Paleogenètica: En l’actualitat hi ha una sola espècie humana, Homo sapiens. Però en el passat han coexistit diferents grups d’hominins. Ara bé, entre aquests grups d’hominis, considerats espècies diferenciades, hi podia haver un flux gènic. La caracterització de l’home de Neandertal com una espècie separada, H. neanderthalensis s’interpretà originalment com una barrera per al flux gènic amb els ancestres dels humans moderns. Però els estudis genòmics fa dècades que han identificat en el genoma humà modern seqüències explicables per la introgressió de material genètic neandertal. Aquesta introgressió ha participat en l’evolució adaptativa dels genomes humans moderns. En sentit contrari, també entrà en el genoma dels Neandertals material genètic dels primers humans moderns. Li Liming, Troy J. Comi, Rob F. Bierman i Joshua M. Akey publiquen un article a la revista Science on proven de reconstruir la dinàmica d’aquests bescanvis genètics al llarg de 200.000 anys. Se centren en seqüències d’humans moderns introduïdes en el genoma de Neandertals, i en com aquestes haurien afavorit un augment local d’heterozigositat en la població neandertal. Per fer-ho aplicaren primer el mètode IBDmix en la identificació de seqüències neandertals en 2000 genomes humans moderns que fan part del 1000 Genomes Project. En el cas de genomes humans moderns africans, les seqüències neandertals coincideixen amb aquelles que en el genoma neandertal mostren una elevada heterozigositat. En genomes humans moderns no-africans no s’observa aquesta coincidència. La discrepància s’explicaria a través d’un flux genètic d’humans moderns a neandertals. Així el genoma neandertal de Vindija tindria una aportació d’humans moderns del 2,5% (53,9 Mb) i el genoma neandertal d’Altai una del 3,7% (80,0 Mb). Li et al. mostren que fins ara s’havia sobreestimat la mida de les poblacions neandertals. Alhora distingeixen dues èpoques diferents en l’entrada de material genètic d’humans moderns en les poblacions neandertals. La població neandertal en la fase final es trobava en una tendència de minvament que culminà en la seva absorció dins del pool genètic humà modern.
Li et al. han estudiat el flux gènic entre neandertals i humans moderns durant els darrers 200.000 anys. Això els ha permès estimar la població relativa de neandertals respecte de la dels humans moderns. Alhora han identificat dos polsos de flux genètic d’humans moderns a neandertals.
L’ADN antic
Aquesta recerca fou concebuda pel professor Joshua M. Akey i per l’investigador associat Liming Li. La metodologia fou dissenyada per Akey i Li. La recerca fou duta a terme per Akey, per Li, pel químic Troy J. Comi i pel bioinformàtic Rob F. Bierman. Els gràfics foren elaborats per Akey i Li.
Els autors agraeixen a membres del laboratori d’Akey per l’assistència, i en especial ho fan per a S. Moon, A. B. Wolf, K. Zhang, D. Tagore, and H. Xu. Agraeixen a F. Mafessoni (MPI d’Antropologia Evolutiva) i K. Prüfer (MPI de Ciència de la Història Humana) per orientacions en història demogràfica. Agraeixen a B. Vernot (MPI d’Antropologia Evolutiva) per dades dels genomes neandertals d’Altai i de Vindija. La tasca computacional d’aquest estudi es va fer a la Princeton University.
La recerca es finança amb un ajut dels National Institutes of Health a Akey, qui administra el projecte, i el supervisà.
La tecnologia d’ADN antic no tan sols ha permès conèixer millor l’home de Neandertal, sinó que també ha permès definir grups humans arcaics prèviament desconeguts, com l’home de Denisova. La distintivitat de grups humans no suposà una barrera absoluta al flux gènic. Així doncs, estudis d’ADN antic han constatat l’existència de barreja entre els homes moderns (Homo sapiens), neandertals i denisovans.
Hom disposa essencialment de la seqüència genòmica completa amb alta cobertura de tres individus neandertals i d’un individu denisovà. Els tres individus neandertals són identificats pels indrets on es trobaren les restes: la cova de Vindija (Croàcia), la cova de Chagyrskaya (Muntanyes Altai) i Altai (Denisova 5). L’individu denisovà és Denisova 3. És significatiu que a la cova de Denisova hom hagi trobat alhora denisovans (com Denisova 3) i neandertals (com Denisova 5).
Amb aquests quatre genomes antics i amb milers de genomes complets d’humans actuals hom ha pogut descriure la xarxa d’interaccions genètiques, incloent-hi el flux gènic entre humans moderns i neandertals, entre humans moderns i dues poblacions diferenciades de denisovans, i entre neandertals i denisovans. A Denisova hom ha arribat a trobar un individu que seria fill de mare neandertal i pare denisovà.
En humans moderns la presència de seqüències genòmiques derivades de neandertal és variable. Entre les poblacions humanes modernes d’Àfrica aquest percentatge se situa en un 2%. Pel que fa a les seqüències genòmiques derivades de denisovans, les poblacions modernes d’ascendència melanèsia i aborigen australià tenen un 2-5%, situant-se el valor més elevat en certs grups filipins.
Hom ha catalogat seqüències introgressades de neandertals i denisovans, i s’han estudiat el que impliquen funcionalment, fenotípicament i evolutivament. Les introgressions neandertals en humans moderns han estat objecte d’una selecció purificadora i positiva.
Pel que fa a la introgressió del genoma humà modern en neandertals hom ha trobat indicis d’un flux gènic força antic, anterior a la dispersió fora d’Àfrica dels humans moderns de fa 60.000 anys. Aquest primer flux gènic s’hauria produït fa 250.000-200.000 anys.
Fa 60.000-50.000 anys trobem un flux gènic des dels neandertals als humans moderns.
Com que tant Vindija com el neandertal d’Altai mostren indicis d’introgressió de seqüències d’humans moderns, cal pensar que aquest flux gènic és anterior a la divergència de Vindija i Altai.
La introgressió humana moderna en el genoma de neandertals
Li et al. recorden que la mida poblacional efectiva dels neandertals era molt limitada. També remarquen que la introgressió neandertal en genomes humans moderns d’Àfrica pot reflectir la introgressió humana moderna en neandertals.
Com que la mida poblacional dels neandertals era inferior a la mida poblacional dels humans moderns de la mateixa època, una introgressió dels segons cap als primers hauria de resultar en un augment local del nivell d’heterozigositat. Li et al. prediuen que hi hauria una superposició entre les regions d’alta heterozigositat del genoma de neandertals i les seqüències d’introgressió neandertal en humans moderns africans: aquesta superposició no seria tan evident en el cas dels humans moderns no-africans.
Heterozigositat en neandertals i introgressió en humans moderns
Li et al. apliquen la metodologia IBDmix al genomes de 2000 individus actuals del 1000 Genomes Project. IBDmix és capaç de detectar seqüències d’introgressió en un genoma problema comparant-lo amb un genoma arcaic de referència. Per evitar falsos negatius cal establir una mida mínima dels segments a estudiar (expressada en unitats de distància genètica). Li et al. apliquen un llindar mínim de 0,05 centimorgans.
Amb aquest llindar, i emprant diferents genomes arcaics troben:
- emprant com a genoma de referència el neandertal de Vindija troben 92,4 gigabases d’introgressió en tots els 2000 individus moderns.
- emprant com a genoma de referència el neandertal d’Altai troben 85,5 Gb d’introgressió en tots els 2000 individus moderns.
- emprant com a genoma de referència el neandertal de Chagyrskaya troben 84,3 Gb d’introgressió en tots els 2000 individus moderns.
Quan hom es fixa en els individus africans d’aquests 2000 genomes moderns, la introgressió neandertal se superposa significativament amb regions d’alta heterozigositat del genoma neandertal. Així, per exemple, el 60% de les seqüències que ocupen el primer vigintil d’heterozigositat del genoma del neandertal d’Altai són seqüències d’introgressió neandertal en humans moderns africans; aquest mateix percentatge baixa al 23% si hom es fixa en la introgressió neandertal en humans moderns no-africans. Un patró semblant s’observa en els genomes neandertals de Vindija i Chagyrskaya.
L’heterozigositat neandertal de regions que se superposen a seqüències d’introgressió en africans moderns és 8,6 vegades superior a les que se superposen a seqüències d’introgressió en no-africans moderns.
L’heterozigositat denisovana de regions que se superposen a seqüències d’introgressió en africans moderns és només un 30% superior a les que se superposen a seqüències d’introgressió en no-africans moderns.
Altres estudis previs han mostrat una superposició entre les regions del genoma neandertal d’Altai amb alta heterozigositat amb les regions que tenen alta heterozigositat en humans moderns. Tot plegat indica que les regions d’alta heterozigositat del genoma neandertal s’associen amb regions d’introgressió moderna.
Els components del flux gènic
Les seqüències d’introgressió neandertal en genomes moderns són el resultat bé del flux gènic sapiens → neandertal o del flux gènic invers neandertal → sapiens. Per diferenciar-los, Li et al. opten per comparar la introgressió en africans moderns amb la introgressió en europeus moderns.
Li et al. han simulat 15 Mb de seqüència de 503 europeus moderns, 108 africans moderns i 3 neandertals. Contemplen dues situacions extremes:
- 1, que tota la introgressió neandertal en humans moderns africans s’explica pel flux gènic sapiens → neandertal.
- 2, que tota la introgressió neandertal en humans moderns africans s’explica pel flux gènic neandertal → sapiens extraafricans, seguit d’un flux gènic sapiens extrafricans → sapiens africans.
Les dades afavoreixen la primera opció en detriment de la segona
El nivell d’introgressió sapiens en genoma neandertal
Li et al. estimen que el genoma neandertal de Vindija contenia 53,9 Mb de seqüència d’introgressió sapiens. La xifra és encara superior en el genoma neandertal d’Altai: 80,0 Mb. Això es tradueix, respectivament, en una introgressió del 2,5% i del 3,7%. Dit d’una altra manera, la introgressió sapiens en el genoma neandertal fou superior a la introgressió neandertal en el genoma dels humans moderns.
La introgressió sapiens en el genoma neandertal s’associa amb funcions biològiques com l’activitat de transport transmembrana d’ions metàl·lics o la via de senyalització del receptor glutamat. Aquestes funcions corresponen a gens que influeixen en la biologia del sistema nerviós central i en la captació i metabolisme de neurotransmissors: CACNG2, GRIA1, SLC6A11, GRIN2B, GRIK2 i GRM7.
La introgressió neandertal en humans moderns
Li et al., aplicant l’IBDmix sobre els 2000 genomes moderns esmentats amb el genoma neandertal Vindija com a referència troben les següents xifres d’introgressió neandertals:
- 62,3 Mb en asiàtics orientals.
- 60,1 Mb en sud-asiàtics.
- 55,8 Mb en europeus.
En més d’un 90% aquesta introgressió s’atribuiria a un flux gènic neandertal → sapiens.
Les xifres d’introgressió neandertal en genomes humans moderns africans aniria de 1,8 Mb a 2,9 Mb.
L’estimació de la mida poblacional efectiva dels neandertals
Si hom contempla exclusivament una introgressió pel flux gènic neandertal → sapiens, la mida de població efectiva a llarg termini del neandertals d’Altai seria de 3369 (amb un interval de confiança d’entre 3036 i 3520), la del neandertal de Chagyrskaya seria de 2964 (2765-3148) i la del neandertal de Vindija de 3408 (3209-3554).
Però quan Li et l. retiren de l’anàlisi les seqüències d’introgressió sapiens d’aquests genomens de neandertals, la mida de població efectiva davalla força: per Altai queda en 2484 (2223-2639), per Chagyrskaya en 2379 (2181-2569) i per Vindija en 2807 (2622-2959).
Quan hom fa la mateixa operació per als denisovans, l’estimació de la mida de població efectiva es manté tant si es considera la introgressió moderna (3824) com si no (3899).
El llinatge de neandertals d’Altai mostra una mida poblacional inferior a la dels llinatges de neandertals d’Europa. Però en tot car Li et al. remarquen que la mida poblacionals dels neandertals és menor i més variable que no pas s’havia estimat prèviament. Una mida poblacional més petita magnifica els efectes de la deriva gènica, com ara l’acumulació de mutacions deletèries.
Dos polsos diferents del flux genètic neandertal → sapiens
Li et al. estimen que hi hagué en un període ben primerenc un flux genètic sapiens → neandertal. Si aquest flux tingué lloc fa 250.000 anys hauria tingut una magnitud del 10% sobre el genoma neandertal. Si hagués estat fa 200.000 anys, la magnitud hauria estat inferior (d’un 5%).
L’antiguitat del genoma neandertal d’Altai és de 120.000 anys. La del neandertal de Chagyrskaya és de 80.000 anys. I la del neandertal de Vindija és de 52.000 anys. Els dos darrers genomes van rebre una aportació addicional de flux gènic procedent de sapiens. Aquest segon pols s’hauria produït fa 100.000 anys i tindria una magnitud del 0,5%.
Una història complexa
Fa 250.000-200.000 anys hauria començat doncs un episodi de flux gènic entre els ancestres dels humans moderns i els neandertals, en un sentit essencialment sapiens → neandertal. Aquest episodi es relacionaria amb una primera dispersió de poblacions sapiens fora de l’Àfrica on s’havien originat. Els primers humans anatòmicament moderns haurien aparegut a Àfrica fa 300.000 anys. El fòssil Apidima 1 mostra la presència d’humans moderns a la Grècia de fa 210.000 anys.
Fa 120.000-100.000 anys hauria tingut lloc un segon episodi de flux gènic sapiens → neandertal. Aquest flux gènic es relacionaria amb la formació del pont de terra emergida Nil-Sinaí, que es mantingué en el període de fa 130.000 a 96.000 anys. Es manifesta en el registre fòssil en la presència d’humans moderns a Orient Mitjà i a la Península Aràbiga.
De tota manera, l’onada més rellevant en la conformació de les poblacions humanes modernes d’Euràsia es produeix fa 60.000-50.000 anys.
Li et al. constaten que el flux gènic sapiens → neandertal més abundant (5-10%) és el de fa 250.000-200.000 anys. En el període de fa 120.000-100.000 anys el flux gènic sapiens → neandertal és del 0,5%. I, ja en el període final dels neandertals, fa 47.000-39.000 anys, el flux gènic sapiens → neandertal és pràcticament zero.
En canvi, el flux gènic neandertal → sapiens creix especialment fa 60.000-50.000 anys. Es manté encara un nivell elevat d’aquest flux fa 45.000-39.000 anys.
La raó de la unidireccionalitat d’aquests flux s’explicaria per un decreixement de la mida de la població efectiva dels neandertals. A partir d’un moment aquesta mida feia impossible que els neandertals absorbissin les poblacions humanes modernes, com sí havien fet en les onades de fa 200.000 i fa 100.000 anys. Llavors el flux neandertal → sapiens reflectia de fet l’extinció dels primer, en ésser assimilats per les poblacions humanes modernes a mesura que aquestes es dispersaven per tot Euràsia.
Signes d’aquesta assimilació dels neandertals es manifestaren en el llinatge masculí que representa el cromosoma Y (amb l’extinció dels haplotips neandertals) i en el llinatge femení que representa l’ADN mitocondrial (amb l’extinció dels haplotips neandertals).
Lligams:
- Recurrent gene flow between Neanderthals and modern humans over the past 200,000 years. Liming Li, Troy J. Comi, Rob F. Bierman, Joshua M. Akey. Science (2024)
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada