genetica evolutiva humana -Human evolutionary genetics

La genética evolutiva humana estudia cómo un genoma humano difiere de otro genoma humano, el pasado evolutivo que dio lugar al genoma humano y sus efectos actuales. Las diferencias entre los genomas tienen implicaciones y aplicaciones antropológicas , médicas , históricas y forenses . Los datos genéticos pueden proporcionar información importante sobre la evolución humana .

origen de los simios

Las relaciones taxonómicas de los homínidos .

Los biólogos clasifican a los humanos , junto con solo algunas otras especies , como grandes simios (especies de la familia Hominidae ). Los Hominidae vivos incluyen dos especies distintas de chimpancés (el bonobo , Pan paniscus , y el chimpancé , Pan troglodytes ), dos especies de gorilas (el gorila occidental , Gorilla gorilla , y el gorila oriental , Gorilla graueri ), y dos especies de orangután . (el orangután de Borneo , Pongo pygmaeus , y el orangután de Sumatra , Pongo abelii ). Los grandes simios con la familia Hylobatidae de gibones forman la superfamilia Hominoidea de simios .

Los simios, a su vez, pertenecen al orden de los primates (>400 especies), junto con los monos del Viejo Mundo , los monos del Nuevo Mundo y otros. Los datos tanto del ADN mitocondrial (ADNmt) como del ADN nuclear (ADNn) indican que los primates pertenecen al grupo de Euarchontoglires , junto con Rodentia , Lagomorpha , Dermoptera y Scandentia . Esto está respaldado además por elementos nucleares intercalados cortos (SINE) similares a Alu que se han encontrado solo en miembros de Euarchontoglires.

filogenética

Un árbol filogenético generalmente se deriva de secuencias de ADN o proteínas de poblaciones. A menudo, el ADN mitocondrial o las secuencias del cromosoma Y se utilizan para estudiar la demografía humana antigua. Estas fuentes de ADN de un solo locus no se recombinan y casi siempre se heredan de un solo padre, con solo una excepción conocida en el ADNmt. Los individuos de regiones geográficas más cercanas generalmente tienden a ser más similares que los individuos de regiones más lejanas. La distancia en un árbol filogenético se puede usar aproximadamente para indicar:

  1. Distancia genética . La diferencia genética entre los humanos y los chimpancés es inferior al 2 %, o tres veces mayor que la variación entre los humanos modernos (estimada en un 0,6 %).
  2. Lejanía temporal del ancestro común más reciente. Se estima que el ancestro común mitocondrial más reciente de los humanos modernos vivió hace aproximadamente 160.000 años, los últimos ancestros comunes de humanos y chimpancés hace aproximadamente 5 a 6 millones de años.

Especiación de los humanos y los simios africanos

La separación de los humanos de sus parientes más cercanos, los simios africanos no humanos (chimpancés y gorilas), se ha estudiado ampliamente durante más de un siglo. Se han abordado cinco cuestiones principales:

  • ¿Qué simios son nuestros antepasados ​​más cercanos?
  • ¿Cuándo ocurrieron las separaciones?
  • ¿Cuál era el tamaño efectivo de la población del ancestro común antes de la división?
  • ¿Hay rastros de la estructura de la población (subpoblaciones) que preceden a la especiación o una mezcla parcial que la sucede?
  • ¿Cuáles fueron los eventos específicos (incluida la fusión de los cromosomas 2a y 2b) antes y después de la separación?

Observaciones generales

Como se discutió antes, diferentes partes del genoma muestran diferentes secuencias divergentes entre diferentes hominoideos . También se ha demostrado que la divergencia de secuencias entre el ADN de humanos y chimpancés varía mucho. Por ejemplo, la divergencia de secuencia varía entre 0% y 2,66% entre regiones genómicas no repetitivas y no codificantes de humanos y chimpancés. El porcentaje de nucleótidos en el genoma humano (hg38) que tenían coincidencias exactas uno a uno en el genoma del chimpancé (pantro6) fue del 84,38 %. Además, los árboles de genes, generados por análisis comparativos de segmentos de ADN, no siempre se ajustan al árbol de especies. Resumiendo:

Tiempos de divergencia

El tiempo de divergencia de los humanos de otros simios es de gran interés. Uno de los primeros estudios moleculares, publicado en 1967, midió las distancias inmunológicas (ID) entre diferentes primates. Básicamente, el estudio midió la fuerza de la respuesta inmunológica que un antígeno de una especie (albúmina humana) induce en el sistema inmunológico de otra especie (humano, chimpancé, gorila y monos del Viejo Mundo ). Las especies estrechamente relacionadas deben tener antígenos similares y, por lo tanto, una respuesta inmunológica más débil a los antígenos de los demás. La respuesta inmunológica de una especie a sus propios antígenos (por ejemplo, de humano a humano) se fijó en 1.

Se determinó que el ID entre humanos y gorilas era 1,09, entre humanos y chimpancés se determinó que era 1,14. Sin embargo, la distancia a seis monos del Viejo Mundo diferentes fue en promedio de 2,46, lo que indica que los simios africanos están más estrechamente relacionados con los humanos que con los monos. Los autores consideran que el tiempo de divergencia entre los monos del Viejo Mundo y los homínidos data de hace 30 millones de años (MA), según datos fósiles, y se consideró que la distancia inmunológica crece a un ritmo constante. Llegaron a la conclusión de que el tiempo de divergencia de los humanos y los simios africanos es de aproximadamente ~ 5 MYA. Ese fue un resultado sorprendente. La mayoría de los científicos en ese momento pensaban que los humanos y los grandes simios divergieron mucho antes (> 15 MYA).

El gorila estaba, en términos de identificación, más cerca de los humanos que de los chimpancés; sin embargo, la diferencia era tan leve que la tricotomía no podía resolverse con certeza. Estudios posteriores basados ​​en la genética molecular lograron resolver la tricotomía: los chimpancés están filogenéticamente más cerca de los humanos que de los gorilas. Sin embargo, algunos tiempos de divergencia estimados más tarde (utilizando métodos mucho más sofisticados en genética molecular) no difieren sustancialmente de la primera estimación en 1967, pero un artículo reciente lo sitúa entre 11 y 14 millones de años.

Tiempos de divergencia y tamaño efectivo de la población ancestral

Las secuencias de los segmentos de ADN divergen antes que las especies. Un tamaño de población efectivo grande en la población ancestral (izquierda) conserva diferentes variantes de los segmentos de ADN (=alelos) durante un período de tiempo más prolongado. Por lo tanto, en promedio, los tiempos de divergencia de genes (t A para el segmento de ADN A; t B para el segmento de ADN B) se desviarán más desde el momento en que las especies divergen (t S ) en comparación con un tamaño de población ancestral efectivo pequeño (derecha).

Los métodos actuales para determinar los tiempos de divergencia utilizan alineaciones de secuencias de ADN y relojes moleculares . Por lo general, el reloj molecular se calibra asumiendo que el orangután se separó de los simios africanos (incluidos los humanos) hace 12-16 millones de años. Algunos estudios también incluyen algunos monos del viejo mundo y establecen el tiempo de divergencia de ellos desde los homínidos a 25-30 MYA. Ambos puntos de calibración se basan en muy pocos datos fósiles y han sido criticados.

Si se revisan estas fechas, los tiempos de divergencia estimados a partir de datos moleculares también cambiarán. Sin embargo, es poco probable que cambien los tiempos de divergencia relativa. Incluso si no podemos decir exactamente los tiempos de divergencia absolutos, podemos estar bastante seguros de que el tiempo de divergencia entre chimpancés y humanos es unas seis veces más corto que entre chimpancés (o humanos) y monos.

Un estudio (Takahata et al. , 1995) utilizó 15 secuencias de ADN de diferentes regiones del genoma de humanos y chimpancés y 7 secuencias de ADN de humanos, chimpancés y gorilas. Determinaron que los chimpancés están más estrechamente relacionados con los humanos que con los gorilas. Utilizando varios métodos estadísticos, estimaron que el tiempo de divergencia humano-chimpancé era de 4,7 millones de años y el tiempo de divergencia entre gorilas y humanos (y chimpancés) de 7,2 millones de años.

Además, estimaron que el tamaño efectivo de la población del ancestro común de humanos y chimpancés era de ~100.000. Esto fue algo sorprendente ya que se estima que el tamaño efectivo de la población humana actual es de solo ~ 10,000. Si es cierto, eso significa que el linaje humano habría experimentado una inmensa disminución del tamaño efectivo de su población (y, por lo tanto, de la diversidad genética) en su evolución. (ver la teoría de la catástrofe de Toba )

A y B son dos loci diferentes . En la figura superior se ajustan al árbol de especies. El ADN que está presente en los gorilas de hoy divergió antes del ADN que está presente en los humanos y chimpancés de hoy. Por tanto, ambos loci deberían ser más similares entre humanos y chimpancés que entre gorila y chimpancé o entre gorila y humano. En el gráfico inferior, el locus A tiene un ancestro común más reciente en humanos y gorilas en comparación con la secuencia del chimpancé. Mientras que el chimpancé y el gorila tienen un ancestro común más reciente para el locus B. Aquí los árboles de genes son incongruentes con el árbol de especies.

Otro estudio (Chen & Li, 2001) secuenció 53 segmentos de ADN intergénico no repetitivos de humanos , chimpancés , gorilas y orangutanes . Cuando las secuencias de ADN se concatenaron en una sola secuencia larga, el árbol de unión de vecinos generado apoyó al clado Homo - Pan con un 100% de arranque (es decir, los humanos y los chimpancés son las especies relacionadas más cercanas de las cuatro). Cuando tres especies están estrechamente relacionadas entre sí (como humanos, chimpancés y gorilas), los árboles obtenidos a partir de datos de secuencias de ADN pueden no ser congruentes con el árbol que representa la especiación (árbol de especies).

Cuanto más corto es el lapso de tiempo internodal (T IN ), más comunes son los árboles de genes incongruentes. El tamaño efectivo de la población (N e ) de la población internodal determina cuánto tiempo se conservan los linajes genéticos en la población. Un tamaño de población efectivo más alto provoca árboles de genes más incongruentes. Por lo tanto, si se conoce el lapso de tiempo internodal, se puede calcular el tamaño efectivo de la población ancestral del ancestro común de humanos y chimpancés.

Cuando cada segmento se analizó individualmente, 31 apoyaron el clado Homo - Pan , 10 apoyaron el clado Homo - Gorila y 12 apoyaron el clado Pan - Gorila . Utilizando el reloj molecular, los autores estimaron que los gorilas se separaron primero entre 6,2 y 8,4 millones de años y que los chimpancés y los humanos se separaron entre 1,6 y 2,2 millones de años más tarde (internodal) entre 4,6 y 6,2 millones de años. El lapso de tiempo internodal es útil para estimar el tamaño efectivo de la población ancestral del ancestro común de humanos y chimpancés.

Un análisis parsimonioso reveló que 24 loci apoyaron el clado Homo - Pan , 7 apoyaron el clado Homo - Gorila , 2 apoyaron el clado Pan - Gorila y 20 no dieron ninguna resolución. Además, tomaron 35 loci de codificación de proteínas de las bases de datos. De estos, 12 apoyaron el clado Homo - Pan , 3 el clado Homo - Gorila , 4 el clado Pan - Gorila y 16 no dieron ninguna resolución. Por lo tanto, solo ~70% de los 52 loci que dieron una resolución (33 intergénicos, 19 codificadores de proteínas) respaldan el árbol de especies "correcto". A partir de la fracción de loci que no sustentaron el árbol de especies y el lapso de tiempo internodal que estimaron previamente, la población efectiva del ancestro común de humanos y chimpancés se estimó en ~52 000 a 96 000. Este valor no es tan alto como que el del primer estudio (Takahata), pero aún mucho más alto que el tamaño efectivo de la población humana actual.

Un tercer estudio (Yang, 2002) usó el mismo conjunto de datos que usaron Chen y Li pero estimó la población ancestral efectiva de 'solo' ~12,000 a 21,000, usando un método estadístico diferente.

Diferencias genéticas entre humanos y otros grandes simios

Las secuencias alineables dentro de los genomas de humanos y chimpancés difieren en alrededor de 35 millones de sustituciones de un solo nucleótido. Además, alrededor del 3% de los genomas completos difieren por deleciones, inserciones y duplicaciones.

Dado que la tasa de mutación es relativamente constante, aproximadamente la mitad de estos cambios ocurrieron en el linaje humano. Solo una fracción muy pequeña de esas diferencias fijas dio lugar a los diferentes fenotipos de humanos y chimpancés, y encontrarlos es un gran desafío. La gran mayoría de las diferencias son neutras y no afectan al fenotipo .

La evolución molecular puede actuar de diferentes maneras, a través de la evolución de proteínas, la pérdida de genes, la regulación diferencial de genes y la evolución del ARN. Se cree que todos han desempeñado algún papel en la evolución humana.

pérdida de genes

Muchas mutaciones diferentes pueden inactivar un gen, pero pocas cambiarán su función de una manera específica. Por lo tanto, las mutaciones de inactivación estarán fácilmente disponibles para que la selección actúe sobre ellas. Por lo tanto, la pérdida de genes podría ser un mecanismo común de adaptación evolutiva (la hipótesis de "menos es más").

Se perdieron 80 genes en el linaje humano después de la separación del último ancestro común con el chimpancé. 36 de ellos fueron para receptores olfativos . Los genes implicados en la quimiorrecepción y la respuesta inmunitaria están sobrerrepresentados. Otro estudio estimó que se habían perdido 86 genes.

Gen de la queratina del cabello KRTHAP1

Un gen para la queratina del cabello tipo I se perdió en el linaje humano. Las queratinas son un componente importante de los pelos. Los seres humanos todavía tienen nueve genes funcionales de queratina del cabello de tipo I, pero la pérdida de ese gen en particular puede haber causado el adelgazamiento del cabello del cuerpo humano. Basado en la suposición de un reloj molecular constante, el estudio predice que la pérdida de genes ocurrió hace relativamente poco tiempo en la evolución humana, hace menos de 240 000 años, pero tanto la secuencia de Vindija Neandertal como la de Denisovan de alta cobertura contienen los mismos codones de parada prematuros que los modernos. humanos y, por lo tanto, la datación debe ser mayor que hace 750 000 años.

Más información: Evolución del cabello

Gen de miosina MYH16

Stedman et al. (2004) afirmaron que la pérdida del gen de la miosina sarcomérica MYH16 en el linaje humano condujo a músculos masticatorios más pequeños . Estimaron que la mutación que condujo a la inactivación (una eliminación de dos pares de bases) ocurrió hace 2,4 millones de años, antes de la aparición del Homo ergaster /erectus en África. El período que siguió estuvo marcado por un fuerte aumento en la capacidad craneal , lo que promovió la especulación de que la pérdida del gen pudo haber eliminado una restricción evolutiva sobre el tamaño del cerebro en el género Homo .

Otra estimación de la pérdida del gen MYH16 es de hace 5,3 millones de años, mucho antes de que apareciera Homo .

Otro

  • CASPASE12 , una cisteinil aspartato proteinasa. Se especula que la pérdida de este gen ha reducido la letalidad de la infección bacteriana en humanos.

adición de genes

Las duplicaciones segmentarias (SD o LCR ) han tenido funciones en la creación de nuevos genes de primates y en la configuración de la variación genética humana.

Inserciones de ADN específicas de humanos

Cuando se comparó el genoma humano con los genomas de cinco especies de primates de comparación, incluidos el chimpancé , el gorila , el orangután , el gibón y el macaco, se descubrió que hay aproximadamente 20,000 inserciones específicas de humanos que se cree que son reguladoras. Si bien la mayoría de las inserciones parecen ser neutrales en términos de aptitud física, se ha identificado una pequeña cantidad en genes seleccionados positivamente que muestran asociaciones con fenotipos neurales y algunos relacionados con fenotipos relacionados con la percepción dental y sensorial. Estos hallazgos insinúan el papel aparentemente importante de las inserciones específicas de humanos en la evolución reciente de los humanos.

Presiones de selección

Las regiones aceleradas humanas son áreas del genoma que difieren entre humanos y chimpancés en mayor medida de lo que puede explicarse por la deriva genética a lo largo del tiempo desde que las dos especies compartieron un ancestro común. Estas regiones muestran signos de estar sujetas a la selección natural, lo que lleva a la evolución de rasgos claramente humanos. Dos ejemplos son HAR1F , que se cree que está relacionado con el desarrollo del cerebro y HAR2 (también conocido como HACNS1 ), que puede haber jugado un papel en el desarrollo del pulgar oponible .

También se ha planteado la hipótesis de que gran parte de la diferencia entre humanos y chimpancés se puede atribuir a la regulación de la expresión génica más que a las diferencias en los propios genes. Los análisis de secuencias no codificantes conservadas , que a menudo contienen regiones reguladoras funcionales y, por lo tanto, seleccionadas positivamente, abordan esta posibilidad.

Divergencia de secuencias entre humanos y simios

Cuando se publicó el borrador de la secuencia del genoma del chimpancé común ( Pan troglodytes ) en el verano de 2005, se secuenciaron y ensamblaron 2400 millones de bases (de ~3160 millones de bases) lo suficientemente bien como para compararlas con el genoma humano. El 1,23 % de esta secuenciación difería en las sustituciones de una sola base. De esto, se pensó que el 1,06% o menos representaba diferencias fijas entre las especies, siendo el resto sitios variantes en humanos o chimpancés. Otro tipo de diferencia, llamado indels (inserciones/eliminaciones) representó muchas menos diferencias (15 % como muchas), pero contribuyó con ~1.5 % de secuencia única para cada genoma, ya que cada inserción o eliminación puede involucrar desde una base hasta millones de bases

Un artículo complementario examinó las duplicaciones segmentarias en los dos genomas, cuya inserción y eliminación en el genoma explica gran parte de la secuencia indel. Descubrieron que un total de 2,7% de la secuencia eucromática se había duplicado diferencialmente en uno u otro linaje.

Porcentaje de divergencia de secuencia entre humanos y otros homínidos
Lugar Humano-Chimpancé Humano-Gorila Humano-Orangután
Elementos de aluminio 2 - -
Sin codificación (Chr. Y) 1,68 ± 0,19 2,33 ± 0,2 5,63 ± 0,35
Pseudogenes (autosómico) 1,64 ± 0,10 1,87 ± 0,11 -
Pseudogenes (Chr. X) 1,47 ± 0,17 - -
No codificante (autosómico) 1,24 ± 0,07 1,62 ± 0,08 3,08 ± 0,11
Genes ( Ks ) 1.11 1.48 2.98
intrones 0,93 ± 0,08 1,23 ± 0,09 -
Xq13.3 0,92 ± 0,10 1,42 ± 0,12 3,00 ± 0,18
Subtotal para el cromosoma X 1,16 ± 0,07 1,47 ± 0,08 -
Genes (K a ) 0.8 0.93 1.96

La divergencia de secuencias tiene generalmente el siguiente patrón: humano-chimpancé < humano-gorila << humano-orangután, destacando el estrecho parentesco entre los humanos y los simios africanos. Los elementos Alu divergen rápidamente debido a su alta frecuencia de dinucleótidos CpG que mutan aproximadamente 10 veces más que el nucleótido promedio en el genoma. La tasa de mutación es mayor en la línea germinal masculina , por lo que la divergencia en el cromosoma Y —que se hereda únicamente del padre— es mayor que en los autosomas . El cromosoma X se hereda con el doble de frecuencia a través de la línea germinal femenina que a través de la línea germinal masculina y, por lo tanto, muestra una divergencia de secuencia ligeramente menor. La divergencia de secuencias de la región Xq13.3 es sorprendentemente baja entre humanos y chimpancés.

Las mutaciones que alteran la secuencia de aminoácidos de las proteínas (K a ) son las menos comunes. De hecho, ~29% de todas las proteínas ortólogas son idénticas entre humanos y chimpancés. La proteína típica difiere en solo dos aminoácidos. Las medidas de divergencia de secuencia que se muestran en la tabla solo tienen en cuenta las diferencias de sustitución, por ejemplo, de una A ( adenina ) a una G ( guanina ). Sin embargo, las secuencias de ADN también pueden diferir por inserciones y deleciones ( indeles ) de bases. Estos generalmente se eliminan de las alineaciones antes de realizar el cálculo de la divergencia de secuencia.

Diferencias genéticas entre los humanos modernos y los neandertales

Un grupo internacional de científicos completó un borrador de secuencia del genoma neandertal en mayo de 2010. Los resultados indican cierta reproducción entre los humanos modernos ( Homo sapiens ) y los neandertales ( Homo neanderthalensis ) , ya que los genomas de los humanos no africanos tienen entre un 1% y un 4% más en común con los neandertales que los genomas de los africanos subsaharianos. Los neandertales y la mayoría de los humanos modernos comparten una variante intolerante a la lactosa del gen de la lactasa que codifica una enzima que no puede descomponer la lactosa en la leche después del destete. Los humanos modernos y los neandertales también comparten la variante del gen FOXP2 asociada con el desarrollo del cerebro y con el habla en los humanos modernos, lo que indica que los neandertales pueden haber podido hablar. Los chimpancés tienen dos diferencias de aminoácidos en FOXP2 en comparación con los humanos y los neandertales FOXP2.

Diferencias genéticas entre los humanos modernos.

Más información: Variación genética humana , Evolución humana reciente , Humanos arcaicos , Mezcla arcaica , Raza y genética y Variabilidad humana
Más información: Genética humana , Arqueogenética , Haplogrupo de ADN mitocondrial humano , Haplogrupo de ADN del cromosoma Y humano y Genealogía genética

Se cree que H. sapiens surgió hace unos 300.000 años. Se dispersó por África, y después de 70.000 años por Eurasia y Oceanía. Un estudio de 2009 identificó 14 "grupos de población ancestral", siendo el más remoto el pueblo San del sur de África.

Con su rápida expansión a lo largo de diferentes zonas climáticas, y especialmente con la disponibilidad de nuevas fuentes de alimento con la domesticación del ganado y el desarrollo de la agricultura , las poblaciones humanas han estado expuestas a importantes presiones selectivas desde su dispersión. Por ejemplo, se ha descubierto que los asiáticos orientales están separados de los europidos por una serie de alelos concentrados que sugieren presiones de selección, incluidas variantes de los genes EDAR , ADH1B , ABCC1 y ALDH2 . Los tipos de ADH1B de Asia oriental en particular están asociados con la domesticación del arroz y, por lo tanto, habrían surgido después del desarrollo del cultivo de arroz hace aproximadamente 10.000 años. Varios rasgos fenotípicos característicos de los asiáticos orientales se deben a una sola mutación del gen EDAR , que data de c. Hace 35.000 años.

A partir de 2017, la base de datos de polimorfismo de nucleótido único ( dbSNP ), que enumera SNP y otras variantes, enumeró un total de 324 millones de variantes encontradas en genomas humanos secuenciados. La diversidad de nucleótidos , la proporción promedio de nucleótidos que difieren entre dos individuos, se estima entre 0,1% y 0,4% para los humanos contemporáneos (en comparación con el 2% entre humanos y chimpancés). Esto corresponde a diferencias genómicas en unos pocos millones de sitios; el Proyecto 1000 Genomas encontró de manera similar que "un genoma [individual] típico difiere del genoma humano de referencia en 4,1 millones a 5,0 millones de sitios... que afectan a 20 millones de bases de secuencia".

En febrero de 2019, los científicos descubrieron evidencia, basada en estudios genéticos que utilizan inteligencia artificial (IA), que sugiere la existencia de una especie de ancestro humano desconocido, no neandertal , denisovano o híbrido humano (como Denny (homínido híbrido) ), en el genoma de humanos modernos .

Estudios de investigación

En marzo de 2019, científicos chinos informaron que insertaron el gen MCPH1 relacionado con el cerebro humano en monos rhesus de laboratorio , lo que dio como resultado que los monos transgénicos se desempeñaran mejor y respondieran más rápido en "pruebas de memoria a corto plazo que involucran colores y formas coincidentes", en comparación con el control no transgénico. monos, según los investigadores.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos