Ewolucja człowieka molekularnie

DNA każdego organizmu zawiera informacje o jego ewolucyjnej historii. Badając DNA oraz zmiany w jego sekwencji – porównując sekwencje pomiędzy rożnymi osobnikami, populacjami lub pomiędzy gatunkami – możemy odkryć ich ewolucyjną przeszłość. Możemy dowiedzieć się, które geny czy fragmenty genomu mogły przyczynić się do adaptacji tych osobników, pozwalając im lepiej przetrwać i rozmnażać się (zobacz słowniczek dla wszystkich pogrubionych słów).

W poprzednim artykule (Bryk, 2010), opisałem kilka przykładów takich korzystnych zmian genetycznych u ludzi i innych organizmów. Udowodnienie, która zmiana genetyczna mogła być korzystna jest trudne – zwłaszcza u ludzi – ale jeszcze trudniejszym zadaniem jest znalezienie mechanizmu, dzięki któremu zmiany te mogły pozytywnie wpłynąć na przeżycie i reprodukcje organizmu.

W tym artykule prezentuję jeden ze sposobów, jaki naukowcy mogą użyć by, w pierwszej kolejności, móc zidentyfikować regiony naszego genomu, któreprawdopodobnie pomagały w przetrwaniu i reprodukcji, a następnie sprawdzić wjaki sposób regiony te mogły przynieść korzyści (adaptację) naszym przodkom.

Jednym ze sposobów, w jaki te potencjalnie korzystne fragmenty naszego genomu mogą zostać zidentyfikowane, jest po prostu porównanie sekwencji DNA wielu osobników z różnych populacji. W bardzo prostym przypadku, jeśli jedna z tych populacji znalazła się po wpływem presji selekcyjnej (na przykład silnego promieniowania UV), która nie wystąpiła u innych populacji, sekwencja DNA odpowiedzialna za tą adaptację (w tym wypadku ciemniejszy kolor skóry) powinna być różna.

W ogromnej większości przypadków jednak nie wiemy, jakiej presji selekcyjnej populacje zostały poddane w przeszłości, nie wiemy też, które sekwencje genetyczne są odpowiedzialne za adaptacje. Zacznijmy więc od porównania sekwencji DNA pomiędzy populacjami ludzi bez wstępnych założeń. Rysunek 1 przedstawia takie porównanie, przeprowadzone dla tylko jednego nukleotydu z genomu ludzkiego.

Jeśli osobniki posiadają różne nukleotydy w tej samej pozycji w sekwencji DNA, zjawisko to nazywamy polimorfizmem pojedynczego nukleotydu (single nucleotide polymorphism, w skrócie „SNP”, wypowiadane „snip”); trzy miliony takich wariantów w genomie ludzkim jest skatalogowanych w publicznie dostępnej bazie danych HapMap^w1. SNP przedstawiony na rysunku 1, występuje w dwóch wariantach lub inaczej allelach: w tym miejscu w sekwencji jedną z dwóch zasad może być albo tymina (T) albo cytozyna (C).

Każdy okrąg na rysunku 1 reprezentuje pojedynczą populację i przedstawia częstość występowania jednego z dwóch możliwych allelów w danej populacji.

Allel zawierający tyminę obecny jest we wszystkich populacjach afrykańskich i większości europejskich ale nie występuje we wschodniej Azji i Amerykach, gdzie cytozyna jest bardziej rozpowszechniona (Sabeti et al., 2007, 2006; Xue et al., 2009).

Jeśli przeprowadzilibyśmy takie porównanie dla wszystkich trzech milionów SNP-ów z HapMap, zauważylibyśmy, że dystrybucja wariantów rs3827760 w populacjach ludzi jest bardzo nietypowa. Dlatego też rs3827760 zasługuje na szczególną uwagę, nawet jeśli jego rozmieszczenie nie mówi nam nic o potencjalnej korzyści jego wariantów (ich wartości adaptacyjnej), czy nawet o tym, czy są one w ogóle adaptacyjne. Jak na razie jedyne, co wiemy to to, że z jakiegoś powodu oryginalnie wystepująca w tym miejscu tymina, u naszych przodków w Afryce, zamieniona została na cytozynę i że zmiana ta rozprzestrzeniła się we wschodniej Azji i w Amerykach. Szacunki okresu, kiedy zmiana ta nastąpiła są bardzo niedokładne: wiemy, że gdzieś pomiędzy 1000 i 70000 lat temu wszystkie populacje we wschodniej Azji posiadały wariant cytozyny.

Jak zatem możemy zdecydować czy ta nowa wersja DNA powstała z wyniku pozytywnego doboru naturalnego (tzn. czy posiadanie cytozyny było korzystne we wschodniej Azji i w Amerykach) czy po prostu był to przypadek? Aby zbadać czy zmiana w DNA (tymina zamieniona na cytozynę) była wynikiem pozytywnego doboru naturalnego, przypatrzmy się sekwencjom DNAwokół SNP-u. Jeśli sekwencje DNA otaczające rs3827760 są podobne we wszystkich populacjach, mielibyśmy prawo przypuszczać, że ten SNP nie miał wpływu na dostosowanieorganizmu. Jeśli jednak jedna z populacji (np. wschodnio azjatycka) poddana została prescji selekcyjnej a rs3827760 przyczynił się do powstania adaptacji do tego czynnika selekcyjnego, sekwencje DNA otaczające SNP powinny różnić się między populacjami. Aby zrozumieć dlaczego tak jest, spójrzmy na rysunek 2.

Po porównaniu sekwencji wokół rs3827760 jest jasne, że różnorodność wokól wariantu cytozyny w populacjach wschodnio azjatyckich jest dużo mniejsza niż różnorodność wokół wariantu z tyminą, znalezionego w populacjach afrykańskich i europejskich (populacje amerykańskie nie były testowane). Sugeruje to, że pozytywny dobór spowodował rozprzestrzenienie się odmiany zawierającej cytozynę w populacjach wschodnio azjatyckich. Ale czy to naprawdę ten właśnie SNP został wybrany w drodze selekcji? – czy on w ogóle może być odpowiedzialny za zmianę w fenotypie organizmu?

Nie wszystkie zmiany w sekwencji DNA mają wpływ na sekwencję białka: większość SNP-ów skatalogowanych w bazie danych HapMap występuje w niekodujących częściach genomu (np. między genami) albo są synonimiczne – tzn. znajdują się one w kodującym rejonie genomu ale nie powodują zmiany w sekwencji białka (zobacz rysunek 4).

W przypadku rs3827760 mieliśmy jednak szczęście, ponieważ SNP ten umiejscowiony jest w kodującej części genu – przy końcu genu zwanego edar, zaangażowanego w rozwój mieszków włosowych, gruczołów potowych i zębów. Co więcej, zmiana tyminy na cytozynę w sekwencji DNA powoduje zmianę sekwencji białka: Afrykanie i Europejczycy (posiadający wariant SNP-u z tyminą) zawierają w tym białku w pozycji 370 aminokwas walinę, podczas gdy populacje wschodnio azjatyckie i amerykańskie (z nukleotydem cytozynowym) mają w tej pozycji alaninę. Ta część białka EDAR odgrywa rolę w interakcjach z innymi białkami i jej mutacje powodują dysplazje ektodermalne – zaburzenia rozwojowe zębów, włosów i gruczołów potowych – u ludzi oraz myszy (zobacz rysunek 5). Fakt ten sugeruje, że zmiana aminokwasu w pozycji 370 może nie tylko zmienić sekwencję białka ale również jego funkcję, wpływając na funkcję organizmu.

Aby sprawdzić czy zmiana w sekwencji białka rzeczywiście wpływa na jego funkcję musimy przejść do eksperymentów na poziome szlaków biochemicznych, w których białko EDAR bierze udział: serii reakcji chemicznych zaangażowanych w rozwój mieszków włosów, gruczołów potowych i zębów. Gdy szlaki te sprawdzono w laboratorium, w hodowlach komórkowych, wariant tego białka zawierający alaninę (występujący w populacjach we wschodniej Azji i Amerykach) bardziej aktywował szlak biochemiczny EDAR w porównaniu z wersją białka zawierającą walinę (występującą u populacji afrykańskiej i europejskiej). Wynik ten zgodny jest z danymi dotyczącymi sktruktury włosów, które wykazały, że ludzie z alaninowym wariantem białka EDAR mają grubsze włosy w porównaniu z ludzmi posiadającymi wariant walinowy. By jednak uzyskać bardziej bezpośredni dowód tej współzależności, myszy laboratoryjne zostały genetycznie zmodifikowane w celu zwiększenia poziomu aktywności zależnego od EDAR szlaku biochemicznego. Myszy te miały wyraźnie gęstsze futro i grubsze włosy, jak również m.in. większe gruczoły ślinowe w porównaniu z myszami z nie zmienionym poziomem aktywości tego szlaku (Chunyan et al., 2008; Chang et al., 2009).

Podsumowując, wyniki te sugerują, że dwa allele genu edar (tymina albo cytozyna) mogą wpływać na strukturę i funkcję białka EDAR oraz mogą prowadzić do wystąpienia różnic w wyglądzie i funkcji organizmów myszy i ludzi: różnic w grubości włosów oraz wielkości gruczołów wydzielniczych.

Różnice w sekwencjach DNA, które dziś obserwujemy są jednak jedynie historycznym zapisem eksperymentów, jakie zaszły w przyrodzie. Teraz możemy tylko spekulować na temat presji selekcyjnej, jakiej populacje azjatyckie i amerykańskie zostały poddane i która spowodowała rozprzestrzenienie się cytozynowego allelu. Połączenie badań genetycznych, doświadczeń laboratoryjnych i analizy fenotypów zwierząt modelowych i populacji ludzi i dzikich zwierząt pozwala nam przetestować hipotezy na temat funkcji różnic genetycznych występujących pomiędzy populacjami czy gatunkami. Dzięki takiemu podejściu, możemy starać się odkryć molekularne podstawy adaptacji oraz zrozumieć, w jaki sposób organizmy przystosowują się do ciągle zmieniającego się środowiska.