Еволюция на човека: молекулярен анализ Understand article

Превод Роберт Пенчовскси (Robert Penchovsksi). Във втората от две статии Ярек Брик (Jarek Bryk) описва как учените анализират в дълбочина нашите гени, за да разкрият…

ДНК на всеки организъм съдържа информация за неговата скорошна и отдалечена еволюционна история. Чрез изследване на модели и промени в последователността на ДНК – сравнявайки еднакви последователности при различните индивиди или видове – ние можем да открием това, което се е случило с тях. Можем да разкрием кои гени или фрагменти от генома има вероятност да са дали предимство на съдържащите ги индивиди и видове, което е позволило по-лесното им оцеляване и размножаване (вж речника в края).

В предишна своя статия (Bryk, 2010), описах няколко примера за генетични промени в човешкия и в други организмир които им носят предимство. Демонстрирането на това кои генетични промени биха могли да бъдат полезни е трудно – особено при човека – но още по-голямо предизвикателство е да се демонстрира механизмът, чрез които тези промени могат да подобрят оцеляването и възпроизводството на организма.

В тази статия представям един от подходите, прилагани от учените, на първо място за да идентифицират участъци от нашия геном, които е възможно да са ни помогнали да оцеляваме и да се възпроизвеждаме. След това би могло още да се провери как тези участъци евентуално са предоставили на предците ни определено предимство.

Един от начините, чрез които потенциално полезни участъци от генома може да бъдат установени, е просто да се сравнят ДНК- последователностите на много индивиди от различни популации. В един много прост сценарий, ако една от тези популации е била под селективен натиск (например, високо ултравиолетово лъчение в слънчев район), който е отсъствал при други популации, ДНК- последователността отговорна за подходящата адаптация (например, по-тъмен цвят на кожата), би трябвало да е различна.

В по-голямата част от случаите обаче, ние не знаем на какъв селективен натиск са били подложени популациите в миналото или кои генетични последователности са отговорни за адаптацията. Следователно, нека да започнем със сравняване на ДНК- последователностти между човешки популации, без никакви предположения за това, което може да открием. Фиг. 1 показва едно такова сравнение за единичен нуклеотид от човешкия геном.

Когато различни индивиди имат различни нуклеотиди в определена позиция в ДНК-последователността, наричаме това единичен нуклеотиден полиморфизъм (ЕНП); три милиона такива варианти на човешкия геном са каталогизирани в общодостъпната “hapmap” база данни^w1. ЕНП, показан на фиг.1, и обозначен като рс3827760, е открит в два варианта или алела: на тази позиция в секвенцията може да бъде открита една от двете бази – или тимин (Т), или цитозин (С).

Всяко кръгче на фигурата представлява една популация и изобразява честотата в тази полулация на двата възможни алела.

Тимин-съдържащият алел присъства във всички африкански и повечето европейските проби, но почти изцяло липсва в Източна Азия и Северна и Южна Америка, където цитозин е преобладаващ на тази позиция в ДНК (Sabeti et al., 2007, 2006; Xue et al., 2009).

Ако направим това сравнение за всички други три милиона ЕНП- протеини с помощта на базата данни от hapmap -системата, ще видим, че разпределението на рс3827760– варианта сред различните човешки популации е много необичайно. Следователно, рс3827760 определено заслужава по-подробно изследване, въпреки че разпределението не ни казва нищо за потенциалната полза от тези варианти (т.е. за тяхната aдаптивна стойност), или дори дали те изобщо са адаптивни Всичко, което знаем засега е, че поради някаква причина, оригиналният тимин, присъствал на тази позиция в прародителските популации в Африка се е променил на цитoзин и се е разпространил в Източна Азия, Северна и Южна Америка. Даже и преценките за това кога е станала тази промяна са много неточни: някога преди 1000 до 70 000 години, всички индивиди в популациите от Югоизточна Азия са имали цитозиновия вариант.

Как тогава да решим дали този модел е възникнал вследствие на положителна селекция (т.е., че цитозинът е осигурил предимство в Източна Азия , Северна и Южна Америка), или  това се дължи просто на случайност? За да видим дали ДНК-мутацията (замяната на тимин с цитозин) е в резултат на положителна селекция, ние изследваме ДНК- последователността, съдържаща ЕНП. Ако ДНК- последователността около рс3827760 е подобна във всички групи от населението, тогава ние няма да разполагаме с доказателства, че ЕНП оказва въздействие върху Приспособимост на организма. Ако обаче една популация (в Източна Азия, например) е изложена на позитивен подбор ирс3827760 допринася за развитието на адаптация към този селективен натиск, ДНК- последователностите около ЕНП ще се различават между различните популации. За да разберете защо  е така вижте фиг 2.

Когато ДНК- последователностите околорс3827760 се сравняват, става ясно, че разнообразието около цитозиновия вариант в населението на Източна Азия е наистина много по-ниско от разнообразието около тиминовия вариант, открито в населението на Африка и Европа (американците не са тествани). Това предполага, че положителният подбор е бил отговорен за разпространението на цитозиновия вариант в източноазиатското население. Но дали този ЕНП наистина е селектиран – има ли той в действителност някаква функция?

Не всички промени в ДНК оказват ефект върху протеиновите последователности: повечето ЕНП-протеини, описани в базата данни, или се намират в некодиращи части от генома (например, между гени) или са синоними – т.е. те се намират в кодиращата част на генома, но не водят до промяна в протеина, кодиран от последователността (вж. фиг. 4).

В случая с рс3827760 ние имаме шанс, защото той се намира в кодиращата част на ген – към края на ген, наречен EDAR, който участва в развитието на космените фоликули, потните жлези и зъбите. Освен това, тимин-цитозиновата ДНК мутация води до промяна на протеиновата последователност: Африканците и европейците (които носят ЕНП вариант с тимин) имат аминокиселината валин на позиция 370 в протеина, докато източно-азиатците и американците (с нуклеотида цитозин) са с аминокиселината аланин. фиг. 5). Това категорично показва, че една аминокиселинна промяна в 370-а позиция не само води до промяна в последователността на протеина, но също така засяга и физическите характеристики на самия организъм.

За да видим дали промяната в протеиновата последователност наистина влияе върху неговата функция, ние се насочваме към експеримента върху биохимичните пътища, в които участва кодираният от EDAR-гена белтък. Това са серия от реакции, които са свързани с развитие на космените фоликули, потните жлези и зъбите. Когато тези реакции са извършени в лаборатория, за аланиновия вариант на протеина (срешащ се в източноазиатци и американци, кодиран от цитозиновия вариант на ЕНП) беше установено, че той прави биохимичния път по-активен от валиновия вариант (при африканци и европейци). Това се вписва в сравнението на структурата на косъма, което показва, че хората с аланиновия вариант са с по-дебели косми, отколкото хората с валиновия вариант. За по-пряка демонстрация мишки бяха генетично модифицирани с цел повишаване на активността на EDAR- пътя. Тези мишки са видимо с по-гъста козина и с по-дебел косъм, както и с по-големи слюнчени жлези, отколкото мишките с нормална EDAR- активнос (Chunyan et al., 2008; Chang et al., 2009).

Взети заедно, тези констатации показват, че двата варианта на ЕНП (съдържащи респ. тимин или цитозин, може да се отразяват както на структурата, така и на функцията на кодирания от EDAR белтък. Това може да доведе до физически различия в хората – в дебелината на косата и евентуално в размера на слюнчените жлези.

Разликите в ДНК, които наблюдаваме в момента, са исторически записи на природен експерименти. Ние можем само да гадаем за селекционния натиск, упражнен върху азиатското и американското население, който е довел до разпространението на цитозиновия алел. Комбинацията от геномни изследвания, лабораторни експерименти и животински модели дава възможност за тестване на хипотези за функционалните роли на генетичните различия между популациите или видовете. Използването на тези подходи, може да разкрие молекулярната основа на последните изменения в нашите предци и в други организми, подчертавайки как се адаптираме към непрекъснато променящата се околна среда.

Download

Download this article as a PDF