Молекулярная антропология - Molecular anthropology

Молекулярная антропология , также известная как генетическая антропология , - это область антропологии, в которой молекулярный анализ используется для определения эволюционных связей между древними и современными человеческими популяциями, а также между современными видами. Как правило, сравнения производят между последовательностями либо последовательностей ДНК, либо последовательностей белка ; однако в ранних исследованиях использовалась сравнительная серология .

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

Молекулярная антропология оказалась чрезвычайно полезной в установлении эволюционного древа человека и других приматов , включая близкородственные виды, такие как шимпанзе и гориллы. Хотя , например, между людьми и шимпанзе явно есть много морфологических сходств, некоторые исследования также пришли к выводу, что между ДНК обоих видов существует примерно 98% общего. Однако более поздние исследования изменили общность с 98 процентов до общности 94 процента, показав, что генетический разрыв между людьми и шимпанзе больше, чем предполагалось изначально. Такая информация полезна для поиска общих предков и лучшего понимания эволюции человека.

Гаплоидные локусы в молекулярной антропологии

Изображение митохондрии. Внутри клетки много митохондрий, и ДНК в них реплицируется независимо от хромосом в ядре.

У людей есть две группы непрерывных сцеплений , принадлежащих к одному полу. Первая - это Y-хромосома , которая передается от отца к сыну. Анатомические женщины редко несут Y-хромосому из-за генетического дефекта. Другая группа сцепления - это митохондриальная ДНК (мтДНК). МтДНК почти всегда передается следующему поколению только женщинами, но в очень 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 подвергаться рекомбинации с X-хромосомой, и в истории обезьян границы изменились. Такие рекомбинантные изменения в нерекомбинантной области Y чрезвычайно редки.

Митохондриальная ДНК

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

Митохондриальная ДНК стала областью филогенетических исследований в конце 1970-х годов. В отличие от геномной ДНК, она давала преимущества в том, что она не подвергалась рекомбинации. Процесс рекомбинации, если он достаточно частый, нарушает способность создавать экономичные деревья из-за участков аминокислотных замен (SNP). При поиске между отдаленно родственными видами рекомбинация представляет меньшую проблему, поскольку рекомбинация между ветвями от общих предков предотвращается после того, как происходит истинное видообразование. При изучении близкородственных видов или ветвления внутри видов рекомбинация создает большое количество «нерелевантных SNP» для кладистического анализа. МтДНК в процессе деления органелл со временем стала клональной; очень мало или часто совсем не передается отцовская мтДНК. Хотя рекомбинация может происходить в мтДНК, существует небольшой риск ее передачи следующему поколению. В результате мтДНК становятся клональными копиями друг друга, за исключением случаев возникновения новой мутации. В результате мтДНК не имеет ловушек аутосомных локусов при изучении в группах скрещивания. Другое преимущество мтДНК состоит в том, что гипервариабельные области развиваются очень быстро; это показывает, что определенные участки митохондриальной ДНК приближаются к нейтральности. Это позволило использовать митохондриальную ДНК, чтобы определить, что относительный возраст человеческой популяции был небольшим, поскольку она недавно пережила сокращение примерно 150 000 лет назад (см. # Причины ошибок ).

Митохондриальная ДНК также использовалась для проверки близости шимпанзе к человеку относительно горилл и для проверки родства этих трех видов с орангутангами .

Узкое место в популяции, как проиллюстрировано, было обнаружено филогенетическими исследованиями внутричеловеческой мтДНК; длина самого узкого места на мтДНК не определена.

Совсем недавно геном мтДНК использовался для оценки паттернов 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 полагались на мутации в кодирующей области. Исследователи все чаще обнаруживают, что по мере перемещения людей из юго-восточных регионов Африки в кодирующем регионе накапливается больше мутаций, чем ожидалось, и при переходе в новый мир некоторые группы, как полагают, перешли из азиатских тропиков в Сибирь на древние земли. регион под названием Берингия быстро перекочевал в Южную Америку. Многие из мтДНК имеют гораздо больше мутаций и редко мутируют в 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). Для мтДНК может быть от десятков до сотен в каждой клетке. Это увеличивает количество каждого локуса мтДНК по крайней мере на величину. Для древней ДНК, в которой ДНК сильно деградирована, количество копий ДНК помогает удлинить и соединить короткие фрагменты вместе и уменьшить количество костей, извлеченных из очень ценных ископаемых / древних останков. В отличие от Y-хромосомы, как мужские, так и женские останки несут мтДНК примерно в равных количествах.

Схема типичной животной клетки, показывающая субклеточные компоненты. 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, у него есть мутации в нерекомбинантной части (NRY) хромосомы, разнесенной так далеко друг от друга, что обнаружение мутаций на новых Y-хромосомах трудоемко по сравнению с мтДНК. Многие исследования полагаются на тандемные повторы; однако тандемные повторы могут быстро расширяться и сокращаться по некоторым предсказуемым схемам. Y-хромосома отслеживает только мужские линии и не обнаруживается у женщин, тогда как мтДНК можно проследить у мужчин, даже если они не могут передать мтДНК. Кроме того, было подсчитано, что эффективные мужские популяции в доисторический период, как правило, составляли две женщины на каждого мужчину, и недавние исследования показывают, что культурная гегемония играет большую роль в переходе Y. Это создало разногласия между мужчинами и женщинами на время к самому недавнему общему предку (TMRCA). Оценки для Y TMRCA варьируются от 1/4 до менее чем 1/2 оценки для 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 же некоторые даже предполагали, что самки LCA между шимпанзе и людьми продолжали жить. проходят миллионы ДНК после того, как мужчины перестают передавать ДНК. В настоящее время наиболее достоверные данные свидетельствуют о том, что во время миграции соотношение мужчин и женщин у людей могло снизиться, что многократно приводило к сокращению Y-разнообразия как внутри, так и за пределами Африки.

Диаграмма Х-хромосомы человека, показывающая генетическую карту

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

Х-сцепленные исследования

Х-хромосома также является формой ядерной ДНК. Поскольку он обнаружен 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 самки в размножающейся популяции имели тенденцию превосходить самцов по численности в 2: 1 на протяжении большей части доисторической истории человечества. 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 изучено 20 сайтов. К ним относятся PDHA1, PDHA1, Xq21.3, Xq13.3, Zfx , Fix, Il2rg, Plp, Gk, Ids, Alas2, Rrm2p4, AmeIX, Tnfsf5, Licam и Msn. Время до последнего общего предка (TMRCA) колеблется от фиксированного до ~ 1,8 миллиона лет со средним значением около 700 тысяч. Эти исследования примерно соответствуют ожидаемому распределению фиксации аллелей с учетом неравновесия сцепления между соседними сайтами. Для некоторых аллелей точка происхождения неуловима, для других точка происхождения указывает на Африку к югу от Сахары. В пределах SSA есть некоторые различия, которые предполагают меньший регион, но не хватает достаточного размера выборки и охвата, чтобы определить место последнего общего предка. TMRCA уверенно расширяет узкое место, подразумеваемое мтДНК, примерно до 500000 лет.

Аутосомные локусы

Вариация скорости

Секвенирование древней ДНК

МтДНК неандертальцев Крингса была секвенирована, и сходство последовательностей указывает на столь же недавнее происхождение от небольшой популяции неандертальской ветви поздних гоминидов. Ген MCR1 также был секвенирован, но результаты противоречивы: в одном исследовании утверждается, что проблемы загрязнения не могут быть решены на основе сходства с человеческими неандертальцами. Однако критично то, что не было получено никакой последовательности ДНК от Homo erectus, Homo floriensis или каких-либо других поздних гоминидов. Некоторые из полученных древних последовательностей имеют весьма вероятные ошибки и надлежащий контроль во избежание загрязнения.

Сравнение различий между мтДНК человека и неандертальца

Причины ошибок

Молекулярная филогенетика основана на количественных заменах и последующем сравнении последовательности с другими видами. В процессе есть несколько моментов, которые создают ошибки. Первая и самая большая проблема - найти «якоря», которые позволят исследователям откалибровать систему. В этом примере существует 10 мутаций между шимпанзе и людьми , но у исследователя нет известных окаменелостей, которые являются предками обоих, но не являются предками следующего вида на дереве, гориллы . Однако есть окаменелости, которые считаются предками орангутанов и людей примерно 14 миллионов лет назад. Чтобы исследователь мог использовать сравнение Орангутанга и Человека и получил разницу в 24. Используя это, он может оценить (24 / (14 * 2, «2» - длина ветви до Человека (14my), а ответвление к орангутангу (14 млн лет) от их последнего общего предка (LCA). Скорость мутации 0,857 для участка последовательности. Тем не менее, скорость мутации дана как скорость на нуклеотид (nt) -сайт, поэтому, 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 упомянутых выше. Во-первых, мутации происходят случайным образом. Во-вторых, вероятность того, что любой сайт в геноме изменяется, отличается от следующего сайта, очень хорошим примером являются кодоны для аминокислот, первые два нуклеотида в кодоне могут мутировать с частотой 1 раз в миллиард лет, а третий нуклеотид может мутировать. 1 на миллион лет. Если ученые не изучат последовательность очень многих животных, особенно близких к исследуемой ветви, они, как правило, не знают, какова скорость мутации для данного участка. Мутации действительно происходят в 1-м и 2-м положениях кодонов, но в большинстве случаев эти мутации подвергаются отрицательному отбору и поэтому удаляются из популяции в течение небольших периодов времени. При определении скорости эволюции якоря возникает проблема, которую создает случайная мутация. Например, коэффициент 0,005 или 0,010 может также объяснить 24 мутации в соответствии с биномиальным распределением вероятностей . Некоторые из мутаций, которые произошли между ними, вернулись, скрывая первоначально более высокую частоту. В этом может сыграть роль отбор, редкая мутация может быть селективной в момент X времени, но позже климат может измениться, или вид мигрирует, и он больше не является селективным, и давление будет оказываться на новые мутации, которые обращают изменение, а иногда и на реверсию. Может случиться так, что чем больше расстояние между двумя видами, тем более вероятно, что это произойдет. Кроме того, от этого предкового вида оба вида могут случайным образом мутировать сайт на один и тот же нуклеотид. Во многих случаях эту проблему можно решить путем получения образцов ДНК от видов в ветвях, создания экономичного дерева, в котором можно вывести порядок мутаций, создания диаграммы 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 (гомоплазий) при создании диапазона ошибок.

Однако существует еще одна проблема калибровки, которая не поддается статистическому анализу. Существует верное / ложное обозначение ископаемого наименее общего предка. 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 существования внутри вида LCA, возможно, был на миллионы лет старше ветви. На сегодняшний день единственный способ оценить эту дисперсию - применить молекулярную филогенетику к видам, которые считаются точками ветвления. Однако это только определяет «удаленные» точки привязки. И поскольку более вероятно, что более многочисленные окаменелости моложе точки ветвления, отдаленные окаменелости могут быть просто редким более старым представителем. Эти неизвестные создают неопределенность, которую трудно измерить количественно, и зачастую это не делается.

В недавних работах можно было приблизительно оценить дисперсию. Общая тенденция обнаружения новых окаменелостей заключается в том, что более старые окаменелости недооценивают возраст точки ветвления. В дополнение к этому датированию окаменелостей было много ошибок, и было много пересмотренных датировок. Возраст, присвоенный исследователями некоторым основным точкам ветвления, за последние 30 лет увеличился почти вдвое. Прекрасным примером этого являются дебаты по поводу LM3 (озеро Мунго 3) в Австралии. Первоначально углеродным датированием было около 30 тысяч лет назад, однако углеродное датирование имеет проблемы для образцов возрастом более 20 тысяч лет и серьезные проблемы для образцов в возрасте около 30 тысяч лет. Другое исследование изучило окаменелость и оценило возраст в 62 тысячи лет.

В момент, когда есть оценка скорости мутаций, с учетом вышеизложенного должно быть два источника дисперсии, которые необходимо перемножить для получения общей дисперсии. В литературе это делается нечасто.

Проблемы при оценке TMRCA

Время до 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 ДНК была недавно открыта в качестве генетического материала, в начале 1960-х годов начало набирать популярность секвенирование белков. Секвенирование белков началось с цитохрома С и гемоглобина. Герхард Браунитцер секвенировал гемоглобин и миоглобин , в общей сложности было сделано более сотни последовательностей из самых разных видов. В 1967 году А.С. Уилсон начал продвигать идею «молекулярных часов». К 1969 году молекулярное тактирование было применено к эволюции антропоидов, и В. Сарич и А.К. 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 Луи Лики противопоставил этому выводу аргументы в пользу неправильной калибровки молекулярных часов. К 1975 году секвенирование белков и сравнительная серология были использованы, чтобы предположить, что ближайшим живым родственником человека (как вида ) был шимпанзе. Оглядываясь назад, можно сказать, что последний общий предок (LCA) от людей и шимпанзе кажется старше, чем предполагали Сарич и Уилсон , но и не таким старым, как утверждал Лики. Однако Лики был прав в расхождении обезьян старого и нового мира, значение, которое использовали Сарич и Уилсон, было значительно недооценено. Эта ошибка в возможности прогнозирования подчеркивает общую тему. (См. Причины ошибок )

Эпоха ДНК

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

RLFP и гибридизация ДНК

В 1979 году В.М.Браун и Уилсон начали изучать эволюцию митоходриальной ДНК у животных и обнаружили, что они быстро эволюционируют. Метод, который они использовали, представлял собой полиморфизм длины рестрикционных фрагментов ( RFLP ), который в то время был более доступным по сравнению с секвенированием. В 1980 году WM Браун, глядя на относительное изменение между человеком и другими видами, признается было недавнее Сужение (180000 лет назад) в человеческой популяции. Годом позже Браун и Уилсон изучали фрагменты RFLP и определили, что человеческая популяция увеличилась в последнее время по сравнению с популяциями других обезьян. В 1984 году была сделана первая последовательность ДНК вымершего животного. Сибли и Алквист применяют технологию гибридизации ДНК-ДНК к антропоидной филогении и видят, что разделение пан / человек ближе, чем разделение гориллы / пан или гориллы / человека, - весьма спорное утверждение. Однако в 1987 году они смогли подтвердить свое требование. В 1987 году Канн, Стоункинг и Уилсон с помощью RFLP-анализа митохондриальной ДНК человека предположили, что люди произошли от сужения в Африке одной женщины в небольшой популяции, ~ 10 000 особей, 200 000 лет назад.

Эра ПЦР

ПЦР может быстро усилить ДНК с одной молекулы до миллиардов, позволяя секвенировать человеческие волосы или древнюю ДНК.

В 1987 году для определения последовательностей впервые была использована ПЦР-амплификация мтДНК. В 1991 году Vigilante et al. опубликовал основополагающую работу по филогении мтДНК, в которой Африка к югу от Сахары считается местом самых недавних общих предков людей для всех мтДНК. Война между выходцами из Африки и мультирегионализмом, уже кипящая из-за критики Аллана Темплтона, вскоре обострилась, и в нее вмешались такие палеоантропологи, как Милфорд Уолпофф. В 1995 году Ф. Айала опубликовал свою критическую Science статью «Миф о Еве», которая опиралась на HLA-DR последовательности. Однако в то время Аяла не знал о быстрой эволюции локусов HLA посредством рекомбинаторного процесса. В 1996 году Пархам и Охта опубликовали свои открытия о быстрой эволюции HLA за счет рекомбинации на коротких расстояниях («преобразование генов» или «прерванная рекомбинация»), ослабив утверждение Айяла (Пархам на самом деле написал обзор годом ранее, но этого не произошло. незаметно). С обеих сторон будет идти поток документов, многие из которых содержат весьма несовершенные методы и образцы. Одним из наиболее интересных был Harris and Hey, 1998, который показал, что TMCRA (время до последнего общего предка) для гена PDHA1 значительно превышает 1 миллион лет. Учитывая плоидность в этом локусе 1,5 (в 3 раза выше, чем мтДНК), TMRCA более чем вдвое превышает ожидание. Хотя это попадает в `` кривую фиксации '' плоидности 1,5 (в среднем 2 женщины и 1 мужчина), предлагаемый возраст 1,8 млн лет близок к значительному отклонению p-значения для размера популяции, что, возможно, указывает на то, что человеческая популяция сократилась или откололась от другое население. Как ни странно, следующий X-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 ограниченном масштабе до конца 1990-х годов, когда сотрудники Института Макса Планка потрясли мир антропологии, секвенировав ДНК примерно 40 000-летнего неандертальца . Результатом этого эксперимента является то, что различия между людьми, живущими в Европе, многие из которых произошли от гаплогруппы H (CRS), неандертальцы произошли от людей более чем за 300 000 лет до того, как гаплогруппа H достигла Европы. Хотя 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. Было опубликовано несколько статей по геномной мтДНК; скорость эволюции сильно различается, причем изменение скорости и отбор очевидны на многих участках. В 2007 году Gonder et al. предположили, что основная популяция людей с наибольшим уровнем разнообразия и наименьшим отбором когда-то жила в регионе Танзании и ближайших частях южной Африки, поскольку с тех пор, как люди покинули эту часть Африки, митохондрии избирательно эволюционировали в новые регионы.

Критический прогресс

Важнейшие в истории молекулярной антропологии:

  • Эта молекулярная филогенетика может конкурировать со сравнительной антропологией в определении близости видов к людям.
  • В 1975 году Уилсон и Кинг осознали, что, хотя существует равенство между уровнем молекулярной эволюции от шимпанзе до человека и предполагаемой LCA, существует неравенство в морфологической эволюции. Сравнительная морфология, основанная на окаменелостях, может быть искажена из-за разной скорости изменений.
  • Осознание того, что в ДНК есть несколько независимых сравнений. Два метода - мтДНК и гибридизация - сводятся к единому ответу: шимпанзе как вид наиболее тесно связаны с людьми.
  • Возможность определять размеры популяции на основе правила 2N, предложенного Кимурой в 1950-х годах. Использовать эту информацию для сравнения относительных размеров популяции и сделать вывод о численности, контрастирующей с наблюдениями, основанными на палеонтологических данных. Хотя окаменелости человека в раннем и среднем каменном веке гораздо более многочисленны, чем шимпанзе или гориллы, однозначных окаменелостей шимпанзе или горилл того же периода мало.

Локусы, использованные в молекулярной филогенетике:

Цитохром с
Сывороточный альбумин
Гемоглобин - Braunitizer, 1960-е, Harding et al. 1997 г.
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 - большая часть разнообразия находится в Африке.
PDHA1 (X-связанный) Harris and Hey - TMRCA для локуса старше 1,5 миллионов лет.

Xlinked локусы: PDHA1, Xq21.3, Xq13.3, Zfx , Fix, Il2rg, Plp, Gk, Ids, Alas2, Rrm2p4, AmeIX, Tnfsf5, Licam и Msn
Autosomal: Numerous .

использованная литература

внешние ссылки