Човечка еволутивна генетика

Човечката еволутивна генетика проучува како еден човечки геном се разликува од друг човечки геном, еволутивното минато што го родило човечкиот геном и неговите денешни ефекти. Разликите меѓу геномите имаат антрополошки, медицински, историски и форензички импликации и примени. Генетските податоци можат да дадат важен увид во човечката еволуција.
1 Потекло на мајмуните
Биолозите ги класифицираат луѓето, заедно со само неколку други видови, како големи мајмуни (видови од фамилијата Hominidae односно големи човеколики мајмуни). Живите Hominidae вклучуваат два различни видови шимпанзо (бонобо, ''Pan paniscus'' и шимпанзо, ''Pan troglodytes''), два вида горила (западна горила, ''Горила горила'' и источна горила, ''Gorilla graueri'' и два вида орангути (борнеанскиот орангутан, ''Понго пигмеус'' и суматранскиот орангутан, ''Понго абели''). Големите мајмуни со фамилијата Гибони ја формираат суперфамилијата Hominoidea на мајмуни.
Мајмуните, пак, припаѓаат на редот на приматите (> 400 видови), заедно со мајмуните од Стариот свет, мајмуните од Новиот свет и други. Податоците и од митохондриската ДНК (mtDNA) и од јадрената ДНК (nDNA) покажуваат дека приматите припаѓаат на групата на Euarchontoglires, заедно со Rodentia, Lagomorpha, Dermoptera и Scandentia. Ова е дополнително поддржано од кратки прошарани јадрени елементи слични на Алу (SINE) кои се пронајдени само кај членовите на Euarchontoglires.
2 Филогенетика
Филогенетското дрво обично се добива од ДНК или протеински секвенци од популации. Најчесто, митохондриската ДНК или секвенците на хромозомот Y се користат за проучување и анализа на античката човечка демографија. Овие извори на ДНК со еден локус не се рекомбинираат и скоро секогаш се наследени од еден родител, со само еден познат исклучок во mtDNA. Поединците од поблиските географски региони обично се послични отколку поединците од подалечните региони. Растојанието на филогенетско дрво може да се користи приближно за да се означи:
# Генетско растојание. Генетската разлика помеѓу луѓето и шимпанзата е помала од 2%, или три пати поголема од варијацијата меѓу современите луѓе (проценета на 0,6%).# Временска оддалеченост на најновиот заеднички предок. Најновиот митохондриски заеднички предок на современите луѓе се проценува дека живеел пред приближно 160.000 години, најновите заеднички предци на луѓето и шимпанзата пред приближно 5 до 6 милиони години.
3 Спецификација на луѓе и африкански мајмуни
Одвојувањето на луѓето од нивните најблиски роднини, африканските мајмуни кои не се луѓе (шимпанза и горили), е опширно проучувано повеќе од еден век. Во текот на проучувањата, биле решени пет главни прашања:
* Кои мајмуни се нашите најблиски предци?
* Кога настанале разделбите?
* Која била ефективната големина на популацијата на заедничкиот предок пред поделбата?
* Дали има траги од структурата на населението (подпопулации) кои претходат на спецификацијата или делумна мешавина што ја наследува?
* Кои биле специфичните настани (вклучувајќи го спојувањето на хромозомите 2а и 2б) пред и после одвојувањето?
3.1 Општи набљудувања
Како што било дискутирано претходно, различни делови од геномот покажуваат различна секвенца дивергенција помеѓу различни хоминоиди. Исто така, се покажало дека дивергенцијата во низата помеѓу ДНК од луѓето и шимпанзата многу варира. На пример, дивергенцијата на низата варира од 0% до 2,66% помеѓу некодирачките, нерепетитивни геномски региони на луѓето и шимпанзата. Процентот на нуклеотиди во човечкиот геном (hg38) кои имаа точни совпаѓања еден на еден во геномот на шимпанзата (пантро6) изнесувал 84,38%. Дополнително, генските дрвја, генерирани со компаративна анализа на сегментите на ДНК, не секогаш одговараат на дрвото на видот:
* Дивергенцијата на низата значително варира помеѓу луѓето, шимпанзата и горилата.
* За повеќето секвенци на ДНК, луѓето и шимпанзата се сметаат дека се најтесно поврзани, но некои укажуваат на клада човек-горила или шимпанзо-горила.
* Човечкиот геном е секвенциониран, како и геномот на шимпанзата. Луѓето имаат 23 пара хромозоми, додека шимпанзата, горилите и орангутаните имаат 24. Човечкиот хромозом 2 е спој на два хромозоми 2а и 2б кои останале одвоени кај другите примати.
3.2 Време на раздвојување
Времето на дивергенција односно раздвојување на луѓето од другите мајмуни претставува голем интерес за аучниците и јавноста. Едно од првите молекуларни проучувања, објавено во 1967 година, ги мери имунолошките растојанија (ИД) помеѓу различни примати. Во основа, студијата ја измерила јачината на имунолошкиот одговор што антигенот од еден вид (човечки албумин) го предизвикува во имунолошкиот систем на друг вид (човек, шимпанзо, горила и мајмуни од Стариот свет). Тесно сродните видови треба да имаат слични антигени и затоа послаб имунолошки одговор на едни со други антигени. Имунолошкиот одговор на еден вид на сопствените антигени (на пр. човек кон човек) бил поставен на 1.
Идентификацијата помеѓу луѓето и горилата била утврдена на 1,09, а помеѓу луѓето и шимпанзата била одредена како 1,14. Сепак, растојанието до шест различни мајмуни од Стариот свет била во просек 2,46, што покажува дека африканските мајмуни се потесно поврзани со луѓето отколку со мајмуните. Авторите сметаат дека времето на раздвојување помеѓу мајмуните од Стариот свет и хоминоидите станало пред 30 милиони години (MYA), врз основа на фосилните податоци, а имунолошкото растојание се сметало дека расте со константна брзина. Тие заклучиле дека времето на раздвојување на луѓето и африканските мајмуни е приближно ~ 5 MYA. Тоа претставува изненадувачки резултат. Повеќето научници во тоа време сметале дека луѓето и големите мајмуни се разделиле многу порано (>15 MYA).
Горилата биле поблиски до човекот отколку до шимпанзата; сепак, разликата била толку мала што видообразбата не можела со сигурност да се реши. Подоцнежните проучувања засновани на молекуларната генетика можеле да ја решат видообразбата : шимпанзата се филогенетски поблиску до луѓето отколку до горилата. Сепак, некои времиња на раздвојување проценети подоцна (со користење на многу пософистицирани методи во молекуларната генетика) не се разликуваат суштински од првата проценка во 1967 година, но неодамнешниот труд го става на 11-14 MYA.
3.3 Време на раздвојување и ефективната големина на популацијата на предците
Тековните методи за одредување на времето на раздвојување користат порамнување на секвенците на ДНК и молекуларни часовници. Обично молекуларниот часовник се калибрира под претпоставка дека орангутанот се одвоил од африканските мајмуни (вклучувајќи ги и луѓето) 12-16 MYA. Некои проучувања вклучуваат и некои мајмуни од стариот свет и го поставиле времето на дивергенција на нив од хоминоидите на 25-30 MYA. Двете точки на калибрација се засноваат на многу малку податоци за фосилите и се критикувани.
Доколку овие датуми се ревидираат, ќе се променат и времињата на раздвојување проценети од молекуларните податоци. Сепак, релативните времиња на раздвојување веројатно нема да се променат. Дури и доколку не можеме точно да ги кажеме апсолутните времиња на раздвојување, можеме да бидеме прилично сигурни дека времето на раздвојување помеѓу шимпанзата и луѓето е околу шест пати пократко отколку помеѓу шимпанзата (или луѓето) и мајмуните.
Едно проучување (Такахата и неговите соработници, 1995 година) користело 15 ДНК секвенци од различни региони на геномот од човек и шимпанзо и 7 ДНК секвенци од човек, шимпанзо и горила. Тие утврдиле дека шимпанзата се потесно поврзани со луѓето отколку со горилата. Користејќи различни статистички методи, тие го процениле времето на раздвојување човек-шимпанза на 4,7 MYA и времето на раздвојување помеѓу горилите и луѓето (и шимпанзата) на 7,2 MYA.
Дополнително, тие ја процениле големината на ефективната популација на заедничкиот предок на луѓето и шимпанзата на ~ 100.000. Ова било малку изненадувачки бидејќи денес ефективната големина на населението на луѓето се проценува на само ~ 10.000. Доколку е вистина, тоа значи дека човечката лоза би доживеала огромно намалување на нејзината ефективна големина на населението (а со тоа и генетска разновидност) во својата еволуција.
Друго проучување (Чен и Ли, 2001) секвенционирало 53 не-повторливи, меѓугенски сегменти на ДНК од човек, шимпанзо, горила и орангутан. Кога секвенците на ДНК биле споени во една долга секвенца, генерираното стебло што се спојува со соседот го поддржа ''Homo'' - ''Pan'' clade со 100% подигање (тоа е дека луѓето и шимпанзата се најблиските сродни видови од четирите). Кога три вида се прилично тесно поврзани еден со друг (како човекот, шимпанзото и горилата), дрвјата добиени од податоците за секвенцата на ДНК можеби не се во склад со дрвото што ја претставува специјацијата.
Колку е пократок интернодалниот временски распон (T<sub>IN</sub>) толку почести се несогласните генски дрвја. Ефективната големина на популацијата (N<sub>e</sub>) на интернодалната популација одредува колку долго генетските лози се зачувани во популацијата. Поголемата ефективна големина на популацијата предизвикува повеќе неусогласени генски дрвја. Затоа, доколку е познат интернодалниот временски распон, може да се пресмета големината на ефективната популација на предците на заедничкиот предок на луѓето и шимпанзата.
Кога секој сегмент бил анализиран поединечно, 31 го поддржале кладот ''Хомо'' - ''Пан'', 10 го поддржале кладот ''Хомо'' - ''Горила'' и 12 го поддржале кладот ''Пан'' - ''Горила''. Користејќи го молекуларниот часовник, авторите процениле дека горилата прво се разделиле 6,2-8,4 MYA, а шимпанзата и луѓето се разделиле 1,6-2,2 милиони години подоцна (меѓунодален временски распон) 4,6-6,2 MYA. Интернодалниот временски распон бил корисен за да се процени ефективната популација на предците на заедничкиот предок на луѓето и шимпанзата.
Парсимонична анализа открила единствено 24 локуси го поддржуваат кладот ''Хомо'' - ''Пан'', 7 го поддржуваат кладот ''Хомо'' - ''Горила'', 2 го поддржуваат кладот ''Пан'' - ''Горила'' и 20 не дале никаква резолуција. Дополнително, тие зазеле 35 локуси за кодирање на протеини од базите на податоци. Од нив 12 го поддржале ''Хомо'' - ''Пан'' кладот, 3 ''Хомо'' - ''Горила'' кладот, 4 ''Пан'' - ''Горила'' кладот и 16 не дале резолуција. Затоа, само ~ 70% од 52 локуси кои дале резолуција (33 меѓугени, 19 протеинско кодирање) го поддржуваат 'точниот' вид дрво. Од фракцијата на локуси кои не го поддржувале видот дрво и интернодалниот временски распон што го процениле претходно, ефективната популација на заедничкиот предок на луѓето и шимпанзата била проценета на ~ 52 000 до 96 000. Оваа вредност не е толку висока како онаа од првата студија (Такахата), но сепак е многу повисока од денешната ефективна големина на населението на луѓето.
Третото проучување (Јанг, 2002) ја користела истата база на податоци што ја користеле Чен и Ли, но ја проценил ефективната популација на предците од „само“ од 12.000 до 21.000, користејќи различен статистички метод.
4 Генетски разлики меѓу луѓето и другите големи мајмуни
Порамнетите секвенци во геномите на луѓето и шимпанзата се разликуваат за околу 35 милиони еднонуклеотидни замени. Дополнително, околу 3% од целосните геноми се разликуваат по бришења, вметнувања и удвојувања.
Бидејќи стапката на мутација е релативно константна, приближно една половина од овие промени се случиле во човечката лоза. Единствено многу мал дел од тие фиксни разлики довеле до појава на различни фенотипови на луѓе и шимпанза и нивното наоѓање е голем предизвик. Огромното мнозинство на разлики се неутрални и не влијаат на фенотипот.
Молекуларната еволуција може да дејствува на различни начини, преку еволуција на протеини, губење на ген, диференцијална генска регулација и еволуција на РНК. Се смета дека сите имале било каква улога во човечката еволуција.
4.1 Губење на гени
Многу различни мутации можат да доведат до деактивирање на ген, но малкумина ќе ја променат неговата функција на специфичен начин. Оттука, мутациите на инактивација ќе бидат лесно достапни за селекција да дејствува. Оттука, загубата на ген може да биде вообичаен механизам на еволутивна адаптација (хипотезата „помалку-е-повеќе“).
80 гени биле изгубени во човечката лоза по одвојувањето од последниот заеднички предок со шимпанзото. 36 од нив биле за миризливи рецептори. Гените вклучени во хеморецепцијата и имунолошкиот одговор се премногу застапени. Друго проучување проценува дека 86 гени биле изгубени.
4.1.1 Кератински ген за коса KRTHAP1
Во човечката лоза бил изгубен ген за кератин за коса тип I. Кератините се главна компонента на влакната. Луѓето сè уште имаат девет функционални гени за кератин за коса од тип I, но губењето на тој конкретен ген можеби предизвикало истенчување на влакната на човечкото тело. Врз основа на претпоставката за постојан молекуларен часовник, проучувањето предвидува дека загубата на ген се случило релативно неодамна во човечката еволуција - пред помалку од 240 000 години, но и Виндија неандерталот и Денисовската секвенца со висока покриеност ги содржат истите предвремени стоп-кодони како современите луѓе и оттука датирањето треба да биде поголемо од пред 750 000 години.
4.1.2 Миозин ген MYH16
Стедман и неговите соработници (2004) изјавиле дека губењето на саркомерниот миозин ген MYH16 во човечката лоза довело до помали мастикуларни мускули. Тие процениле дека мутацијата што довела до инактивација (бришење со два базни парови) се случила пред 2,4 милиони години, пред појавата на ''хомо ергастер / еректус'' во Африка. Периодот што следел бил обележан со силно зголемување на кранијалниот капацитет, промовирајќи шпекулации дека губењето на генот можеби го отстранило еволутивното ограничување на големината на мозокот во родот ''Homo'' .
Друга проценка за загубата на генот MYH16 била пред 5,3 милиони години, многу пред да се појави ''Хомо''.
4.1.3 Останато
* CASPASE12, цистеинил аспартат протеиназа. Се шпекулира дека губењето на овој ген ја намалило смртноста од бактериска инфекција кај луѓето.
4.2 Додавање на гени
Сегменталните дупликации (SDs или LCRs) имале улоги во создавањето на нови гени на приматите и обликувањето на човековите генетски варијации.
4.3 Вметнувања на ДНК специфични за човекот
Кога човечкиот геном бил спореден со геномите на пет споредбени видови примати, вклучувајќи ги шимпанзото, горилата, орангутанот, гибонот и макаката, било откриено дека има приближно 20.000 вметнувања специфични за човекот за кои се верува дека се регулаторни. Додека повеќето вметнувања се смета дека се неутрални, мала количина била идентификувана во позитивно избраните гени кои покажуваат асоцијации со нервните фенотипови, а некои се однесуваат на забните и фенотипови поврзани со сензорната перцепција. Овие наоди укажуваат на навидум важната улога на вметнувањата специфични за човекот во неодамнешната еволуција на луѓето.
4.4 Притисоци за избор
Исто така, се претпоставува дека голем дел од разликата помеѓу луѓето и шимпанзата се припишува на регулирање на генската експресија, а не на разликите во самите гени. Анализите на конзервираните некодирани секвенци, кои често содржат функционални и со тоа позитивно избрани регулаторни региони, се однесуваат на оваа можност.
4.5 Дивергенција во низата помеѓу луѓето и мајмуните
Кога нацрт-секвенцата на геномот на обичното шимпанзо (''Pan troglodytes'') била објавена во летото 2005 година, 2400 милиони бази (од ~ 3160 милиони бази) биле секвенционирани и составени доволно добро за да се споредат со човечкиот геном. 1,23% од ова секвенционирање се разликувало со замени со една база. Од ова, 1,06% или помалку се сметало дека претставуваат фиксни разлики помеѓу видовите, а остатокот се варијантни локации кај луѓето или шимпанзата. Друг тип на разлика, наречен индел (внесувања/бришења) има многу помалку разлики (15% исто толку), но придонело ~ 1,5% од уникатната секвенца за секој геном, бидејќи секое вметнување или бришење може да вклучи насекаде од една база до милиони основи.
Придружниот труд ги испитувал сегменталните дупликации во двата генома, чие вметнување и бришење во геномот претставува голем дел од секвенцата на индел. Тие откриле дека вкупно 2,7% од ехроматската низа била диференцијално дуплирана во едната или другата лоза.
+Процентуална дивергенција на низата помеѓу луѓето и другите хоминиди , Локус, Човек-Шимпанза, Човек-горила, Човек-орангутан
Алу елементи, 2, -, -
Некодирачки (Chr. Y), 1,68 ± 0,19, 2,33 ± 0,2, 5,63 ± 0,35
Псевдогени (автозомални), 1,64 ± 0,10, 1,87 ± 0,11, -
Псевдогени (Chr. X), 1,47 ± 0,17, -, -
Некодирачки (автосомно), 1,24 ± 0,07, 1,62 ± 0,08, 3,08 ± 0,11
Гени (K <sub>s</sub> ), 1.11, 1.48, 2.98
Интрони, 0,93 ± 0,08, 1,23 ± 0,09, -
Xq13.3, 0,92 ± 0,10, 1,42 ± 0,12, 3,00 ± 0,18
Субтотал за Х хромозомот, 1,16 ± 0,07, 1,47 ± 0,08, -
Гени ( <sub>Ка</sub> ), 0,8, 0,93, 1.96
Раздвојувањето во низата генерално го има следниов образец: Човек-шимпанзо < Човек-горила << Човек-орангутан, што ја истакнува блиската сродност помеѓу луѓето и африканските мајмуни. Алу елементите брзо се разминуваат поради нивната висока фреквенција на CpG динуклеотиди кои мутираат приближно 10 пати почесто од просечниот нуклеотид во геномот. Стапката на мутација е повисока кај машката герминативна линија, затоа раздвојувањето во Y хромозомот - кој е наследен исклучиво од таткото - е поголем отколку кај автозомите. Хромозомот Х се наследува двапати почесто преку женската герминативна линија отколку преку машката герминативна линија и затоа покажува малку помала раздвојување во низата. Раздвојувањето во низата на регионот Xq13.3 е изненадувачки ниска помеѓу луѓето и шимпанзата.
Најмалку чести се мутациите кои ја менуваат аминокиселинската секвенца на протеините (К<sub>a</sub>). Всушност, ~ 29% од сите ортологни протеини се идентични помеѓу човекот и шимпанзото. Типичниот протеин се разликува за само две аминокиселини. Мерките за раздвојување на низата прикажани во табелата ги земаат предвид единствено супституционалните разлики, на пример од A (аденин) до G (гванин). Сепак, секвенците на ДНК може да се разликуваат и по вметнувања и бришења (индели) на бази. Тие обично се отстрануваат од порамнувањата пред да се изврши пресметката на дивергенцијата на низата.
5 Генетски разлики помеѓу современите луѓе и неандерталците
Меѓународна група на научници завршила нацрт-секвенца на геномот на неандерталците во мај 2010 година. Резултатите укажале на одредено размножување помеѓу современите луѓе (Хомо сапиенс) и неандерталците (Хомо неандерталенсис), бидејќи геномите на неафриканските луѓе имаат 1-4% повеќе заедничко со неандерталците отколку геномите на субсахарските Африканци. Неандерталците и повеќето современи луѓе споделуваат варијанта на генот за лактаза која не поднесува лактоза, која кодира ензим кој не е во состојба да ја разложи лактозата во млекото по одвикнувањето. Современите луѓе и неандерталците исто така ја делат варијантата на генот FOXP2 поврзана со развојот на мозокот и со говорот кај современите луѓе, што покажува дека неандерталците можеби биле способни да зборуваат. Шимпанзата имаат две разлики во аминокиселините во FOXP2 во споредба со човекот и неандерталецот FOXP2
6 Генетски разлики меѓу современите луѓе
Се смета дека ''хомо сапиенсот'' се појавил пред околу 300.000 години. Се распрснал низ Африка, а после 70.000 години заминак кон Евроазија и Океанија. Проучувањето од 2009 година идентификувало 14 „''групи на населението на предците''“, од кои најоддалечените се луѓето Сан од Јужна Африка.
Источноазиските типови на ADH1B особено се поврзани со припитомување на оризот и затоа би се појавиле по развојот на одгледувањето ориз пред околу 10.000 години. Неколку фенотипски особини карактеристични за источноазијците се должат на една единствена мутација на генот ЕДАР, датирана во в. пред 35.000 години.
Од 2017 година, Базата на податоци за еден нуклеотиден полиморфизам (dbSNP), која ги наведува SNP и други варијанти, пронашла вкупно 324 милиони варијанти пронајдени во секвенционирани човечки геноми. Разновидноста на нуклеотидите, просечната пропорција на нуклеотиди кои се разликуваат помеѓу две индивидуи, се проценува на помеѓу 0,1% и 0,4% за современите луѓе (во споредба со 2% помеѓу луѓето и шимпанзата). Ова одговара на разликите во геномот на неколку милиони локации; Проектот 1000 геноми на сличен начин покажал дека „''типичниот [индивидуален] геном се разликува од референтниот човечки геном со 4,1 до 5,0 милиони локации… што влијае на 20 милиони бази на секвенца''“.
Во февруари 2019 година, научниците откриле докази, засновани на генетски студии со употреба на вештачка интелигенција (АИ), кои укажуваат на постоење на непознат вид човечки предок, а не неандерталец, Денисованец или човечки хибрид (како Дени (хибриден хоминин)), во геномот на современите луѓе.
7 Истражувачки проучувања
Во март 2019 година, кинеските научници објавиле дека го вметнувале генот MCPH1 поврзан со човечкиот мозок во лабораториски резус мајмуни, што резултирало со подобри перформанси и побрзо одговарање на трансгенските мајмуни на „''краткорочните тестови за меморија кои вклучуваат соодветни бои и форми''“, во споредба со контролните нетрансгенски мајмуни, според истражувачите.
Во мај 2023 година, научниците објавиле, врз основа на генетски иследувања, покомплицирана патека на човечката еволуција отколку што претходно било разбрано. Според студиите, луѓето еволуирале од различни места и времиња во Африка, наместо од една локација и временски период.
На 31 август 2023 година, истражувачите објавиле, врз основа на генетски проучување, дека тесното грло на популацијата на човечките предци се случило „''пред околу 930.000 и 813.000 години ... траело околу 117.000 години и ги довело човечките предци блиску до истребување''“.