Молекулярная антропология

Молекулярная антропология , также известная как генетическая антропология , — это исследование того, как молекулярная биология способствовала пониманию эволюции человека. Эта область антропологии исследует эволюционные связи между древними и современными человеческими популяциями, а также между современными видами. Обычно сравнения проводятся между последовательностями ДНК или белковыми последовательностями; однако в ранних исследованиях использовалась сравнительная серология .

Изучая последовательности ДНК в разных популяциях, ученые могут определить близость взаимоотношений между популяциями (или внутри популяций). Определенные сходства в генетическом составе позволяют молекулярным антропологам определять, принадлежат ли разные группы людей к одной и той же гаплогруппе и, следовательно, имеют ли они общее географическое происхождение. Это важно, поскольку позволяет антропологам отслеживать закономерности миграции и расселения , что дает полезную информацию о том, как современные популяции формировались и развивались с течением времени.

Молекулярная антропология оказалась чрезвычайно полезной для установления эволюционного древа человека и других приматов , включая близкородственные виды, такие как шимпанзе и гориллы. Хотя, например, между людьми и шимпанзе явно существует множество морфологических сходств, некоторые исследования также пришли к выводу, что между ДНК обоих видов имеется примерно 98-процентное сходство. Однако более поздние исследования изменили общность с 98 процентов до 94 процентов, показав, что генетический разрыв между людьми и шимпанзе больше, чем первоначально предполагалось. Такая информация полезна для поиска общих предков и лучшего понимания того, как развивались люди.

Гаплоидные локусы в молекулярной антропологии

Изображение митохондрии. В клетке много митохондрий, и ДНК в них реплицируется независимо от хромосом в ядре.

У людей существуют две непрерывные группы сцепления , переносимые представителями одного пола. Первая — Y-хромосома , которая передается от отца к сыну. Анатомические женщины несут Y-хромосому очень редко из-за генетического дефекта. Другая группа связей — это митохондриальная ДНК (мтДНК). МтДНК почти всегда передается следующему поколению только женщинами, но в исключительных обстоятельствах мтДНК может передаваться и через мужчин. Нерекомбинантная часть Y-хромосомы и мтДНК в нормальных условиях не подвергаются продуктивной рекомбинации. Часть Y-хромосомы может подвергнуться рекомбинации с Х-хромосомой, и в истории обезьяны граница изменилась. Подобные рекомбинантные изменения в нерекомбинантной области Y встречаются крайне редко.

Митохондриальная ДНК

Иллюстрация митохондриальной ДНК человека с контрольной областью (CR, серого цвета), содержащей гипервариабельные последовательности I и II.

Митохондриальная ДНК стала областью исследований филогенетики в конце 1970-х годов. В отличие от геномной ДНК, она имела преимущества в том, что не подвергалась рекомбинации. Процесс рекомбинации, если он достаточно частый, нарушает способность создавать экономные деревья из-за длинных аминокислотных замен (SNP). При рассмотрении отдаленно родственных видов рекомбинация представляет собой меньшую проблему, поскольку рекомбинация между ветвями общих предков предотвращается после того, как происходит истинное видообразование. При изучении близкородственных видов или разветвлений внутри видов рекомбинация создает большое количество «нерелевантных SNP» для кладистического анализа. МтДНК в процессе деления органелл со временем стала клональной; очень небольшая часть отцовской мтДНК, а часто и вовсе ее не передается. Хотя в мтДНК может произойти рекомбинация, риск ее передачи следующему поколению незначителен. В результате мтДНК становятся клональными копиями друг друга, за исключением случаев возникновения новой мутации. В результате мтДНК не имеет недостатков аутосомных локусов при изучении в группах скрещивания. Еще одним преимуществом мтДНК является то, что гипервариабельные области развиваются очень быстро; это показывает, что определенные области митохондриальной ДНК приближаются к нейтральности. Это позволило использовать митохондриальную ДНК, чтобы определить, что относительный возраст человеческой популяции был небольшим, поскольку она пережила недавнее сокращение примерно 150 000 лет назад (см. #Причины ошибок ).

Митохондриальная ДНК также использовалась для проверки близости шимпанзе к человеку по сравнению с гориллами и для проверки родства этих трех видов по отношению к орангутанам .

Как показано, узкое место в популяции было обнаружено с помощью филогенетических исследований мтДНК внутри человека; длина самого узкого места не определена в зависимости от мтДНК.

Совсем недавно, Геном мтДНК использовался для оценки закономерностей ветвления у народов по всему миру, например, когда и как был заселен новый мир. Проблема этих исследований заключалась в том, что они в значительной степени полагаются на мутации в кодирующей области. Исследователи все чаще обнаруживают, что по мере перемещения людей из юго-восточных регионов Африки в кодирующей области накапливалось больше мутаций, чем ожидалось, и считается, что при переходе в новый мир некоторые группы пройти из азиатских тропиков в Сибирь, в древнюю область суши под названием Берингия и быстро мигрировать в Южную Америку. Многие из мтДНК имеют гораздо больше мутаций и в редко мутирующих кодирующих сайтах по сравнению с ожидаемыми нейтральными мутациями.

Митохондриальная ДНК имеет еще одно преимущество перед аутосомной ДНК. Обычно в каждой клетке имеется от 2 до 4 копий каждой хромосомы (от 1 до 2 от каждой родительской хромосомы). мтДНК может быть от десятков до сотен в каждой клетке. Это увеличивает количество каждого локуса мтДНК как минимум на величину. Что касается древней ДНК, в которой ДНК сильно деградировала, количество копий ДНК помогает удлинять и соединять короткие фрагменты вместе, а также уменьшает количество костей, извлекаемых из очень ценных ископаемых/древних останков. В отличие от Y-хромосомы, останки как мужчин, так и женщин несут мтДНК примерно в равных количествах.

Схема типичной животной клетки с указанием субклеточных компонентов. Органеллы : (1) ядрышко (2) ядро ​​(9) митохондрии.

Y-хромосома

Иллюстрация Y-хромосомы человека

Y-хромосома находится в ядре нормальных клеток ( ядерная ДНК ). В отличие от мтДНК, она имеет мутации в нерекомбинантной части (NRY) хромосомы, расположенной на большом расстоянии друг от друга, настолько далеко друг от друга, что обнаружение мутаций на новых Y-хромосомах является трудоемким делом по сравнению с мтДНК. Многие исследования полагаются на тандемные повторы; однако тандемные повторы могут быстро расширяться и сокращаться по некоторым предсказуемым закономерностям. Y-хромосома отслеживает только мужские линии и не обнаруживается у женщин, тогда как мтДНК можно отследить у мужчин, даже если они не передают мтДНК. Кроме того, было подсчитано, что эффективные мужские популяции в доисторический период обычно состояли из двух самок на одного самца, а недавние исследования показывают, что культурная гегемония играет большую роль в прохождении Y. Это создало разногласия между самцами и самками для Времени . до самого недавнего общего предка (TMRCA). Оценки Y TMRCA варьируются от 1/4 до менее 1/2 от оценки мтДНК TMRCA. Неясно, связано ли это с высоким соотношением самцов и самок в прошлом в сочетании с повторными миграциями из Африки в результате изменения скорости мутаций, или с тем, что некоторые даже предполагают, что самки LCA между шимпанзе и людьми продолжали передавать ДНК миллионы после того, как мужчины перестали передавать ДНК. В настоящее время имеются убедительные доказательства того, что в ходе миграции соотношение мужчин и женщин у людей могло снизиться, что неоднократно приводило к сокращению Y-разнообразия внутри и за пределами Африки.

Схема Х-хромосомы человека, показывающая генетическую карту

Для молекулярной филогенетики ближнего действия и молекулярного синхронизации Y-хромосома очень эффективна и открывает вторую перспективу. Один из возникших аргументов заключался в том, что маори по мтДНК, по-видимому, мигрировали из Восточного Китая или Тайваня, а по Y-хромосоме - из региона Папуа-Новой Гвинеи. Когда гаплотипы HLA были использованы для оценки двух гипотез, выяснилось, что обе верны и что маори представляют собой смешанную популяцию. Такие примеси, по-видимому, распространены в человеческой популяции, и поэтому использование одного гаплоидного локуса может дать предвзятую точку зрения.

Х-связанные исследования

Х-хромосома также является формой ядерной ДНК. Поскольку он встречается в виде 1 копии у мужчин и 2 неидентичных хромосом у женщин, он имеет плоидность 1,5. Однако у людей эффективная плоидность несколько выше, ~ 1,7, поскольку на протяжении большей части предыстории человечества самки в размножающейся популяции имели тенденцию превосходить численность самцов в соотношении 2: 1. Как и мтДНК, Х-сцепленная ДНК имеет тенденцию уделять больше внимания истории женского населения, чем мужского. Было проведено несколько исследований локусов на Х-хромосоме, всего исследовано 20 участков. К ним относятся PDHA1, PDHA1, Xq21.3, Xq13.3, Zfx , Fix, Il2rg, Plp, Gk, Ids, Alas2, Rrm2p4, AmeIX, Tnfsf5, Licam и Msn. Время до появления самого последнего общего предка (TMRCA) колеблется от фиксированного до ~ 1,8 миллиона лет со средним значением около 700 тысяч лет. Эти исследования приблизительно соответствуют ожидаемому распределению фиксации аллелей, учитывая неравновесие по сцеплению между соседними сайтами. Для некоторых аллелей точка происхождения неуловима, для других точка происхождения указывает на Африку к югу от Сахары. Внутри SSA есть некоторые различия, которые предполагают меньший регион, но не хватает достаточного размера выборки и охвата, чтобы определить место самого недавнего общего предка. TMRCA согласуется с узким местом, подразумеваемым мтДНК, и уверенно расширяет его примерно до 500 000 лет.

Аутосомные локусы

Схема кариотипа человека . На нем показаны 22 гомологичные пары аутосомных хромосом, как женская (XX), так и мужская (XY) версии двух половых хромосом , а также митохондриальный геном (внизу слева).

Дополнительная информация: Кариотип.

Секвенирование древней ДНК

МтДНК неандертальцев Кринга была секвенирована, и сходство последовательностей указывает на столь же недавнее происхождение из небольшой популяции неандертальской ветви поздних гоминид . Ген MCR1 также был секвенирован, но результаты противоречивы: в одном исследовании утверждается, что проблемы загрязнения не могут быть решены на основе сходства с неандертальцами человека. Однако важно отметить, что не было получено никакой последовательности ДНК ни от Homo erectus , ни от Homo floresiensis , ни от каких-либо других поздних гоминидов. Некоторые из полученных древних последовательностей содержат весьма вероятные ошибки и требуют надлежащего контроля во избежание загрязнения.

Сравнение различий между мтДНК человека и неандертальца

Причины ошибок

Молекулярная филогенетика основана на количественных заменах и последующем сравнении последовательностей с другими видами. В этом процессе есть несколько моментов, которые создают ошибки. Первой и самой большой проблемой является поиск «якорей», которые позволят исследованиям откалибровать систему. В этом примере существует 10 мутаций между шимпанзе и человеком, но у исследователя нет известных окаменелостей, которые были бы родственными обоим, но не являлись предками следующего вида на дереве, гориллы . Тем не менее, существуют окаменелости, которые, как полагают, являются предками орангутанов и людей и датируются примерно 14 миллионами лет назад. Таким образом, исследователь может провести сравнение орангутанга и человека и получить разницу в 24. Используя это, он может оценить (24/(14*2, «2» соответствует длине ветви до человека (14my), а ветвь к орангутангу (14 лет назад) от их последнего общего предка (LCA). Частота мутаций равна 0,857 для участка последовательности. Тем не менее, частота мутаций указана как частота на нуклеотид (nt)-участок, так что если последовательность была скажем. При длине 100 нт эта скорость составит 0,00857/нт на миллион лет. Десять мутаций * 100 нт/(0,00857 * 2) = 5,8 миллиона лет.

Проблема калибровки

Есть несколько проблем, не описанных выше. Во-первых, мутации происходят как случайные события. Во-вторых, вероятность того, что какой-либо сайт в геноме меняется, отличается от следующего сайта. Очень хорошим примером являются кодоны аминокислот: первые две нт в кодоне могут мутировать с частотой 1 на миллиард лет, но третья нт может мутировать. 1 на миллион лет. Если ученые не изучат последовательность очень многих животных, особенно тех, которые находятся близко к исследуемой ветви, они, как правило, не знают, какова скорость мутации для данного сайта. Мутации действительно происходят в 1-й и 2-й позициях кодонов, но в большинстве случаев эти мутации подвергаются негативному отбору и поэтому удаляются из популяции в течение небольших периодов времени. При определении скорости эволюции якоря возникает проблема, которую создает случайная мутация. Например, частота 0,005 или 0,010 также может объяснить 24 мутации в соответствии с биномиальным распределением вероятностей . Некоторые из мутаций, которые действительно произошли между ними, вернулись, скрывая изначально более высокий уровень заболеваемости. На это может повлиять отбор: редкая мутация может быть избирательной в момент X во времени, но позже климат может измениться или вид мигрирует, и он больше не является избирательным, и давление оказывается на новые мутации, которые обращают вспять изменение, а иногда и реверсию. Это не может произойти, чем больше расстояние между двумя видами, тем более вероятно, что это произойдет. Кроме того, оба вида от этого предкового вида могут случайным образом мутировать сайт на один и тот же нуклеотид. Во многих случаях эту проблему можно решить, получив образцы ДНК видов на ветвях, создав экономное дерево, в котором можно определить порядок мутаций, создав диаграмму длины ветвей. Эта диаграмма затем даст более точную оценку мутаций между двумя видами. Статистически можно определить дисперсию на основе проблемы случайности, обратных мутаций и параллельных мутаций (гомоплазии) при создании диапазона ошибок.

Однако существует еще одна проблема с калибровкой, которая не поддается статистическому анализу. Существует истинное/ложное отнесение окаменелости к наименее общему предку. В действительности шансы иметь в качестве якоря наименее общего предка двух существующих видов невелики, часто это ископаемое уже находится в одной ветви (недооценка возраста), лежит в третьей ветви (недооценка возраста) или в случае внутри вида LCA, возможно, были на миллионы лет старше ветви. На сегодняшний день единственный способ оценить эту дисперсию — применить молекулярную филогенетику к видам, которые, как утверждается, являются точками ветвления. Однако это лишь идентифицирует «отдаленные» опорные точки. А поскольку наиболее распространенные окаменелости, скорее всего, моложе точки ветвления, отдаленные ископаемые могут быть просто редкими более старыми представителями. Эти неизвестные создают неопределенность, которую трудно измерить количественно, и часто даже не пытаются это сделать.

В недавних работах удалось грубо оценить дисперсию. Общая тенденция открытия новых окаменелостей заключается в том, что более старые окаменелости недооценивают возраст точки ветвления. В дополнение к этой датировке окаменелостей в истории были ошибки, и было много пересмотренных датировок. Возраст, приписываемый исследователями некоторым основным точкам ветвления, за последние 30 лет увеличился почти вдвое. Прекрасным примером этого являются дебаты по поводу LM3 (озера Мунго 3) в Австралии. Первоначально он был датирован примерно 30 тысячелетием с помощью радиоуглеродного датирования, однако с радиоуглеродным датированием возникают проблемы для образцов возрастом более 20 тысяч лет и серьезные проблемы для образцов возрастом около 30 тысяч лет. Другое исследование, изучавшее окаменелость, оценило ее возраст в 62 тыс. лет.

В тот момент, когда у вас есть оценка частоты мутаций, учитывая вышеизложенное, должно быть два источника дисперсии, которые необходимо перекрестно умножить, чтобы получить общую дисперсию. В литературе это делается нечасто.

Проблемы с оценкой TMRCA

Время до самого последнего общего предка ( TMRCA ) объединяет ошибки калибровки с ошибками определения возраста локальной ветви.

История

Белковая эра

Структура гемоглобина человека. Гемоглобины десятков животных и даже растений были секвенированы в 1960-х и начале 1970-х годов.

Когда в начале 1960-х годов была открыта ДНК в качестве генетического материала, секвенирование белков начало набирать обороты. Секвенирование белков началось с цитохрома С и гемоглобина. Герхард Браунитцер секвенировал гемоглобин и миоглобин , в общей сложности было сделано более сотни последовательностей самых разных видов. В 1967 году А.С. Уилсон начал продвигать идею «молекулярных часов». К 1969 году молекулярная синхронизация была применена к эволюции антропоидов, и В. Сарич и А.С. Уилсон обнаружили, что альбумин и гемоглобин имеют сопоставимые скорости эволюции, что указывает на то, что шимпанзе и люди разделились примерно 4–5 миллионов лет назад. В 1970 году Луис Лики опроверг этот вывод, приводя доводы в пользу неправильной калибровки молекулярных часов. К 1975 году секвенирование белков и сравнительная серология были использованы для предположения, что ближайшим из ныне живущих родственников человека (как вида ) были шимпанзе. Оглядываясь назад, можно сказать, что последний общий предок (LCA) человека и шимпанзе старше, чем предполагали Сарич и Уилсон , но и не такой старый, как утверждал Лики. Однако Лики был прав в отношении различия обезьян Старого и Нового Света: значение, использованное Саричем и Уилсоном, было значительно занижено. Эта ошибка в возможностях прогнозирования подчеркивает общую тему. (См. Причины ошибок )

Разница ДНК

Полиморфизм длины рестрикционных фрагментов изучает разрезание мтДНК на фрагменты. Позже ПЦР будет сосредоточена на «контрольной» петле D в верхней части круга.

RLFP и гибридизация ДНК

В 1979 году У.М.Браун и Уилсон начали изучать эволюцию митохондриальной ДНК у животных и обнаружили, что они быстро развиваются. Они использовали метод полиморфизма длины рестрикционных фрагментов ( ПДРФ ), который в то время был более доступным по сравнению с секвенированием. В 1980 году У.М. Браун, изучая относительные различия между человеком и другими видами, признал, что недавно (180 000 лет назад) произошло сокращение человеческой популяции. Год спустя Браун и Уилсон изучали фрагменты RFLP и определили, что человеческая популяция увеличилась позже, чем другие популяции обезьян. В 1984 году была получена первая последовательность ДНК вымершего животного. Сибли и Алквист применяют технологию гибридизации ДНК-ДНК к филогении антропоидов и видят, что разделение пан/человек ближе, чем разделение горилла/пан или горилла/человек, что является весьма спорным утверждением. Однако в 1987 году им удалось обосновать свое утверждение. В 1987 году Канн, Стоункинг и Уилсон с помощью RFLP-анализа митохондриальной ДНК человека предположили, что люди произошли от африканского сгустка одной самки в небольшой популяции, примерно 10 000 особей, 200 000 лет назад.

Эра ПЦР

ПЦР может быстро амплифицировать ДНК от одной молекулы до миллиардов, что позволит секвенировать человеческие волосы или древнюю ДНК.

В 1987 году для определения последовательностей впервые была использована ПЦР-амплификация мтДНК. В 1991 году Виджиланте и др. опубликовал плодотворную работу по филогении мтДНК, в которой говорится о том, что Африка к югу от Сахары является местом обитания самых недавних общих предков людей для всех мтДНК. Война между Африкой и мультирегионализмом, уже кипящая критикой Аллана Темплтона, вскоре обострилась с участием таких палеоантропологов, как Милфорд Уолпофф. В 1995 году Ф. Айала опубликовал свою критическую научную статью «Миф о Еве», в которой использовалась последовательность HLA-DR . Однако в то время Аяла не знала о быстрой эволюции локусов HLA посредством рекомбинаторного процесса. В 1996 году Пархем и Ота опубликовали свои открытия о быстрой эволюции HLA путем рекомбинации на коротких дистанциях («конверсия гена» или «абортивная рекомбинация»), ослабив утверждение Айалы (на самом деле Пархем написал обзор годом ранее, но это уже прошло). незаметно). Поток документов последовал бы с обеих сторон, многие из которых содержали крайне ошибочные методы и выборку. Один из наиболее интересных было Harris and Hey, 1998, которое показало, что TMCRA (время до самого последнего общего предка) для гена PDHA1 значительно превышало 1 миллион лет. Учитывая плоидность этого локуса 1,5 (в 3 раза выше, чем у мтДНК), TMRCA более чем вдвое превысил ожидаемый результат. Хотя это попадает в «кривую фиксации» плоидности 1,5 (в среднем 2 самки и 1 самец), предполагаемый возраст 1,8 млн лет близок к значительно отклоняющемуся значению p для размера популяции, что, возможно, указывает на то, что человеческая популяция сократилась или отделилась от другое население. Как ни странно, следующий Х-сцепленный локус, который они исследовали, Фактор IX, показал TMRCA менее 300 000 лет.

Сшитая ДНК, извлеченная из 4000-летней печени древнеегипетского жреца по имени Нехт-Анх.

Древняя ДНК

Секвенирование древней ДНК проводилось в ограниченных масштабах вплоть до конца 1990-х годов, когда сотрудники Института Макса Планка потрясли мир антропологии, секвенировав ДНК неандертальца возрастом примерно 40 000 лет . Результатом этого эксперимента стало то, что различия между людьми, живущими в Европе, многие из которых произошли от гаплогруппы H (CRS), неандертальцы развились от людей более чем за 300 000 лет до того, как гаплогруппа H достигла Европы. В то время как мтДНК и другие исследования продолжали поддерживать уникальное недавнее африканское происхождение, это новое исследование в основном ответило на критику со стороны неандертальцев.

Геномное секвенирование

Значительный прогресс был достигнут в геномном секвенировании с тех пор, как Ингман и его коллеги опубликовали свои открытия о митохондриальном геноме. Опубликовано несколько статей по геномной мтДНК; существует значительная изменчивость скорости эволюции, а вариация скорости и отбор очевидны на многих участках. В 2007 году Гондер и др. предположил, что основная популяция людей с наибольшим уровнем разнообразия и наименьшим отбором когда-то жила в районе Танзании и близлежащих частях южной Африки; с тех пор, как люди покинули эту часть Африки, митохондрии избирательно эволюционировали в новые регионы.

Критический прогресс

Критическое значение в истории молекулярной антропологии:

• Молекулярная филогенетика могла бы конкурировать со сравнительной антропологией в определении близости видов к человеку.
• В 1975 году Уилсон и Кинг осознали, что, хотя уровень молекулярной эволюции от шимпанзе к человеку и предполагаемому LCA был одинаковым, в морфологической эволюции существовало неравенство. Сравнительная морфология, основанная на окаменелостях, может быть искажена разной скоростью изменений.
• Осознание того, что в ДНК существует множество независимых сравнений. Два метода, мтДНК и гибридизация, сходятся в одном ответе: шимпанзе как вид наиболее тесно связаны с человеком.
• Возможность определять размеры популяции на основе правила 2N, предложенного Кимурой в 1950-х годах. Использовать эту информацию для сравнения относительных размеров популяции и прийти к выводу о численности, которая противоречит наблюдениям, основанным на палеонтологических данных. Хотя окаменелости человека раннего и среднего каменного века гораздо более многочисленны, чем окаменелости шимпанзе или гориллы, существует мало однозначных окаменелостей шимпанзе или горилл того же периода.

Локусы, которые использовались в молекулярной филогенетике:

Цитохром С

Сывороточный альбумин

Hemoglobin - Braunitizer, 1960s, Harding et al. 1997

Митохондриальная D-петля - группа Вильсона, 1980, 1981, 1984, 1987, 1989, 1991 (посмертно) - TMRCA около 170 тыс. лет назад.

Y-хромосома

HLA-DR - Ayala 1995 - TMRCA для локуса составляет 60 миллионов лет.

CD4 (Интрон) - Тишкофф, 1996 г. - большая часть разнообразия находится в Африке.

PDHA1 (X-сцепленный) Харрис и Эй - TMRCA для локуса старше 1,5 миллионов лет.

: PDHA1, Xq21.3, Xсвязанные локусы
Аутосомный: Многочисленный.

Внешние ссылки

• Аллан Уилсон - Новейшая история науки и технологий
• DNAanthro - Молекулярная антропология - Технические группы - Yahoo (бесплатная дискуссионная группа)