Antropología molecular - Molecular anthropology
La antropología molecular , también conocida como antropología genética , es un campo de la antropología en el que se utiliza el análisis molecular para determinar los vínculos evolutivos entre las poblaciones humanas antiguas y modernas, así como entre las especies contemporáneas. Generalmente, las comparaciones se hacen entre secuencias, ya sean de ADN o de proteínas ; sin embargo, los primeros estudios utilizaron serología comparativa .
Al examinar las secuencias de ADN en diferentes poblaciones, los científicos pueden determinar la cercanía de las relaciones entre poblaciones (o dentro de poblaciones). Ciertas similitudes en la composición genética permiten a los antropólogos moleculares determinar si diferentes grupos de personas pertenecen o no al mismo haplogrupo y, por lo tanto, si comparten un origen geográfico común . Esto es significativo porque permite a los antropólogos rastrear patrones de migración y asentamiento , lo que brinda información útil sobre cómo se han formado y progresado las poblaciones contemporáneas a lo largo del tiempo.
La antropología molecular ha sido extremadamente útil para establecer el árbol evolutivo de los humanos y otros primates , incluidas especies estrechamente relacionadas como los chimpancés y los gorilas. Si bien es evidente que existen muchas similitudes morfológicas entre humanos y chimpancés, por ejemplo, ciertos estudios también han concluido que hay aproximadamente un 98 por ciento de similitudes entre el ADN de ambas especies. Sin embargo, estudios más recientes han modificado la similitud del 98 por ciento a una similitud del 94 por ciento, mostrando que la brecha genética entre humanos y chimpancés es mayor de lo que se pensaba originalmente. Esta información es útil para buscar ancestros comunes y comprender mejor cómo evolucionaron los humanos.
Loci haploides en antropología molecular
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Hay dos grupos de ligamiento continuo en humanos que son portados por un solo sexo. El primero es el cromosoma Y , que se transmite de padres a hijos. Las hembras anatómicas portan un cromosoma Y solo en raras ocasiones, como resultado de un defecto genético. El otro grupo de ligamiento es el ADN mitocondrial (ADNmt). El mtDNA casi siempre se transmite a la siguiente generación por las hembras, pero en circunstancias muy excepcionales el mtDNA puede pasar a través de los machos. La porción no recombinante del cromosoma Y y el mtDNA, en circunstancias normales, no experimentan recombinación productiva. Parte del cromosoma Y puede someterse a recombinación con el cromosoma X y, dentro de la historia de los simios , el límite ha cambiado. Tales cambios recombinantes en la región no recombinante de Y son extremadamente raros.
ADN mitocondrial
El ADN mitocondrial se convirtió en un área de investigación en filogenética a fines de la década de 1970. A diferencia del ADN genómico, ofrecía ventajas en el sentido de que no se recombinaba. El proceso de recombinación, si es lo suficientemente frecuente, corrompe la capacidad de crear árboles parsimoniosos debido a tramos de subsiticiones de aminoácidos (SNP). Cuando se mira entre especies relacionadas lejanamente, la recombinación es un problema menor, ya que la recombinación entre ramas de ancestros comunes se evita después de que ocurre la verdadera especiación. Cuando se examinan especies estrechamente relacionadas o se ramifican dentro de las especies, la recombinación crea una gran cantidad de "SNP irrelevantes" para el análisis cladístico. El ADNmt, a través del proceso de división de orgánulos, se volvió clonal con el tiempo; se transmite muy poco o nada de ese ADNmt paterno. Si bien la recombinación puede ocurrir en el mtDNA, hay poco riesgo de que pase a la siguiente generación. Como resultado, el mtDNA se convierte en copias clonales entre sí, excepto cuando surge una nueva mutación. Como resultado, el mtDNA no tiene problemas de loci autosómicos cuando se estudia en grupos de cruzamiento. Otra ventaja del mtDNA es que las regiones hipervariables evolucionan muy rápidamente; esto muestra que ciertas regiones del ADN mitocondrial se acercan a la neutralidad. Esto permitió el uso de ADN mitocondrial para determinar que la edad relativa de la población humana era pequeña, habiendo pasado por una constricción reciente hace unos 150.000 años (ver #Causas de errores ).
El ADN mitocondrial también se ha utilizado para verificar la proximidad de los chimpancés a los humanos en relación con los gorilas y para verificar la relación de estas tres especies en relación con los orangutanes .
Más recientemente, el genoma del mtDNA se ha utilizado para estimar patrones de ramificación en personas de todo el mundo, como cuándo se estableció el nuevo mundo y cómo. El problema con estos estudios ha sido que se basan en gran medida en mutaciones en la región codificante. Los investigadores han descubierto cada vez más que a medida que los seres humanos se trasladaron desde las regiones del sudeste de África, se acumularon más mutaciones de las esperadas en la región de codificación, y se cree que en el paso al nuevo mundo algunos grupos pasaron de los trópicos asiáticos a Siberia a una tierra antigua. región llamada Beringia y rápidamente migró a América del Sur. Muchos de los mtDNA tienen muchas más mutaciones y en sitios de codificación rara vez mutados en relación con las expectativas de mutaciones neutrales.
El ADN mitocondrial ofrece otra ventaja sobre el ADN autosómico. Por lo general, hay de 2 a 4 copias de cada cromosoma en cada célula (1 a 2 de cada cromosoma original). Para el mtDNA puede haber decenas a cientos en cada célula. Esto aumenta la cantidad de cada loci de ADNmt en al menos una magnitud. Para el ADN antiguo, en el que el ADN está muy degradado, la cantidad de copias de ADN es útil para extender y unir fragmentos cortos, y disminuye la cantidad de hueso extraído de restos fósiles / antiguos de gran valor. A diferencia del cromosoma Y, los restos masculinos y femeninos portan ADNmt en cantidades aproximadamente iguales.
Cromosoma Y
El cromosoma Y se encuentra en el núcleo de las células normales ( ADN nuclear ). A diferencia del mtDNA, tiene mutaciones en la porción no recombinante (NRY) del cromosoma muy espaciadas, tan separadas que encontrar las mutaciones en los nuevos cromosomas Y es laborioso en comparación con el mtDNA. Muchos estudios se basan en repeticiones en tándem; sin embargo, las repeticiones en tándem pueden expandirse y retraerse rápidamente y en algunos patrones predecibles. El cromosoma Y solo rastrea las líneas masculinas y no se encuentra en las mujeres, mientras que el ADNmt se puede rastrear en los hombres aunque no transmitan el ADNmt. Además, se ha estimado que las poblaciones de machos efectivos en el período prehistórico eran típicamente dos hembras por macho, y estudios recientes muestran que la hegemonía cultural juega un papel importante en el paso de Y. Esto ha creado discordancia entre machos y hembras durante la época. al antepasado común más reciente (TMRCA). Las estimaciones de Y TMRCA oscilan entre 1/4 y menos de la mitad de las de mtDNA TMRCA. No está claro si esto se debe a las altas proporciones de hombres a mujeres en el pasado, junto con las migraciones repetidas desde África, como resultado del cambio de la tasa de mutaciones, o porque algunos incluso han propuesto que las hembras del LCA entre chimpancés y humanos continuaron pasar el ADN millones después de que los machos dejaron de pasar el ADN. En la actualidad, la mejor evidencia sugiere que en la migración, la proporción de hombres a mujeres en los seres humanos puede haber disminuido, provocando un recorte de la diversidad de Y en múltiples ocasiones dentro y fuera de África.
Para la filogenética molecular de corto alcance y el reloj molecular, el cromosoma Y es muy eficaz y crea una segunda perspectiva. Un argumento que surgió fue que los maoríes por ADNmt parecen haber migrado desde el este de China o Taiwán, por el cromosoma Y de la región de Papua Nueva Guinea. Cuando se utilizaron los haplotipos HLA para evaluar las dos hipótesis, se descubrió que ambas tenían razón, que los maoríes eran una población mixta. Tales mezclas parecen ser comunes en la población humana y, por lo tanto, el uso de un solo loci haploide puede dar una perspectiva sesgada.
Estudios ligados al cromosoma X
El cromosoma X también es una forma de ADN nuclear. Dado que se encuentra como 1 copia en los machos y 2 cromosomas no idénticos en las hembras, tiene una ploidía de 1,5. Sin embargo, en los seres humanos la ploidía efectiva es algo mayor, ~ 1,7, ya que las hembras en la población reproductora han tendido a superar en número a los machos en 2: 1 durante una gran parte de la prehistoria humana. Como el ADNmt, el ADN ligado al cromosoma X tiende a enfatizar más la historia de la población femenina mucho más que la masculina. Se han realizado varios estudios de loci en el cromosoma X, en total se han examinado 20 sitios. Estos incluyen PDHA1, PDHA1, Xq21.3, Xq13.3, Zfx , Fix, Il2rg, Plp, Gk, Ids, Alas2, Rrm2p4, AmeIX, Tnfsf5, Licam y Msn. El tiempo hasta el ancestro común más reciente (TMRCA) varía de fijo a ~ 1,8 millones de años, con una mediana de alrededor de 700 ky. Estos estudios trazan aproximadamente la distribución de fijación esperada de los alelos, dado el desequilibrio de ligamiento entre sitios adyacentes. Para algunos alelos, el punto de origen es difícil de alcanzar, para otros, el punto de origen apunta hacia el África subsahariana. Hay algunas distinciones dentro de la SSA que sugieren una región más pequeña, pero no hay un tamaño de muestra ni una cobertura suficientes para definir el lugar del ancestro común más reciente. El TMRCA es consistente y extiende el cuello de botella implícito en el mtDNA, con seguridad a unos 500.000 años.
Loci autosómicos
Variación de tarifa
Secuenciación de ADN antiguo
Krings Neandertal mtDNA ha sido secuenciado, y la similitud de secuencia indica un origen igualmente reciente de una pequeña población en la rama neandertal de homínidos tardíos. El gen MCR1 también se ha secuenciado, pero los resultados son controvertidos, y un estudio afirma que los problemas de contaminación no se pueden resolver a partir de similitudes entre los humanos neandertales. Críticamente, sin embargo, no se ha obtenido ninguna secuencia de ADN de Homo erectus, Homo floriensis o cualquiera de los otros homínidos tardíos. Algunas de las secuencias antiguas obtenidas tienen errores altamente probables y un control adecuado para evitar la contaminación.
Causas de errores
La filogenética molecular se basa en sustituciones de cuantificación y luego comparando la secuencia con otras especies, hay varios puntos en el proceso que crean errores. El primer y mayor desafío es encontrar "anclajes" que permitan a la investigación calibrar el sistema. En este ejemplo, hay 10 mutaciones entre chimpancés y humanos , pero el investigador no tiene fósiles conocidos que sean agradablemente ancestrales a ambos pero no a la siguiente especie del árbol, el gorila . Sin embargo, hay fósiles que se cree que son ancestros de los orangutanes y los humanos, de hace unos 14 millones de años. Para que el investigador pueda usar la comparación entre orangután y humanos y obtenga una diferencia de 24. Usando esto, puede estimar (24 / (14 * 2, el "2" es para la longitud de la rama a Humano (14my) y el rama a Orangután (14 my) de su último ancestro común (LCA). La tasa de mutación es de 0,857 para un tramo de secuencia. Sin embargo, las tasas de mutación se dan como tasa por sitio de nucleótido (nt), por lo que si la secuencia fuera digamos 100 nt de longitud esa tasa sería 0,00857 / nt por millón de años Diez mutaciones * 100 nt / (0,00857 * 2) = 5,8 millones de años.
Problema de calibración
Hay varios problemas que no se ven en lo anterior. Primero, las mutaciones ocurren como eventos aleatorios. En segundo lugar, la posibilidad de que cualquier sitio en el genoma varíe es diferente del siguiente sitio, un muy buen ejemplo son los codones para aminoácidos, los dos primeros nt en un codón pueden mutar a 1 por mil millones de años, pero el tercero puede mutar 1 por millón de años. A menos que los científicos estudien la secuencia de una gran cantidad de animales, en particular los que están cerca de la rama que se examina, generalmente no saben cuál es la tasa de mutación para un sitio determinado. Las mutaciones ocurren en las posiciones 1 y 2 de los codones, pero en la mayoría de los casos, estas mutaciones están bajo selección negativa y, por lo tanto, se eliminan de la población durante pequeños períodos de tiempo. Al definir la tasa de evolución en el ancla, uno tiene el problema de que crea la mutación aleatoria. Por ejemplo, una tasa de .005 o .010 también puede explicar 24 mutaciones de acuerdo con la distribución de probabilidad binomial . Algunas de las mutaciones que ocurrieron entre los dos se han revertido, ocultando una tasa inicialmente más alta. La selección puede influir en esto, una mutación rara puede ser selectiva en el punto X en el tiempo, pero el clima posterior puede cambiar o la especie migra y ya no es selectiva, y se ejerce presión sobre nuevas mutaciones que revierten el cambio y, a veces, la reversión de Si puede ocurrir, cuanto mayor sea la distancia entre dos especies, más probable es que esto ocurra. Además, a partir de esa especie ancestral, ambas especies pueden mutar aleatoriamente un sitio al mismo nucleótido. Muchas veces esto se puede resolver obteniendo muestras de ADN de especies en las ramas, creando un árbol parsimonioso en el que se puede deducir el orden de mutación, creando un diagrama de longitud de rama. Este diagrama producirá una estimación más precisa de las mutaciones entre dos especies. Estadísticamente, se puede asignar varianza basándose en el problema de la aleatoriedad, las mutaciones inversas y las mutaciones paralelas (homoplasias) al crear un rango de error.
Sin embargo, existe otro problema en la calibración que ha desafiado el análisis estadístico. Existe una designación de verdadero / falso de un fósil a un antepasado común mínimo. En realidad, las probabilidades de tener el antepasado menos común de dos especies existentes como ancla son bajas, a menudo ese fósil ya se encuentra en una rama (subestimando la edad), se encuentra en una tercera rama (subestimando la edad) o en el caso de ser dentro de la especie LCA, puede haber sido millones de años más antigua que la rama. Hasta la fecha, la única forma de evaluar esta variación es aplicar la filogenética molecular en especies que se dice que son puntos de ramificación. Sin embargo, esto solo identifica los puntos de anclaje "periféricos". Y dado que es más probable que los fósiles más abundantes sean más jóvenes que la punta de la rama, el fósil periférico puede ser simplemente un raro representante más antiguo. Estas incógnitas crean una incertidumbre que es difícil de cuantificar y, a menudo, no se intenta.
Los artículos recientes han podido estimar, aproximadamente, la varianza. La tendencia general a medida que se descubren nuevos fósiles es que los fósiles más antiguos subestiman la edad del punto de ramificación. Además de esta datación de fósiles, ha habido un historial de errores y ha habido muchas fechas revisadas. La edad asignada por los investigadores a algunas ramas importantes casi se ha duplicado en los últimos 30 años. Un excelente ejemplo de esto es el debate sobre LM3 (lago Mungo 3) en Australia. Originalmente, se fechó en alrededor de 30 ky mediante la datación por carbono, sin embargo, la datación por carbono presenta problemas para muestras de más de 20ky de edad y problemas graves para muestras de alrededor de 30ky de edad. Otro estudio analizó el fósil y estimó que la edad era de 62 ky.
En el punto uno tiene una estimación de la tasa de mutación, dado lo anterior, debe haber dos fuentes de varianza que deben multiplicarse de forma cruzada para generar una varianza general. Esto se hace con poca frecuencia en la literatura.
Problemas para estimar TMRCA
El tiempo hasta el ancestro común más reciente ( TMRCA ) combina los errores en la calibración con los errores en la determinación de la edad de una sucursal local.
Historia
Era de las proteínas
Con el ADN recién descubierto como material genético, a principios de la década de 1960 la secuenciación de proteínas estaba comenzando a despegar. La secuenciación de proteínas comenzó en el citocromo C y la hemoglobina. Gerhard Braunitzer secuenció la hemoglobina y la mioglobina , en total se realizaron más de cientos de secuencias de una amplia variedad de especies. En 1967 AC Wilson comenzó a promover la idea de un "reloj molecular". En 1969, el reloj molecular se aplicó a la evolución antropoide y V. Sarich y AC Wilson encontraron que la albúmina y la hemoglobina tienen tasas de evolución comparables, lo que indica que los chimpancés y los humanos se dividieron hace unos 4 a 5 millones de años. En 1970, Louis Leakey confrontó esta conclusión con el argumento de una calibración incorrecta de los relojes moleculares. En 1975, la secuenciación de proteínas y la serología comparativa combinadas se utilizaron para proponer que el pariente vivo más cercano de los humanos (como especie ) era el chimpancé. En retrospectiva, el último ancestro común (LCA) de humanos y chimpancés parece más antiguo que la estimación de Sarich y Wilson , pero tampoco tan antiguo como afirmó Leakey. Sin embargo, Leakey tenía razón en la divergencia de los monos del viejo y del nuevo mundo, el valor que Sarich y Wilson usaron fue una subestimación significativa. Este error en la capacidad de predicción destaca un tema común. (Ver causas de error )
Era del ADN
Hibridación de ADN y RLFP
En 1979, WMBrown y Wilson comenzaron a observar la evolución del ADN mitocondrial en animales y descubrieron que estaban evolucionando rápidamente. La técnica que utilizaron fue el polimorfismo de longitud de fragmentos de restricción ( RFLP ), que era más asequible en ese momento en comparación con la secuenciación. En 1980, WM Brown, al observar la variación relativa entre humanos y otras especies, reconoció que había una constricción reciente (hace 180.000 años) en la población humana. Un año después, Brown y Wilson estaban mirando fragmentos de RFLP y determinaron que la población humana se expandió más recientemente que otras poblaciones de simios. En 1984 se realizó la primera secuencia de ADN de un animal extinto. Sibley y Ahlquist aplican la tecnología de hibridación ADN-ADN a la filogenia antropoide y ven la división pan / humano más cerca que la división gorila / pan o gorila / humano, una afirmación muy controvertida. Sin embargo, en 1987 pudieron respaldar su afirmación. En 1987, Cann, Stoneking y Wilson sugirieron, mediante el análisis RFLP del ADN mitocondrial humano, que los humanos evolucionaron a partir de una constricción en África de una sola hembra en una pequeña población, ~ 10 000 individuos, hace 200 000 años.
Era de la PCR
En 1987, se utilizó por primera vez la amplificación por PCR de mtDNA para determinar secuencias. En 1991 Vigilante et al. publicó el trabajo fundamental sobre la filogenia del mtDNA que implica al África subsahariana como el lugar de los antepasados comunes más recientes de los seres humanos para todos los mtDNA. La guerra entre fuera de África y el multirregionalismo, que ya estaba hirviendo con las críticas de Allan Templeton, pronto se intensificó con la participación del paleoantropólogo, como Milford Wolpoff. En 1995, F. Ayala publicó su artículo científico crítico "El mito de Eva", que se basó en la secuencia HLA-DR . En ese momento, sin embargo, Ayala no estaba al tanto de la rápida evolución de los loci HLA a través del proceso de recombinación. En 1996, Parham y Ohta publicaron sus hallazgos sobre la rápida evolución de HLA por recombinación a corta distancia ('conversión genética' o 'recombinación abortiva'), debilitando la afirmación de Ayala (Parham había escrito una revisión un año antes, pero esta se había ido inadvertido). Una serie de artículos seguiría de ambos lados, muchos de ellos con métodos y muestreos muy defectuosos. Uno de los más interesantes fue Harris y Hey, 1998, que mostró que el TMCRA (tiempo hasta el ancestro común más reciente) para el gen PDHA1 estaba muy por encima de 1 millón de años. Dada una ploidía en este locus de 1,5 (3 veces mayor que el mtDNA), el TMRCA fue más del doble de lo esperado. Si bien esto cae en la `` curva de fijación '' de 1,5 ploidía (con un promedio de 2 mujeres y 1 hombre), la edad sugerida de 1,8 mi se acerca a un valor p significativamente desviado para el tamaño de la población, lo que posiblemente indica que la población humana se redujo o se separó de otra población. Curiosamente, el siguiente loci ligado al cromosoma X que examinaron, el Factor IX, mostró un TMRCA de menos de 300.000 años.
ADN antiguo
La secuenciación del ADN antiguo se había llevado a cabo a una escala limitada hasta finales de la década de 1990, cuando el personal del Instituto Max Planck conmocionó al mundo de la antropología al secuenciar el ADN de un neandertal de aproximadamente 40.000 años de edad . El resultado de ese experimento es que las diferencias entre los humanos que viven en Europa, muchos de los cuales se derivaron del haplogrupo H (CRS), los neandertales se ramificaron de los humanos más de 300.000 años antes de que el haplogrupo H llegara a Europa. Si bien el mtDNA y otros estudios continuaron apoyando un origen africano reciente único, este nuevo estudio básicamente respondió a las críticas del lado neandertal.
Secuenciación genómica
Se ha logrado un progreso significativo en la secuenciación genómica desde que Ingman y sus colegas publicaron su hallazgo sobre el genoma mitocondrial. Se han publicado varios artículos sobre ADNmt genómico; Existe una variabilidad considerable en la tasa de evolución, y la variación y selección de la tasa son evidentes en muchos sitios. En 2007, Gonder et al. propuso que una población central de humanos, con el mayor nivel de diversidad y la menor selección, alguna vez vivió en la región de Tanzania y partes próximas del sur de África, desde que los humanos abandonaron esta parte de África, las mitocondrias han evolucionado selectivamente hacia nuevas regiones.
Progreso crítico
Crítico en la historia de la antropología molecular:
- Que la filogenética molecular podría competir con la antropología comparada para determinar la proximidad de las especies a los humanos.
- Wilson y King se dieron cuenta en 1975 de que, si bien había equidad entre el nivel de evolución molecular que se ramificaba desde el chimpancé hasta el LCA humano y el supuesto LCA, había una desigualdad en la evolución morfológica. La morfología comparativa basada en fósiles podría estar sesgada por diferentes tasas de cambio.
- Comprensión de que en el ADN existen múltiples comparaciones independientes. Dos técnicas, mtDNA e hibridación convergen en una sola respuesta, los chimpancés como especie están más estrechamente relacionados con los humanos.
- La capacidad de resolver el tamaño de la población según la regla 2N, propuesta por Kimura en la década de 1950. Usar esa información para comparar tamaños relativos de población y llegar a una conclusión sobre la abundancia que contrasta las observaciones basadas en el registro paleontológico. Si bien los fósiles humanos en la edad de piedra temprana y media son mucho más abundantes que los chimpancés o los gorilas, hay pocos fósiles inequívocos de chimpancés o gorilas del mismo período.
Loci que se han utilizado en filogenia molecular:
- Citocromo C
- Albúmina de suero
- Hemoglobina - Braunitizer, 1960, Harding et al. 1997
- Bucle D mitocondrial - Grupo Wilson, 1980, 1981, 1984, 1987, 1989, 1991 (póstumamente) - TMRCA alrededor de 170 kya.
- Cromosoma Y
- HLA-DR - Ayala 1995 - TMRCA para locus es 60 millones de años.
- CD4 (Intron) - Tishkoff, 1996 - la mayor parte de la diversidad se encuentra en África.
- PDHA1 (ligado al cromosoma X) Harris y Hey - TMRCA para locus de más de 1,5 millones de años.
Loci Xlinked: PDHA1, Xq21.3, Xq13.3, Zfx , Fix, Il2rg, Plp, Gk, Ids, Alas2, Rrm2p4, AmeIX, Tnfsf5, Licam y Msn
Autosómico: Numerosos.