótkie palce) - dwunożność Prabhakar et al., 2008, Science 321:1346-50
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 35
Analiza ndna Analiza mtdna Przyczyna szybka ekspansja populacji 36
Zmienność populacji cz owieka Polimorfizmy i asocjacje 37
Zmienność genetyczna cz owieka Różnice w sekwencjach (geny, obszary niekodujące) Różnice liczby kopii (paralogów) 38
Polimorfizmy sekwencyjne Zmapowano obecnie ok. 3 10 6-10 10 6 pozycji, w których występują zmiany Szacuje się, że w genomie może być w sumie do 15 10 6 takich pozycji Większość to neutralne polimorfizmy, ale poszukuje się asocjacji z różnymi fenotypami (choroby) 39
Asocjacja Nieprzypadkowe współwystępowanie czynników (alleli i fenotypów) na poziomie populacji Czy zawsze asocjacja oznacza zależność przyczynową? Czy każda asocjacja ma wartość diagnostyczną? Czy asocjacja odkrywa gen na...? 40
Asocjacje mogą być zwodne Allel 3A4 cytochromu P450 (CYP3A) i rak prostaty (bardziej zaawansowana postać w momencie diagnozy) CYP3A może w pływać na tempo hydroksylowania testosteronu - związek przyczynowy? Nie ma wpływu allelu 3A4 na kinetykę metabolizmu testosteronu# Allel 3A4 częściej występuje u ludzi pochodzenia afrykańskiego (Afroamerykanie), niż europejskiego# Podobne korelacje dla raka prostaty dla innych alleli częstszych w populacji afrykańskiej# Bardziej zaawansowany rak prostaty u Afroamerykanów (przyczyny społeczne)?# 41
Paradoks Simpsona Prosty przykład: uniwersytet powinien faworyzować kobiety przy przyjmowaniu na studia doktoranckie: Mężczyźni# Kobiety# Wydział historii# 1/5 (20%)# 2/8 (25%)# Wydział geografii# 6/8 (75%)# 4/5 (80%)# Razem# 7/13 (54%)# 6/13 (46%) 42
Przyk ad medyczny Porównywano dwie terapie kamieni nerkowych# Terapia A# Terapia B# 78 % (273/350)# 83% (289/350)# Ale: Terapia A# Terapia B# Małe kamienie# 93% (81/87)# 87% (234/270)# Duże kamienie# 73% (192/263)# 69% (55/80)# Razem# 78 % (273/350)# 83% (289/350)# 43 Terapię A częściej stosowano u pacjentów z dużymi kamieniami, które trudniej się leczy.#
Asocjacja Zależności funkcjonalne często z allelami MHC (HLA) - związane z funkcjonowaniem układu odpornościowego poszukuje się asocjacji dla bardzo intensywnie poznawanych polimorfizmów SNP w genomie człowieka farmakogenetyka i farmakogenomika polimorfizmy a działanie leków CRHR1 (receptor kortykotropiny) - skuteczność terapii kortykosteroidami w leczeniu astmy HLA-B27 - nadwrażliwość na skutki uboczne Abcaviru HTR2A (serotonina 2A) - reakcja na środki antydepresyjne 44
Asocjacja - przykład HLA-B27 i choroby autoimmunologiczne, np. zesztywniające zapalenie stawów Chorzy# Zdrowi# HLA-B27 +# 90# 1000# HLA-B27 -# 10# 9000# Ryzyko 8% Ryzyko 0,11% test statystyczny Fishera (Fisher exact test): Ryzyko dla całej populacji ~1% p 2 10-76 45
Geny na...? 46
A w rzeczywistości... 47
Dla przypomnienia HLA-B27 i choroby autoimmunologiczne, np. zesztywniające zapalenie stawów Chorzy# Zdrowi# HLA-B27 +# 90# 1000# HLA-B27 -# 10# 9000# OR = 90 1000 10 9000 = 81 test statystyczny Fishera (Fisher exact test): p 2 10-76 48
Badanie Wellcome Trust 2005-2007 7 ważnych schorzeń wieloczynnikowych, 17 000 osób (chorych i zdrowych), 200 badaczy, 9 milionów funtów Jeden z kilku dużych projektów, których wyniki opublikowano w 2007 r. 49
Wyniki badań Wellcome Trust Choroba afektywna dwubiegunowa Wiele asocjacji, ale żadna bardzo istotna Choroba wieńcowa Kilka loci znacznie zwiększających ryzyko, w tym locus na chr. 9 o 50% u heterozygot i dwukrotnie u homozygot Choroba Crohna Odkryto warianty w 3 genach zwiększające ryzyko (RGM, NKX2-3 i PTPN2) oraz zawierający 7 nowych genów obszar 50
Wyniki badań Wellcome Trust Nadciśnienie Brak wyraźnych czynników ryzyka - liczne warianty o stosunkowo małym wpływie Reumatoidalne zapalenie stawów Odkryto czynniki ryzyka związane z polimorfizmami w kilku genach Korelacja z chorobami serca i cukrzycą typu I 51
Wyniki badań Wellcome Trust Cukrzyca typu I Odkryto 4 nowe genetyczne czynniki ryzyka, w tym gen PTPN2(choroba Crohna) W sumie znanych jest już co najmniej 10 takich genów Cukrzyca typu II Kilka nowych czynników ryzyka Gen FTO - efekt pośredni, wpływa na ryzyko otyłości GenyCDKAL1,CDKN2AiIGF2BP2-efekt bezpośredni Potwierdzenie asocjacji dla kilku genów odkrytych w innych badaniach - w sumie ~10 genów 52
Ważne!! Asocjacja to nie jest gen na...! Czynnik ryzyka nie ma zwykle znaczenia diagnostycznego Może być przydatny w diagnostyce różnicowej Zawsze należy analizować asocjację na tle ogólnego ryzyka w populacji, jakie są wartości bezwzględne 53
Zmienność liczby kopii Niekiedy dotyczy obszarów zawierających geny Stwierdzono asocjacje wariantów liczby kopii z autyzmem Ludzie o diecie wysokoskrobiowej - więcej kopii genu kodującego enzym rozkładający skrobię (amylaza, gen AMY1) w porównaniu z ludźmi o diecie niskoskrobiowej 54
Medycyna ewolucyjna Dlaczego chorujemy? Przyczyny bezpośrednie Bo zainfekował nas wirus, bo złamaliśmy nogę itp. Przyczyny pierwotne Wyścig ewolucyjny pasożytów i gospodarzy Dlaczego nasze ciało jest zbudowane tak a nie inaczej ewolucyjne kompromisy Historia ewolucji naszych przodków a przystosowanie do współczesnego środowiska Nowotwór jako proces ewolucyjny Dlaczego się starzejemy? 55
Historia gatunku a choroby Każdy gatunek to efekt kompromisu ewolucyjnego (przystosowanie kontra ograniczenia) Człowiek nie jest naprawdę dobrze przystosowany do chodzenia na dwóch nogach problemy z kręgosłupem i stawami kształt miednicy, ciężki poród oko (nerwy nad siatkówką) plamka ślepa, odklejanie siatkówki problem wszystkich kręgowców 56
Historia gatunku a choroby Środowisko człowieka współczesnego nie jest tym, do którego przystosował się w ewolucji Dostępność pokarmów bogatych w tłuszcz i węglowodany Nasi przodkowie (jak inne zwierzęta) nie znali sytości Przewlekły stres Mechanizm stresu powstał w ewolucji jako przystosowanie (mechanizm walki lub ucieczki, mobilizacja w sytuacji krytycznej) Pomaga poradzić sobe z niebezpieczeństwem gdy trwa krótko, ale jest zabójczy gdy trwa dłużej 57
Ewolucyjna medycyna mitochondrialna 58
Adaptacje mtdna konsekwencje Ciepły klimat Silne sprzężenie OXPHOS z wytwarzaniem ATP Wydajne wykorzystanie kalorii z pokarmu W połączeniu z wysokokaloryczną dietą zwiększone wytwarzanie ROS Krótszy czas życia Podatność na choroby degeneracyjne (np. AD), cukrzycę. Zimny klimat Słabsze sprzężenie OXPHOS z wytwarzaniem ATP Mniej wydajne wykorzystywanie kalorii z pokarmu, termogeneza Mniejsze wytwarzanie ROS przy diecie wysokokalorycznej Długowieczność Mniejsza zapadalność na choroby degeneracyjne (AD, PD, cukrzyca). Mniejsza zapadalność na choroby związane z defektami OXPHOS (np. LHON). Większa zapadalność na choroby związane z defektami OXPHOS (np. LHON). 59
Medycyna ewolucyjna 60