Эволюция человека: молекулярный анализ

Перевод Роберта Пенховского. Во второй из двух статей Ярек Брик описывает, как ученые глубоко анализируют наши гены, чтобы выявить молекулярные основы эволюционной адаптации человека. Перевод Роберта Пенховского

С любезностью
Henrik500 / iStockphoto

ДНК каждого организма содержит информацию о его недавней и далекой эволюционной истории. Изучая закономерности и изменения в последовательности ДНК - сравнивая идентичные последовательности у отдельных людей или видов - мы можем выяснить, что с ними произошло. Мы можем выявить, какие гены или фрагменты из геном могут отдавать предпочтение отдельным особям и видам, которые их содержат, что облегчает выживание и размножение (см. словарь в конце).

В предыдущей статье ( Брик, 2010 ), Я описал несколько примеров генетических изменений в организме человека и других организмов, которые дают им преимущество. Трудно продемонстрировать, какие генетические изменения могут быть полезны, особенно у людей, но еще более сложной задачей является демонстрация механизма, с помощью которого эти изменения могут улучшить выживание и воспроизводство организма.

В этой статье я представляю один из подходов, применяемых учеными прежде всего для определения областей нашего генома, которые, возможно, помогли нам выжить и размножиться. Тогда еще можно было бы выяснить, как эти заговоры в конечном итоге предоставили наследственное преимущество нашим предкам.

Один из способов выявления потенциально полезных участков генома - просто сравнить последовательности ДНК многих людей из разных популяций. В очень простом сценарии, если одна из этих групп населения была ниже избирательное давление (например, высокое УФ-излучение в солнечной области), которое отсутствовало в других популяциях, последовательность ДНК, ответственная за соответствующую адаптацию (например, более темный цвет кожи), должна быть другой.

Однако в подавляющем большинстве случаев мы не знаем, какому избирательному давлению подвергались прошлые популяции или какие генетические последовательности ответственны за адаптацию. Поэтому давайте начнем со сравнения последовательностей ДНК между человеческими популяциями без каких-либо предположений о том, что мы можем найти. Рис. На фиг.1 показано одно такое сравнение для одного нуклеотида в геноме человека.

Когда разные индивидуумы имеют разные нуклеотиды в определенной позиции в последовательности ДНК, мы называем этот однонуклеотидный полиморфизм (ЭПО); три миллиона таких вариантов генома человека занесены в общедоступную базу данных hapmap w1 , EPP показано на Рисунок 1 и обозначен как pc3827760 , был найден в двух вариантах или аллели : в этой позиции в последовательности может быть найдено одно из двух оснований - тимин (T) или цитозин (C).

Каждый круг на рисунке представляет популяцию и показывает частоту в этой поляризации двух возможных аллелей.

Тимминсодержащий аллель присутствует во всех африканских и большинстве европейских образцов, но почти полностью отсутствует в Восточной Азии, Северной и Южной Америке, где цитозин доминирует в этой позиции в ДНК ( Сабети и др., 2007 , 2006 ; Сюэ и др., 2009 ).

Если мы проведем это сравнение для всех трех миллионов белков EPP, используя систему базы данных hapmap , мы увидим, что распределение rs3827760 - варианта среди разных популяций человека очень необычно. Следовательно, рс3827760 определенно заслуживает более подробного изучения, хотя распределение ничего не говорит нам о потенциальной выгоде этих вариантов (т.е. их адаптивное значение ) или даже являются ли они вообще адаптивными. Все, что мы знаем на данный момент, это то, что по какой-то причине исходный тимин, присутствующий в этом положении в популяциях африканских приматов, изменился на цитозин и распространился в Восточную Азию, Северную и Южную Америку. , Даже оценки того, когда это изменение имело место, очень неточны: когда-либо до 1 000 - 70 000 лет у всех людей в популяциях Юго-Восточной Азии был цитозиновый вариант.

Рисунок 2: Каждая из панелей A1, A2 и B1, B3 иллюстрирует 10 отдельных образцов каждой из двух популяций одного и того же вида.Одна хромосома (например, хромосома 9) показана для каждого индивидуума.
Популяция A не подвергалась положительному селективному отбору и оставалась относительно неизменной во времени, за исключением приобретения некоторых случайных генетических изменений, которые не влияли на адаптивность.(оранжевые квадраты на панели A2, варианты, которые уменьшают адаптивность, удалены из совокупности) - сравните панели A1 и A2.
Население B перемещается в новую среду, где оно сталкивается с новыми давлениями выбора.В этой новой среде определенное генетическое изменение (синие квадраты в группе B1) отдает приоритет лицам, которые его несут, и оно быстро распространяется среди населения (люди - его носители покидают большее поколение).Генетические варианты в окрестностях выбранного EPP несут с собой (чем ближе два варианта, тем меньше вероятность их разделения во время рекомбинации, когда части ДНК обмениваются между родительской и отцовской хромосомами - см. рис. 3 ).
В результате быстрое распространение последовательности ДНК среди населения уменьшает генетическое разнообразие в этой области;у большинства людей будет преимущество ЭРА наряду с близкими к нему генетическими вариантами (сравните панели В1 и В2).Этот процесс происходит быстро.
Однако через некоторое время новые генетические изменения и события рекомбинации приносят новые варианты (зеленые прямоугольники и оранжевые квадраты в группе B3).Чем дольше прошло время с момента возникновения первоначального выбора, тем труднее его обнаружить, потому что модель с уменьшенным разнесением (B2) в конечном итоге будет маскироваться (B3)

С любезного разрешения Ярека Брик Рис.3: Во время
рекомбинационные части ДНК
обмениваются между
матери (зеленые) и
родительские (серые) хромосомы
и передал
следующее поколение в
новая конфигурация.
Чем ближе он
найти два раздела,
тем меньше
вероятность того, что они
разделить во время
рекомбинация: А и В являются
сходились друг с другом
больше, чем B и C;
так что вероятность А и В могут
делятся меньше,
чем для B и C.
Увеличить картинку
С любезностью
Никола Граф

Как тогда мы можем решить, возникла ли эта модель в результате положительный выбор (то есть, что цитозин обеспечил преимущество в Восточной Азии, Северной и Южной Америке), или это просто случайно? Чтобы увидеть, является ли мутация ДНК (замена тимина цитозином) результатом положительного отбора, мы исследуем последовательность ДНК, содержащую EPP. Если последовательность ДНК вокруг rs3827760 одинакова во всех группах населения, то у нас не будет никаких доказательств того, что EPP оказывает влияние на адаптируемость тела. Однако, если популяция (например, в Восточной Азии) выбрана положительно и rs3827760 вносит вклад в развитие адаптации к этому селективному давлению, последовательности ДНК вокруг EPP будут варьироваться в зависимости от популяции. Чтобы выяснить, почему это Рис. 2 ,

Когда сравниваются последовательности ДНК вокруг rs3827760 , становится ясно, что разнообразие варианта цитозина в популяции Восточной Азии действительно намного ниже, чем разнообразие варианта тимина, обнаруженное в популяциях Африки и Европы (американцы не тестировались). Это говорит о том, что положительный отбор был причиной распространенности цитозинового варианта среди населения Восточной Азии. Но действительно ли этот EPP выбран - действительно ли он имеет какую-либо функцию?

Не все изменения ДНК оказывают влияние на белковые последовательности: большинство белков EPP, описанных в базе данных, или находятся в некодирующих частях генома (например, между генами), или являются синонимами - т.е. они расположены в кодирующей части генома, но не приводят к изменению белка, кодируемого последовательностью ( см. стр. Рис. 4 ).

Рис.4: не все изменения в кодирующей последовательности ДНК вызывают изменение кодированной аминокислотной последовательности белка.В этом примере замена гуанина (G) на аденин (A) в кодоне AAG не изменяет белок, так как кодоны AAG и AAA кодируют аминокислоту лизин (EPP-1).Это известно как синоним мутации.В случае EPO ss3827760 (SNP-2 на этом рисунке) тимин (T) заменен цитозином (C) в кодоне GTT.Изменение кодона с GTT на GCT приводит к замене кодируемой аминокислоты - валин (Val) заменяется аланином (Ala).Это известно как не синонимичная мутация.

С любезного разрешения Ярека Брик

В случае pc3827760 у нас есть шанс, потому что он расположен в кодирующей части гена - ближе к концу гена, называемого EDAR, который участвует в развитии волосяных фолликулов, потовых желез и зубов. Кроме того, мутация ДНК тимин-цитозина приводит к изменению последовательности белка: афроамериканцы и европейцы (несущие вариант EPP с тимином) имеют аминокислоту валин в положении 370 в белке, тогда как восточноазиатцы и американцы (с нуклеотидным цитозином) имеют аминокислоту аланин. , Рис. 5 ). Это ясно указывает на то, что замена аминокислоты в 370-м положении не только приводит к изменению белковой последовательности, но также влияет на физические характеристики самого организма.

Рис.5: Гипотетический
структура части
EDAR-кодированный белок.
Мутации, отмеченные в
зеленый, вызов
эктодермальная дисплазия
у людей.
Предполагаемый
выбранный EPP выделен
в красном

Чтобы увидеть, действительно ли изменение в последовательности белка влияет на его функцию, мы сосредоточимся на эксперименте по биохимическим путям с участием белка, кодируемого EDAR. Это ряд реакций, которые связаны с развитием волосяных фолликулов, потовых желез и зубов. Когда эти реакции были выполнены в лаборатории, было обнаружено, что аланиновый вариант белка (обнаруженный у жителей Восточной Азии и американцев, кодируемый вариантом цитозина EPP) делает биохимический путь более активным, чем вариант валина (в Африке и Европе). Это подходит для сравнения структуры волос, указывая на то, что люди с аланиновым вариантом имеют более толстые волосы, чем люди с валинным вариантом. Для более прямой демонстрации мышей генетически модифицировали для увеличения активности EDAR-пути. Эти мыши имеют заметно более толстую шерсть и более толстые волосы, а также слюнные железы большего размера, чем мыши с нормальным EDAR- Чунян и др., 2008 ; Чанг и др., 2009 ).

Взятые вместе, эти результаты показывают, что оба варианта EPP (содержащие тимин или цитозин могут отражать как структуру, так и функцию белка, кодируемого EDAR, могут приводить к физическим различиям у людей - по толщине волосы и, возможно, размер слюнных желез.

Различия в ДНК, которые мы наблюдаем в настоящее время, являются историческими записями природных экспериментов. Мы можем только догадываться о селективном давлении, оказываемом на азиатскую и американскую популяции, которое привело к распространению аллеля цитозина. Комбинация геномных исследований, лабораторных экспериментов и моделей на животных позволяет проверить гипотезы о функциональной роли генетических различий между популяциями или видами. Использование этих подходов может раскрыть молекулярную основу недавних изменений в наших предках и других организмах, подчеркнув, как мы адаптируемся к постоянно меняющимся условиям.

Эволюция человека: молекулярный анализ

Похожие