Curso de Evolución 2015Facultad de CienciasMontevideo, Uruguayhttp://evolucion.fcien.edu.uy/http://eva.universidad.edu.uy/
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21. El registro molecular de la evolución humana.
Contexto: origen africano de los homínidos
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humanos
orangutánchimpancégorila
Visión pre-molecularR
15-30MA
Contexto: posición filogenética
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gorila
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chimpance Ramapithecus humano
humanos
orangutánchimpancégorila
Visión pre-molecularR
15-30MA
Contexto: posición filogenética
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gorilaorangután
gorilahumanochimpancé
Visión de Sarich y Wilson
R4-6MA
Contexto: divergencia entre humanos y chimpancés
King y Wilson (1975)• similitud de 99% a nivel aminoacídico en proteínas• estimada por electroforesis de proteínas• ampliamente confirmada por estudios de ADN• sugerencia de diferencias en “genes reguladores”
Estudios más recientes indican valores algo menores a nivel de
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Estudios más recientes indican valores algo menores a nivel de ADN (96-98%).Pääbo y cols (2001)
• diferencias en patrones de expresión génica• en particular en sist. nervioso• evidenciada con microarreglos y estimaciones de ARNm
Algunas diferencias entre chimpancés y humanos
7Carroll (2003) Nature 422, 849-857
Divergencia genética entre humanos y parientes cercanos: Fox2P
• Exceso de alelos de baja frecuencia (D = -2.20)
Cambios sinónimos y no sinónimos ¿Selección positiva?
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frecuencia (D = -2.20)• Alelos derivados en alta
frecuencia.• Posible evento de sel.
positiva por encima de efecto de expansión demográfica
relación dN/dS aumenta significativamente en linaje humano (P<0.001)
Enard et al. (2002) Nature 418, 869-872
Comparaciones genómicas: principales resultados
• 7645 genes (humano, chimpancé, ratón)• Se buscan genes con dN/dS>1• Principales categorías de genes con evidencia de selección positiva (1524 en humanos y 1538 en chimp.):
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selección positiva (1524 en humanos y 1538 en chimp.):– Olfacción – Metabolismo aminoacídico– Genes del desarrollo– Audición y vocalización
Clark et al. (2003) Science 302, 1960-1963
Patrones de expresión diferenciales en cortex cerebral
• unos 10.000 genes comparados en humano, chimpancé y macaco• 169 muestran diferencias de expresión entre humanos y chimpancés• 91 muestran cambios exclusivos en humanos, ~90% evidencian
aumentos en su expresión (hígado y corazón son más similares)
10Aumentos de expresión Reducción de expresión
Cáceres et al. (2003) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 13030-13035
Teorías sobre el origen de la especie humanaTeorías sobre el origen de la especie humanaUna cuestión que ha suscitado profundos debates desde hace varios
años, es si Homo sapiens se originó en un sólo lugar, o si por el contrariosurgió en forma independiente en varias localidades.
Hasta el momento, los hallazgos fósiles han permitido evidenciar queHomo erectus, habiéndose originado en Africa, habría alcanzado unadistribución geográfica más amplia que los homínidos predecesores,
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distribución geográfica más amplia que los homínidos predecesores,llegando hace más de 1.5 millones de años, hasta parte de Europa y Asia.Por otra parte, fósiles de Homo sapiens se han encontrado distribuidos portodos los continentes.
La evidencia anterior, tiene varias posibles interpretaciones, dos de lascuales se han convertido en las principales teorías sobre cómo y dóndesurgieron los humanos modernos: la teoría del origen africano y la teoríamultirregional.
El origen geográfico del hombre moderno (Homo sapiens):
2 teorías principales: La Teoría Multirregional
(Wolpoff et al. 1984) Propuesta por paleontólogos y principalmente
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Propuesta por paleontólogos y principalmente basada en el registro fósil
La Teoría del orígen africano (Cann et al. 1987, Stringer y Andrews 1988) Basada en datos genético-moleculares
y en interpretaciones alternativas del registro fósil Evidencia amplia a su favor
Las dos teorías se pueden representar esquemáticamente de la siguiente forma:
tiempo
ModelomultirregionalEuropa Africa Asia
Modelo del origen africano recienteEuropa Africa Asia
Homo erectus
Homo sapiens
presente
Neandertal?
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Homo erectus
pasadoEl modelo multirregional propone queHomo sapiens tuvo múltiples orígenesfuera de Africa, lo que implica que loshumanos modernos evolucionaronindependientemente, en distintaslocalidades, a partir de las distintaspoblaciones de Homo erectus.
La teoría del origen africano recientesupone que Homo sapiens se originóen Africa. Luego migró a otroscontinentes donde desplazó apoblaciones de Homo erectus quepreviamente también habríanmigrado desde Africa a parte deEuropa y Asia.
la teoría del origen Africano postula los siguientes eventos:1 Africa fue el único escenario de la evoluciónhumana, durante los primeros 3 ó 4 millones deaños de existencia de los homínidos. La primeraespecie en abandonar Africa fue Homoerectus, la cual llegó a tener una distribuciónque alcanzó al este de Asia, norte y este deAfrica y posiblemente Europa. Esta migraciónocurrió hace más de 1.5 millones de años. Lateoría multirregional concuerda en este punto.
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2 Homo sapiens, también se habría originado enAfrica. Desde allí, se habría dispersado, haceunos 150 mil años, desplazando a las viejaspoblaciones de Homo erectus, que terminaríanextinguiéndose. Luego, sucesivas migracionesle habrían llevado a tener una distribuciónmundial como en la actualidad, dando muestrasde su habilidad para colonizar nuevos hábitats.La misma habría sido desencadenada por eldesarrollo cultural.
tiempo e
n millon
es de añ
ospresente
0
1
0,5H. erectus
H. sapiens
H. heidelbergensis
H. neanderthalensisHomoHomo
15
tiempo e
n millon
es de añ
os
1,5
2,5
2 H. habilisH. habilis
H. ergaster
H. rudolfensisÁfrica
Evidencias arqueológicas
47 KYA40 KYA 39 KYA
16
50 KYA
La diversidad genética humana es baja (con respecto a otras especies)
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Problemas• evidencia de apartamiento de neutralidad del ADN mitocondrial• una barrida selectiva puede imitar un patrón de expansión poblacional
• calibraciones de antigüedad de la “Eva
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• calibraciones de antigüedad de la “Eva mitocondrial” con amplios márgenes de incertidumbre• significado de estimaciones lejos de ser “evidente”
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El árbol de las poblaciones del mundo basado en la similitud genética de 120marcadores clásicos de un grupo de 42 poblaciones aborígenes de todo elmundo, separa a los humanos en 9 grupos. Muestra que existe mayordiferencia entre las poblaciones africanas y el resto que entre dospoblaciones no africanas cualquiera. Lo anterior es consistente con lahipótesis de que la especie humana moderna (Homo sapiens) se originó enAfrica y desde allí se propagó al resto del mundo (Cavalli-Sforza y cols.,1994).
(Fst)
Cavalli-Sforza• correspondencia general entre árboles lingüísticos y árboles genéticos
• pero los dos árboles tienen problemas (¡incluyendo la idea misma
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(¡incluyendo la idea misma de aplicabilidad del ordenamiento estrictamente jerárquico!)• más recientemente (y con otros métodos), Templeton propone DOS oleadas migratorias de Homo sapiensdesde Africa (1.5 MA, 700KY, 100KY)
Cromosoma Y: más datos en favor del origen africano
70
9080
KYA
90 (50 - 130) KYA, Hammer and Zegura59 (40 - 140) KYA, Thomson et al.
69 (56 - 81) KYA, Hammer and Zegura40 (35 - 89) KYA, Thomson et al.
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A B C D E F* G H I J K* L M N O P* Q R10203040
6050
0
KYA
Y chromosome
Haplotipos del cromosoma Y
A B C D E F* G H I J K* L M N O P* Q R
23Jobling & Tyler-Smith (2003) Nature Rev. Genet. 4, 598-612
A B C D E F* G H I J K* L M N O P* Q R
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A B C D E F* G H I J K* L M N O P* Q R
25
A B C D E F* G H I J K* L M N O P* Q R
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Cambio demográfico
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• Evidencia de expansión• Prueba D de Tajima: predominio de valores
negativos
Estructura genética fina (> 500.000 SNPs)
28Li et al. 2008Chimp
938 inds. no relacionados, 51 pobl, >650.000 SNPConsistente con hip. de efecto fundador seriales a partir de un origen en África Subsahariana
Estructura genética fina (> 500.000 SNPs, 3000 inds.)
29Novembre et al. 2008
Fst = 0.004
MC1R: un gen muy estructurado(¿selección diversificadora?)
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alelos ancestralesalelos derivados
La mayoría de los eventos de fijación de alelos han ocurrido fuerade África. Los procesos neutrales (deriva, flujo, etc.) tienen un gran efecto sobre el destino y distribución geográfica de los alelos seleccionados Coop et al. 2009.
Genes del hombre de Neandertal
chimpancé
neandertal
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humanosmodernos
Apoya una de las dos teorías sobre el origen de la especie humana
32(entre paréntesis: antigüedad de los fósiles)
Comparaciones pareadas de ADN mitocondrial
33Krings et al. (1997) Cell 90, 19-30
Genoma nuclear de H. neanderthalensis:Similitud muy alta con H. sapiens (99.5% de los sitios en el ADN), en línea con resultados anteriores basados en genomas mitocondriales completos.Las dos especies pueden haber intercambiado genes en una proporción baja (5%), indicando que la mayor similitud se debe a la cercanía del ancestro común a ambas especies.
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ambas especies.
Árboles de genes y árboles de especiesOr Go Hu Ch
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Un árbol de genes topológicamente idéntico al
árbol de especies
Or Go Hu Ch
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Or Go Hu ChOr Go Hu Ch
Parentesco en regiones del cromosoma 1
Ingo Ebersberger et al. Mol Biol Evol 2007;24:2266-2276
Go Hu Ch Ch Hu Go Hu Go Ch
95% del
38
95% del genomahumano
39
40
Árboles de genes e historia demográficatiem
poN N
41
tiempo
Población estable Expansión poblacional
42
Patrones de variación geográfica
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Evidencia a favor de teoría del “origen africano”
Huellas de selección positiva en el linaje que conduce a humanos (genes vinculados al metabolismo, des. cognitivo y del esqueleto).
Mayor semejanza entre Neanderthal y humanos de Eurasia que con que de otras regiones.
Origen africano de H. sapiens y posible hibridación temprana con Neanderthal
Green et al. 2010
La evidencia genética proporciona el mayor apoyo a:Origen de Homo sapiens en África, con posterior dispersión al resto de los continentes (al menos una oleada migratoria)- Reemplazo de las otras especies de homínidos previamente establecidas allí, sin señales de hibridación- Máxima diversidad genética en África- Pero es difícil descartar una teoría multirregional más compleja, con
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- Pero es difícil descartar una teoría multirregional más compleja, con intercambio entre poblaciones
Bases de datos:• ADN mitocondrial• cromosoma Y• microsatélites• gen del cromosoma X• compilación de polimorfismos clásicos (120 loci)• SNPs• genomas completos
Síntesis (y comentarios)• el estudio de la evolución humana ha avanzado en forma sustancial• tanto el registro fósil como la evidencia molecular se han ampliado sustancialmente desde la década de 1960• el acervo genético humano es producto de su historia• el estudio del genoma humano y su diversidad
• representa enormes desafíos y oportunidades
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• representa enormes desafíos y oportunidades• se nutre de los análisis genético-poblacionales en particular y evolutivos en general
• la divergencia de base provee una referencia para estudios de divergencia en genes específicos de interés• los “genes reguladores” de King y Wilson eran una conjetura; ahora son un enorme problema a nuestro alcance (actualmente existe un debate sobre su importancia relativa en base a secuencias genómicas)