Evolucijska genetika čovjeka

**Evolucijska genetika čovjeka** proučava razlike među ljudskim genomima i njihovim najbližim filogenetskim  srodnicima, njihovu zajedničku evolucijsku prošlost koja je dovela do tih razlika, te njene učinke i značenja u sadašnjosti. Razlike među genomima različitih ljudi imaju mnogostruke antropolške, medicinske,  forenzičke i društvene implikacije i primjenu. Podaci o genetičkoj konstituciji pojedinaca i genetičkoj strukturi populacije mogu dovesti do važnih spoznaja o evoluciji ljudske vrste, hominida i antropomorfnih majmuna.

## Porijeklo i evolucija majmuna
[mini|500px|[Taksonomija|Taksonomsko srodstvo među hominoidima]]
Savremena biosistematika uvrštavaju čovjeka, zajedno s nekoliko drugih vrsta primata, među velike čovjekolike majmune porodice *Hominidae*, potporodice *Hominini*. Hominidae obuhvaćaju dvije različite vrste čimpanzi (bonobo (Pan paniscus), i obična čimpanza (Pan troglodytes), dvije podvrste gorila (zapadni (obični)  gorila (Gorilla gorilla) i istočni ili planinski gorila (Gorilla graueri), te 2 podvrste orangutana (obični orangutan sa Bornea (Pongo pygmaeus) i sumatranski orangutan (Pongo abelii). U mnogim izvorima pomenutim podvrstama svih čovjekolikih majmuna se daje status vrste, iako među njima nema uočljive reproduktivne izolacije (što je temeljni kriterij biosistematske taksonomije).
Svi majmuni pripadaju redu primata koji obuhvata oko 400 vrsta. Prema analizama mitohondrijske DNK (mtDNK) i jedrove DNK (nDNK), primati spadaju u nadred Euarchontoglires, skupa s glodarima, dvozupcima, kožuškarima i tupajama (*Tupaiidae*). To dodatno podržava i  prisustvo *kratkih razbacanih elemenata* (eng.: *short interspersed nuclear elements - SINEs*) sličnih Alu sekvencama DNK koje se mogu naći samo kod  pripadnika *Euarchontoglires*.

### Diversifikacija 
[mini|center|900px|[Filogenetika|Filogenetičko stablo čovjeka.]]
Prikazano filogenetičko stablo najčešće se rekonstruira sekvenciranjem DNK ili proteina iz različitih populacija. Sekvence mitohondrijske DNK ili DNK iz hromosoma Y  često se koriste u proučavanju demografije iz daleke prošlosti. Podobnost ovih izvora DNK pojedinih lokusa potvrđuje činjenica da se oni nikad ne rekombiniraju i gotovo uvijek se nasljeđuju od jednog roditelja. Zapaženo je da su osobe iz različitih grupa sa jednog određenog kontinenta međusobno sličnije od onih sa različitih kontinenata. Korijen ovog filogenetičkog stabla je posljednji zajednički predak čimpanze]] i čovjeka, čija je prapostojbina bila u Africi. Vodoravna udaljenost u gornjem dijagramu ukazuje na dva podatka.
#**Genetička udaljenost** (u donjem dijelu dijagrama) vidljivo pokazuje da je genetička razlika između ljudi i čimpanza manja od 2%, ili 20 puta veća od one između modernih ljudi.
#**Vremenska udaljenost** od posljednjeg zajedničkog pretka, prema grubim procjenama, u milionima godina prikazana je iznad samog dijagrama. Prema osobenostima mitohondrijske DNK, posljednji zajednički predak svih modernih ljudi živio je otprilike prije 200.000 godina, dok je zajednički predak ljudi i čimpanza živio prije oko četiri do sedam miliona godina u odnosu na današnjicu.
Čimpanze i čovjek su u različitim rodovima, prikazanim crvenom bojom. Također, prikazan je i nastanak vrsta i podvrsta, dok je razlika rasa prikazana zelenim pravougaonikom na desnoj strani (uz prikaz je sasvim pojednostavljena verzija filogeneza ljudske vrste).

### Specijacija čovjeka i afričkih majmuna 
Međusobno izdvajanje evolucijske linije čovjeka i afričkih čovjekolikih majmuna (čimpanza i gorila) bilo je problem proučavanja više od jednog stoljeća. U tom periodu, naučnici su pokušavali naći odgovor na pet ključnih pitanja:
* Koja je savremena vrsta fmajmuna evolucijski najbliža čovjeku?
* Kada se zbilo razdvajanje evolucijskih linija čovjeka i njemu najsrodnijih majmuna?
* Kolika je bila veličina populacije posljednjeg zajedničkog pretka prije odvajanja?
* Da li postoje tragovi populacijskih struktura (subpopulacija) prije početka specijacije i/ili naknadnog (bare, djelimičnog) međusobnog ukrštanja?
* Koji su događaji značajni (naprimjer, fuzija hromosoma 2a i 2b) za razdvajanje upoređenih vrsta?

### Opća zapažanja 
Različiti dijelovi genoma sadrže različite oblike koje se razlikuju u sekvencama između različitih vrsta čovjekolikih majmuna. Također je dokazano i da raznovrsnost različitih sekvenci čovjeka i čimpanze uveliko varira. Uočena razlika u sekvenci nekodirajućih i neponavljajućih genomskih podregija u DNK čovjeka i čimpanze može varirati od 0% do 2.66%. Osim toga, genetička stabla koja su uspostavljena uporednom analizom segmenata DNK, ne podudaraju se uvijek sa pripadajućim filogenetskim stablom vrsta. Tako je utvrđeno da:
* postoji velika varijacija u razlikama sekvenci DNK između čovjeka, čimpanzi i gorila,
* prema većini sekvenci DNK, čovjek i čimpanza su najbliži srodnici.
* u potpunosti su sekvencirani i ljudski]] i čimpanzin genomi. Hromosomska garnitura čovjeka sadrži 23 para hromosoma, a kod čimpanzi, gorila i orangutana 24. hromosom 2 čovjeka je rezultat spajanja dvaju hromosoma: 2a i 2b, koji su ostali odvojeni kod ostalih primata.

### Datiranje razdvajanja 
Datiranje  evolucijskog razdvajanja čovjeka i ostalih čovjekolikih majmuna budi veliko zanimanje, kako u naučnoj zajednici, tako i u širem krugu zainteresovanih. Jedna od prvih studija molekularne biologije u tom smjeru, objavljena 1967., izmjerila je imunološku udaljenost (eng.: *immunological distance - ID*) između različitih vrsta primata. U toj studiji je procijenjena  snaga imunološkog odgovora koju antigen jedne vrste (naprimjer, ljudski  albumin) izazove kontaktom s imunim sistemom druge vrste (čovjek, čimpanza, gorila i majmuni starog svijeta). Srodnije bi vrste trebale imati sličnije antigene i stoga slabiji imunološki odgovor na testirane antigene. Imunološki odgovor vrste na svoje vlastite antigene (naprimjer, čovjekov antigen u kontaktu s čovjekovim imunološkim sistemom) rangiran je ocjenom 1.
Dobijeni imuni odgovor između čovjeka i gorila bio je 1.09, a između čovjeka i čimpanze 1.14. Jačina imunog odgovora između čovjeka i 6 različitih majmuna Starog svijeta bila je u prosjeku 2.46, što ukazuje da su afrički čovjekoliki majmuni bliži čovjeku nego drugim majmunima. Autori su procijenili da se razlikovanje među majmunskim vrstama Starog svijeta i čovjekolikh majmuna zbila prije oko 30 miliona godina, a pod uslovom da uzmemo u obzir i fosilne nalaze i pretpostavimo da imuna udaljenost, tokom vremena raste ravnomjernim tempom. Ista istraživanja su dovela do zaključka da se razlikovanje između čovjeka i čovjekolikih majmuna zbila prije oko 5 miliona godina, što je bio vrlo iznenađujući rezultat. Naime, većina naučnika onog doba je smatrala da se izdvajanje čovjekove evolucijske grane od predačke i današnjih čovjekolikh majmuna dogodilo puno ranije (prije oko 15 - 20 miliona godina).

Prema imunom odgovoru, gorila je bliži čovjeku od čimpanze, ali razlika je toliko mala da se ovo ne može sa sigurnošću potvrditi. Kasnije molekularno - genetičke studije su mogle razriješiti ovo pitanje: čimpanze su filogenetički bliže čovjeku od gorila. Primjenom  sofisticiranijih metoda molekularne genetike, dobijeni su rezultati koji se bitno ne razlikuju od prvobitne procjene iz 1967., ali prema jednoj nedavnoj studiji iz 2014., procijenjeno vrijeme razlikovanja vrsta u kasnijim radovima (. taj razlaz pomjera na 11 do 14 miliona godina prije današnjice.

### Razdvajanje i efektivna veličina drevne populacije 
mini|300px|desno|Sekvence segmenata DNK razdvajaju se prije grananja samih vrsta. Veća efektivna veličina populacije (lijevo) uspijeva očuvati različite varijante segmenata DNK u dužem razdoblju. Zato pri većoj efektivnoj veličini populacije (lijevo) prosječno vrijeme razdvajanja gena (tA za segment DNK A; tB za segment DNK B) više odstupa od vremena razdvajanja samih vrsta (tS) u odnosu na malu  efektivnu veličinu drevne populacije (desno).

Savremene metode određivanja starosti razdvajanja vrsta koriste poređenje sekvenci DNK kao molekularni sat. Molekularni satovi su obično kalibrirani, pod pretpostavkom da je vrijeme izdvajanja evolucijske linije orangutana od od drugih čovjekolikih majmuna (uključivši čovjeka) bilo prije oko 12 do 16 miliona godina. Neka istraživanja uključuju i neke vrste majmuna Starog svijeta s vremenom razdvajanja od hominoida od 25 do 30 miliona godina, proširujući tako analizirani raspon. Oba načina kalibriranja se oslanjaju na vrlo malo fosilnih dokaza, pa su zato i bili izvrgnuti kritikama.

Ako se ovi podaci promijene, procijenjene tačke razdvajanja vrsta, zavisno od novih rezultata molekularnih analiza će se posljedično mijenjati. Međutim, relativno vrijeme razdvajanja vrsta se ne mijenja. Iako se ne može tačno odrediti apsolutno vrijeme razdvajanja među vrstama, može se sa sigurnošću odrediti da je vrijeme razdvajanja između čimpanze i čovjeka šest puta kraće od onog između čimpanze i ostalih majmuna.

Tokom jednog straživanja je analizirano 15 sekvenci DNK iz različitih djelova genoma čimpanzi i čovjeka i 7 sekvenci DNK čovjeka, čimpanze i gorile. Otkriveno je su da su čimpanze genetički srodnije čovjeku od gorila. Koristeći različite statističke metode, procijenjeno je da se razdvajanje između čovjeka i čimpanze deilo prije nekih 4,7 miliona godina, dok se razdvajanje između čovjeka i gorile desilo prije nekih 7,2 miliona godina.

U ovim istraživanjima je također procijenjeno da je efektivna veličina populacije zajedničkog pretka čimpanze i čovjeka bila oko 100.000 jedinki. To je donekle iznenađujuće s obzirom da se efektivna veličina populacije današnjeg čovjeka procjenjuje na oko 10.000 jedinki. Ako je tako, značilo bi da je čovjekova evolucijska linija doživjela veliko smanjenje efektivne veličine populacije, prošavši tako kroz genetičko usko grlo (genetičkog drifta) tokom svog evolucijskog puta. Pretpostavlja se da je naglo smanjenje populacije možda uzrokovala katastrofalna erupcija supervulkana Tobe.
[mini|200px|A i B su geni sa dva različita [gen|lokusa. Gornja slika se poklapa sa stablom vrsta. DNK sadašnjih gorila odvaja se prije od međusobnog razdvajanja DNK sadašnjih čimpanzi i čovjeka. Zato bi oba lokusa morala biti sličnija između čovjeka i čimpanze nego između čovjeka i gorile, odnosno čimpanze i gorile. Na donjoj slici, lokus A ima mlađeg zajedničkog pretka između čovjeka i gorile u odnosu na uspoređbu čovjeka i čimpanze. Čimpanza i gorila imaju mlađeg zajedničkog pretka za lokus B. Ovo genetičko stablo se ne podudara sa stablom vrsta, a takvih je slučajeva vrlo malo.]]

U jednom sličnom istraživanju, sekvencirana su 53 neponavljajuća, međugenska segmenta DNK čovjeka, čimpanze, gorile i orangutana.

## Genetičke razlike ljudi i pongida 
Analogne nukleotidne sekvence unutar genoma čimpanze i čovjeka međusobno se razlikuju  za oko 35 miliona nukleotidnih supstitucija. Osim toga, oko 3% genoma se razlikuje zbog delecija, insercija i duplikacija.

Pošto je temporalna stopa mutacija relativno ravnomjerno raspoređena, otprilike polovina zabilježenih promjena vjerovatno se zbila  u čovjekovoj evolucijskoj liniji. Samo vrlo mali dio tih genomskih promjena dogodilo se među različitim fenotipovima čovjeka i čimpanze, pa njihovo otkriće predstavlja veliki izazov.
Molekularna evolucija može djelovati na različite načine, putem promjena kod proteina, gubitka gena, promjena u regulisanju genske ekspresije i evolucije RNK. Svi su ovi mehanizmi imali određenu ulogu u evoluciji čovjeka.

### Gubitak gena 
Mnoge mutacije mogu deaktivirati gen, ali vrlo malo njih na samosvojan način mijenja njegovu funkciju. Inaktivacijske mutacije će zato češće biti pod pritiskom prirodnog odabiranja. Gubitak gena je relativno čest mehanizam evolucijske prilagodbe (hipoteza "manje je više").

Od  razdvajanja čovjekove evolucijske linije od one kojom se odvijala specijacija čimpanze, došlo je do potpunog gubitka oko 80 gena, od kojih ih je 36 kodiralo receptore mirisa. Došlo je do hiperekspresije gena koji imaju ulogu povezivanja hemorecepcije i imunosnog odgovora. Druga naučna studija procjenjuje gubitak na 86 gena.

#### Gen keratina kose KRTHAP1 
Jedan od gena koji kodira sintezu keratina kose izgubio se kod čovjeka, a kreatin je glavna komponenta kose. Čovjek još uvijek ima devet aktivnih gena za tip I keratina, ali gubitak ovog gena vjerojatno je prouzrokovao smanjenje dlakavosti ljudskog tijela. Procjenjuje se da se ovaj gubitak gena zbio relativno nedavno, u procesu antropogeneze, prije manje od 240.000 godina.

#### Gen miozina MYH16 
Neki stručnjaci vrde da je gubitak gena sarkomerskog miozina MYH16 u evolucijskoj liniji čovjeka uzrokovao manje razvijene mišiće za žvakanje. Procijenili su da se mutacija (delecija dvaju nukleotida, koja je izazvala inaktivaciju) zbila prije oko 2,4 miliona godina prije pojave *Homo ergaster*-a, odnosno *Homo erectus*-a u Africi. Naredno razdoblje je okarakterizirano izrazitim razvojem moždanog volumena, što je dovelo do pretpostavki da je gubitak ovog gena uklonio evolucijsku kočnicu u povećanju volumena mozga u rodu *Homo* .
Postoje i procjene da se gubitak gena MYH16 desio prije 5,3 miliona godina, puno prije pojave roda *Homo*.
#### Ostali pokazatelji
Pretpostavlja se da je gubitak gena *cisteinil aspartat dehidrogenaze* ili *kaspaze 12* smanjio smrtnost bakterijskih infekcija kod čovjeka.

## Genetske razlike između modernih ljudi i neandertalaca 
Tokom  2010. godine međunarodna grupa naučnika je okončala sekvenciranje genoma neandertalca. Rezultati otkrivaju određenu mjeru ukrštanja između modernih ljudi (*Homo sapiens*) i neandertalaca (*Homo neanderthalensis*). Pošto 1-4% ljudskog genoma ne potiče iz Afrike, identičn stvar je sa genomom neandertalca u odnosu na genom ljudi iz subsaharske Afrike. Neandertalci i većina današnjih ljudi imaju varijantu gena za laktazu koja nije u mogućnosti razgraditi laktozu u mlijeku nakon prestanka dojenja. Moderni ljudi i neandertalci nose varijantu gena FOXP2 povezanu s razvojem mozga i sposobnošću govora, ukazujući na mogućnost govora kod neandertalaca. U odnosu na modernog čovjeka i neandertalca, protein FOXP2 u čimpanze razlikuje se za dvije aminokiseline.

## Razlika sekvenci DNK između ljudi i majmuna 
Godine 2005. objavljeni su prvi podaci o sekvenciranom genomu čimpanze (*Pan troglodytes*). Sekvencirano je i sastavljeno oko 2.400 miliona nukleotida (od ukupnih 3.160 miliona). To je bilo dovoljno da se pokrene njihovo detaljno upoređivanje s ljudskim genomom. čije insercije i delecije nose najveću težinu u genomu. Otkriveno je da je oko 2.7% od ukupne sekvence euhromatina diferencijalno duplicirano u jedoj ili drugoj vrsti.

;Procentualni (%) odnos u razlikama sekvenci čovjeka i ostalih hominida

Razlika sekvenci koja slijedi odvija se po modelu: čovjek – čimpanza, čovjek – gorila, čovjek – orangutan, ističući tako blisko srodstvo čovjeka i afričkih čovjekolikih majmuna. *Alu* sekvence se uveliko razlikuju, zbog velike učestalosti CpG dinukleoida, a koji mutiraju 10 puta češće nego u prosječnoj sekvenvci nukleotida u genomu. Stopa mutacije je veća u muškoj germinativnoj liniji pa je razlika u hromosomu Y koji se posebno nasljeđuje po očevoj liniji, viša nego kod autosoma. Hromosom X se nasljeđuje dvostruko češće po ženskoj liniji nego po muškoj, te ima nešto nižu razliku sekvenci. Iznenađujuće je mala razlika u sekvenci područja Xq13.3 između čovjeka i čimpanze.

Mutacije koje mijenjaju sekvencu aminokiselina u proteinima (Ka) su najrijeđe. Oko 29% svih ortolognih proteina su potpuno identični kod čovjeka i kod čimpanze. Tipični se protein u prosjeku razlikuje za dvije aminokiseline..

### Datiranje zajedničkog pretka
Procjena stope novih mutacija u mtDNA, omogućava procjenu starosti posljednjeg zajedničkog pretka: "*Razlika između svih postojećih tipova mtDNK koji se vežu na posljednji zajednički mtDNK (tip A) iznosi u prosjeku 0.57%. Pretpostavivši da je stopa mutacije oko 2-4% u milion godina, može se zaključiti da je zajednički predak svih postojećih tipova DNK živio prije oko 140.000 do 290.000 godina.*"

To bi mogao biti čvrst dokaz, a ovaj posljednji zajednički predak, po ženskoj liniji, svih živih ljudi je nazvan mitohondrijskom Evom. Činjenica da je mitohondrijska Eva neposredni predak svih ljudi po ženskoj liniji, ne znači da je ona bila prvi anatomski moderni čovjek, niti da drugi ženski preci modernih ljudi nisu istovremeno s njom živjeli. Druge ženske jednike živjele su u isto vrijeme i prenijele genetičku informaciju u genom potomaka, ali njihova  mitohondrijska DNK  je u međuvremenu izgubljena. To se moglo desiti pukim slučajem kao naprimjer rađanjem samo muške djece.

### Afričko porijeklo savremenog čovjeka
Postoje ubjedljivi dokazi da mtDNK savremenih ljudi potiče iz Afričke: "Zaključujemo na temelju genetičkog stabla najmanje veličine....da je Afrika izvor ljudskog mitohondrijskog genskog fonda. Ovaj zaključak proizilazi iz opažanja da jedna od dvije najvažnije grane genetičkog stabla vodi izravno prema afričkim mtDNK...dok druga grana također vodi do afričkog mtDNK... Postulirajući da je zajednički drevni mtDNK afričkog porijekla, minimiziramo broj potrebnih interkontinentalnih seoba potrebnih za objašnjenje trenutne geografske distirbucije tipova mtDNK."

### Otkrića na hromosomu Y
Hromosom Y je puno veći od mtDNK i relativno je homogen pa je trebalo više vremena za otkrivanje različitih genetskih linija u prvobitnim ljudskim seobama i njihovu analizu. S druge strane, pošto je hromosom Y relativno veći od mitohondrijskog, sadrži i više genetskih informacija. Takve analize hromosoma Y došle su do sličnih nalaza kao i one na mtDNK. Procjena starosti zajedničkog drevnog hromosoma Y svih postojećih hromosoma Y je oko 70.000 godina i također potiče iz Afrike. Jedinka koja je nosila ovu genetsku informaciju naziva se Y-hromosomski Adam. Vremenska razlika u postojanju Y hromosomskog Adama i mitohondrijske Eve objašnjena je većom stopom izumiranja za Y hromosom, kao posljedice različite uspješnosti u razmnožavanju pojedinih muških jedinki. To znači da je mali broj reproduktivno izuzetno uspješnih muškaraca moglo imati većinu djece, dok je veliki broj manje uspješnih muškaraca imaju značajno manje potomaka.

Na nedavnom kongresu Američkog društva genetičara iz oblasti genetike čovjeka, profesorica Melissa Wilson Sayres sa Univerziteta Kalifornije (Berkeley), predstavila je studiju u kojoj je dovela u pitanje tvrdnju da su ljudi imali više ženskih predaka od muških. Iako ne negira činjenicu da je manji broj muškaraca evolucijski bio uspješniji u prijenosu genetske informacije od žena, poligamni sistem reprodukcije ne može objasniti izrazitu uniformnost hromosoma Y:  "*Prethodni istraživači su predlagali da je omjer parenja bio četiri ženke na jednog mužjaka. Naša su istraživanja pokazala da je omjer bio bliži četiri ženke na tri mužjaka*".

## Također pogledajte
*Evolucija
*Antropogeneza
*Čovjek
*Mitohondrijska Eva
*Y-hromosomski Adam

## Reference
Kategorija:Ljudska evolucija
Kategorija:Antropologija
Kategorija:Bioantropologija
Kategorija:Čovjek