D-аллели гена microcephalin

[Шад]

Американские генетики показали, что самый распространенный вариант важного для роста мозга гена microcephalin появился в популяции Homo sapiens 37 000 лет назад в результате скрещивания наших предков с неандертальцами или другими архаичными представителями человеческого рода. Вывод основан на том, что этот вариант гена очень сильно отличается от других, более редких вариантов, встречающихся у современных людей. Это означает, что он не мог возникнуть у наших предков в результате мутаций, а был получен извне. «Неандертальский» ген, вероятно, давал какое-то важное преимущество своим обладателям, что обеспечило его быстрое распространение в популяциях Homo sapiens.

Как известно, первые люди современного типа (Homo sapiens) появились в Африке 150-200 тысяч лет назад. Около 80-100 тысяч лет назад они вышли из Африки и заселили сначала Южную Азию, затем Австралию, Европу и, наконец, Америку. Расселялись они не по безлюдным местам — Евразия была населена представителями других видов рода Homo (европейские и азиатские неандертальцы Homo neandertalensis, реликтовые популяции архантропов H.erectus на Юго-Востоке Азии, а также, возможно, некоторые другие виды древних людей). Один из самых острых вопросов в современной палеоантропологии — это вопрос о том, имела ли место гибридизация между нашими прямыми предками, вышедшими из Африки, и древним евразийским населением.

В течение 20 лет преобладала точка зрения об отсутствии гибридизации, однако в последнее время чаша весов начала склоняться в противоположную сторону. Сенсационная статья американских генетиков, опубликованная на днях в респектабельнейшем научном журнале PNAS, дает еще один весомый аргумент в пользу того, что наши предки все-таки скрещивались с представителями коренного населения Евразии.

Брюс Лан (Bruce T. Lahn) и его коллеги из Чикагского университета уже несколько лет изучают человеческий ген microcephalin, мутации которого приводят к микроцефалии. Этот ген недавно привлек к себе пристальное внимание исследователей, поскольку выяснилось, что он очень быстро эволюционировал у человеческих предков после того, как они обособились от предков шимпанзе 5-7 миллионов лет назад. Сочетание двух этих особенностей (связь с ростом мозга и быстрая эволюция в «человеческой» линии) сделала ген microcephalin одним из самых популярных объектов у генетиков, занимающихся поиском эволюционно-генетических причин человеческой уникальности.

В сентябре 2005 года Брюс Лан и его коллеги опубликовали в журнале Science первые результаты своих исследований. Они сообщили, что самая распространенная группа близкородственных вариантов гена microcephalin появилась в человеческой популяции всего 37 000 лет назад и очень быстро распространилась — очевидно, под действием отбора. Ученые сделали вывод, что эта группа вариантов (которую они назвали группой D от слова derived «производный») давала какое-то важное преимущество своим носителям, что и обусловило ее быстрое распространение. В то время ученые, по-видимому, полагали, что группа D появилась в результате мутаций одного из более древних вариантов гена, встречающихся у человека. Это видно, в частности, по названию «derived».


Частота встречаемости D-аллелей гена microcephalin у коренного населения разных регионов. Максимальная встречаемость отмечена у американских индейцев, минимальная — у древних африканских народов, таких как пигмеи (3). Общая частота встречаемости D-аллелей в современном человечестве — около 70%. Рисунок из предыдущей статьи Б.Лана и его коллег (Science, 2005. V.309. P.1717-1720)

Однако дальнейшие изыскания показали, что происхождение D-аллелей было, вероятно, куда более драматическим. Ученые определили последовательность нуклеотидов большого (длиной 29 тысяч пар оснований) фрагмента гена microcephalin у 89 человек из разных регионов мира, получив таким образом 178 последовательностей. Оказалось, что в этой выборке имеется 86 различающихся вариантов (гаплотипов). 124 из 178 последовательностей (70%) относятся к группе D.

«Время схождения» (coalescence age) всех вариантов, входящих в группу D, составляет около 37 000 лет. Иными словами, все эти варианты происходят от одного «предкового» фрагмента ДНК, который был частью генома какого-то нашего пращура, жившего 37 000 лет назад.

Попарное сравнение D-аллелей с другими (не-D-аллелями), а также не-D-аллелей между собой дало удивительные результаты. Между D- и не-D-аллелями обнаружились очень глубокие различия. Оказалось, что общий предок всех носителей не-D-аллелей жил около миллиона лет назад, а общий предок носителей D- и не-D-аллелей — около 1,7 млн лет назад (см. рис.).


Реконструированная генеалогия аллелей гена microcephalin. Красным показаны не-D-аллели, голубым — D-аллели (рис. из обсуждаемой статьи в PNAS)

Получилась парадоксальная картина: с одной стороны, D-аллели появились и стали быстро распространяться в человеческой популяции лишь 37 000 лет назад, с другой, разделение эволюционных линий D- и не-D-аллелей произошло 1,7 млн лет назад. Если бы D-аллели появились в результате мутаций внутри популяции H.sapiens, следовало бы ожидать, что время разделения D- и не-D-аллелей окажется сопоставимым с временем начала дивергенции D-аллелей (около 37 000 лет).

При помощи многочисленных статистических тестов и моделирования авторы показали, что наблюдаемая картина не может быть объяснена на основе гипотезы о единстве предковых популяций — носителей D- и не-D-аллелей. Эти популяции, несомненно, долгое время существовали изолированно друг от друга. По приблизительной оценке, основанной на результатах моделирования, изоляция скорее всего возникла около 1,1 млн лет назад, но не позднее, чем 530 000 лет назад. В одной из изолированных популяций закрепились D-аллели, в другой — не-D-аллели, а потом произошло смешение популяций.

Теоретически здесь возможны два альтернативных сценария: либо две популяции просто объединились и смешались, либо популяция Homo sapiens 37 000 лет назад получила от какой-то другой популяции, с которой ранее не было генетического обмена, полезный аллель D в результате эпизодического скрещивания, и этот аллель благодаря своей полезности быстро распространился. В первом случае в человеческом геноме должно быть множество генов с такой же генеалогией, как у гена microcephalin. Авторы проверили это предположение, проанализировав базы данных по полиморфизму человеческих генов, и пришли к выводу, что ничего подобного не наблюдается.

Таким образом, по мнению авторов, возможно только одно правдоподобное объяснение наблюдаемой картины. Популяция Homo sapiens 37 000 лет назад получила D-аллель гена microcephalin в результате скрещивания с представителем какой-то другой популяции гоминид, с которой до этого не было активного обмена генами в течение полумиллиона лет или более. Аллель оказался полезным и быстро распространился.

Кто были эти «другие гоминиды»? Скорее всего (хотя и не обязательно), это были неандертальцы, с которыми наши прямые предки в то время проживали на одной территории в Европе. Вычисленное авторами время возникновения изоляции между нашими предками и «носителями D-аллелей» (530 тысяч лет или более) примерно совпадает со временем расхождения сапиенсов и неандертальцев, определенным по митохондриальной ДНК (320–740 тысяч лет).

Авторы отмечают, что вышедшие из Африки сапиенсы были чужаками в Евразии, заселенной древними представителями рода Homo. Эти последние наверняка были в чем-то лучше приспособлены к местным условиям. А в чем-то они могли и опередить африканцев в общем для гоминид эволюционном движении в сторону всё большего «очеловечивания». И сапиенсы, скрещиваясь с аборигенами, вполне могли позаимствовать у них кое-какие полезные гены. Авторы полагают, что D-аллель микроцефалинового гена, скорее всего, не единственный случай такого рода. Должны найтись и другие гены, полученные нашими предками от других видов Homo.

В самое ближайшее время может стать реальностью выделение из ископаемых костей и «прочтение» не только митохондриальной, но и ядерной ДНК. И тогда мы сможем узнать точно, от кого нам достался D-аллель микроцефалинового гена.

Источник: Patrick D. Evans, Nitzan Mekel-Bobrov, Eric J. Vallender, Richard R. Hudson, Bruce T. Lahn. Evidence that the adaptive allele of the brain size gene microcephalin introgressed into Homo sapiens from an archaic Homo lineage // PNAS, doi: 10.1073/pnas.0606966103 published online Nov 7, 2006.

Александр Марков
http://elementy.ru/news/430386

[Шад]

Вот как выглядит распределение D и не D-аллелей гена microcephalin  среди различных этнических групп (это расшифровка к вышеприведенной карте):

Global frequencies of Microcephalin haplogroup D chromosomes (defined as having the derived C allele at the G37995C diagnostic SNP) in a panel of 1184 individuals.
For each population, the country of origin, number of individuals sampled, and frequency of haplogroup D chromosomes are given (in parentheses) as follows:
1, Southeastern and Southwestern Bantu (South Africa, 8, 31.3%); 2, San (Namibia, 7, 7.1%); 3, Mbuti Pygmy (Democratic Republic of Congo, 15, 3.3%); 4, Masai (Tanzania, 27, 29.6%); 5, Sandawe (Tanzania, 32, 39.1%); 6, Burunge (Tanzania, 28, 30.4%); 7, Turu (Tanzania, 23, 15.2%); 8, Northeastern Bantu (Kenya, 12, 25%); 9, Biaka Pygmy (Central African Republic, 32, 26.6%); 10, Zime (Cameroon, 23, 8.7%); 11, Bakola Pygmy (Cameroon, 24, 10.4%); 12, Bamoun (Cameroon, 28, 17.9%); 13, Yoruba (Nigeria, 25, 24%); 14, Mandenka (Senegal, 24, 16.7%); 15, Mozabite [Algeria (Mzab region), 29, 53.5%]; 16, Druze [Israel (Carmel region), 44, 60.2%]; 17, Palestinian [Israel (Central), 40, 63.8%]; 18, Bedouin [Israel (Negev region), 44, 54.6%]; 19, Hazara (Pakistan, 20, 85%); 20, Balochi (Pakistan, 23, 78.3%); 21, Pathan (Pakistan, 23, 76.1%); 22, Burusho (Pakistan, 25, 66%); 23, Makrani (Pakistan, 24, 62.5%); 24, Brahui (Pakistan, 25, 78%); 25, Kalash (Pakistan, 24, 62.5%); 26, Sindhi (Pakistan, 25, 78%); 27, Hezhen (China, 9, 77.8%); 28, Mongola (China, 10, 100%); 29, Daur (China, 10, 85%); 30, Orogen (China, 10, 100%); 31, Miaozu (China, 9, 77.8%); 32, Yizu (China, 10, 85%); 33, Tujia (China, 10, 75%); 34, Han (China, 41, 82.9%); 35, Xibo (China, 9, 83.3%); 36, Uygur (China, 10, 90%); 37, Dai (China, 9, 55.6%); 38, Lahu (China, 10, 85%); 39, She (China, 9, 88.9%); 40, Naxi (China, 10, 95%); 41, Tu (China, 10, 75%); 42, Cambodian (Cambodia, 11, 72.7%); 43, Japanese (Japan, 27, 77.8%); 44, Yakut [Russia (Siberia region), 25, 98%]; 45, Papuan (New Guinea, 17, 91.2%); 46, NAN Melanesian (Bougainville, 18, 72.2%); 47, French Basque (France, 24, 83.3%); 48, French (France, 28, 78.6%); 49, Sardinian (Italy, 26, 90.4%); 50, North Italian [Italy (Bergamo region), 13, 76.9%]; 51, Tuscan (Italy, 8, 87.5%); 52, Orcadian (Orkney Islands, 16, 81.3%); 53, Russian (Russia, 24, 79.2%); 54, Adygei [Russia (Caucasus region), 15, 63.3%]; 55, Karitiana (Brazil, 21, 100%); 56, Surui (Brazil, 20, 100%); 57, Colombian (Colombia, 11, 100%); 58, Pima (Mexico, 25, 92%); 59, Maya (Mexico, 25, 92%).

Информация взята из следующего исследования:
Science 9 September 2005:
Vol. 309 no. 5741 pp. 1717-1720
DOI: 10.1126/science.1113722

Microcephalin, a Gene Regulating Brain Size, Continues to Evolve Adaptively in Humans
Patrick D. Evans, Sandra L. Gilbert, Nitzan Mekel-Bobrov, Eric J. Vallender, Jeffrey R. Anderson, Leila M. Vaez-Azizi, Sarah A. Tishkoff, Richard R. Hudson and Bruce T. Lahn

Полный текст исследования размещен по ссылке.

[Шад]

На 23иЯ с этой темой связаны два снипа.
Rs930557 (ген MCPH1) и rs3762271 (ген ASPM).

[Шад]

Интересно, кто нибудь видит некую закономерность в максимумах D-аллелей?

[Valikhan]

Интересно, кто нибудь видит некую закономерность в максимумах D-аллелей?

Дальний Восток, аднака. Тунгусо-маньчжуры.

И Америка.