Contexto: origen africano de los homínidos. 1. El registro molecular de la evolución humana. Contexto: posición filogenética. Visión pre-molecular

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1 Curso de Evolución 2014 Facultad de Ciencias Montevideo, Uruguay Contexto: origen africano de los homínidos 1. El registro molecular de la evolución humana. 1 2 Contexto: posición filogenética Visión pre-molecular MA R humanos orangután chimpancé gorila chimpance Ramapithecus humano 3 4

2 Contexto: posición filogenética Contexto: divergencia entre humanos y chimpancés Visión pre-molecular MA R Visión de Sarich y Wilson humanos orangután chimpancé gorila orangután 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 ADN (96-98%). R 4-6 MA gorila humano Pääbo y cols (2001) diferencias en patrones de expresión génica en particular en sist. nervioso evidenciada con microarreglos y estimaciones de ARNm chimpancé 5 6 Algunas diferencias entre chimpancés y humanos Divergencia genética entre humanos y parientes cercanos: Fox2P Cambios sinónimos y no sinónimos Selección positiva? Exceso de alelos de baja frecuencia (D = -2.20) Alelos derivados en alta frecuencia. Posible evento de sel. positiva por encima de efecto de expansión demográfica Carroll (2003) Nature 422, relación dn/ds aumenta significativamente en linaje humano (P<0.001) 7 8 Enard et al. (2002) Nature 418,

3 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.): Olfacción Metabolismo aminoacídico Genes del desarrollo Audición y vocalización Patrones de expresión diferenciales en cortex cerebral unos 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) Clark et al. (2003) Science 302, Aumentos de expresión Reducción de expresión Cáceres et al. (2003) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, Teorías sobre el origen de la especie humana Una cuestión que ha suscitado profundos debates desde hace varios años, es si Homo sapiens se originó en un sólo lugar, o si por el contrario surgió en forma independiente en varias localidades. Hasta el momento, los hallazgos fósiles han permitido evidenciar que Homo erectus, habiéndose originado en Africa, habría alcanzado una 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 por todos los continentes. La evidencia anterior, tiene varias posibles interpretaciones, dos de las cuales se han convertido en las principales teorías sobre cómo y dónde surgieron los humanos modernos: la teoría del origen africano y la teoría multirregional. 11 El origen geográfico del hombre moderno (Homo sapiens): 2 teorías principales: La Teoría Multirregional (Wolpoff et al. 1984) 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 12

4 Las dos teorías se pueden representar esquemáticamente de la siguiente forma: presente tiempo Modelo multirregional Europa Africa Asia Homo sapiens Homo erectus Modelo del origen africano reciente Europa Africa Asia años años Neandertal? la teoría del origen Africano postula los siguientes eventos: 1 Africa fue el único escenario de la evolución humana, durante los primeros 3 ó 4 millones de años de existencia de los homínidos. La primera especie en abandonar Africa fue Homo erectus, la cual llegó a tener una distribución que alcanzó al este de Asia, norte y este de Africa y posiblemente Europa. Esta migración ocurrió hace más de 1.5 millones de años. La teoría multirregional concuerda en este punto. pasado El modelo multirregional propone que Homo sapiens tuvo múltiples orígenes fuera de Africa, lo que implica que los humanos modernos evolucionaron independientemente, en distintas localidades, a partir de las distintas poblaciones de Homo erectus. La teoría del origen africano reciente supone que Homo sapiens se originó en Africa. Luego migró a otros continentes donde desplazó a poblaciones de Homo erectus que previamente también habrían migrado desde Africa a parte de Europa y Asia Homo sapiens, también se habría originado en Africa. Desde allí, se habría dispersado, hace unos 150 mil años, desplazando a las viejas poblaciones de Homo erectus, que terminarían extinguiéndose. Luego, sucesivas migraciones le habrían llevado a tener una distribución mundial como en la actualidad, dando muestras de su habilidad para colonizar nuevos hábitats. La misma habría sido desencadenada por el desarrollo cultural. 14 presente 0 H. neanderthalensis H. sapiens Homo Evidencias arqueológicas 0,5 tiempo en millones de años 1 1,5 2 2,5 H. erectus H. rudolfensis H. habilis H. ergaster H. heidelbergensis África 40 KYA 47 KYA 39 KYA 50 KYA 15 16

5 La diversidad genética humana es baja (con respecto a otras especies) 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 mitocondrial con amplios márgenes de incertidumbre significado de estimaciones lejos de ser evidente 19 (Fst) El árbol de las poblaciones del mundo basado en la similitud genética de 120 marcadores clásicos de un grupo de 42 poblaciones aborígenes de todo el mundo, separa a los humanos en 9 grupos. Muestra que existe mayor diferencia entre las poblaciones africanas y el resto que entre dos poblaciones no africanas cualquiera. Lo anterior es consistente con la hipótesis de que la especie humana moderna (Homo sapiens) se originó en Africa y desde allí se propagó al resto del mundo (Cavalli-Sforza y cols., ).

6 Cavalli-Sforza correspondencia general entre árboles lingüísticos y árboles genéticos pero los dos árboles tienen problemas ( incluyendo la idea misma de aplicabilidad del ordenamiento estrictamente jerárquico!) más recientemente (y con otros métodos), Templeton propone DOS oleadas migratorias de Homo sapiens Cromosoma Y: más datos en favor del origen africano A B C D E F* G H I J K* L M N O P* Q R desde Africa (1.5 MA, 700KY, 100KY) KYA (50-130) KYA, Hammer and Zegura 59 (40-140) KYA, Thomson et al. 69 (56-81) KYA, Hammer and Zegura 40 (35-89) KYA, Thomson et al. Y chromosome Haplotipos del cromosoma Y A B C D E F* G H I J K* L M N O P* Q R A B C D E F* G H I J K* L M N O P* Q R Jobling & Tyler-Smith (2003) ature Rev. Genet. 4,

7 A B C D E F* G H I J K* L M N O P* Q R A B C D E F* G H I J K* L M N O P* Q R Cambio demográfico Estructura genética fina (> SNPs) Evidencia de expansión Prueba D de Tajima: predominio de valores negativos 938 inds. no relacionados, 51 pobl, > SNP Consistente con hip. de efecto fundador seriales a partir de un origen en África Subsahariana 27 Chimp Li et al

8 Estructura genética fina (> SNPs, 3000 inds.) MC1R: un gen muy estructurado ( selección diversificadora?) alelos ancestrales alelos derivados Novembre et al Fst = 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 Genes del hombre de Neandertal chimpancé neandertal humanos modernos Apoya una de las dos teorías sobre el origen de la especie humana 31 (entre paréntesis: antigüedad de los fósiles) 32

9 Comparaciones pareadas de ADN mitocondrial 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. Krings et al. (1997) Cell 90, Sustituciones nucleotídicas inferidas de haber ocurrido en los linajes que conducien a los genomas de los Neandertales, los humanos, y los chimpacés. Identificación de cambios en genes codificantes de proteínas que probablemente se han fijado recientemente (barra roja) en humanos luego de su separación con el Neandertal. Estas posiciones deberían ser derivadas en todos los humanos actuales pero ancestrales pero ancestrales en el Neandertal. (B) Distribución de la cobertura del Neandertal para ~ sustituciones aminoacídicas encontradas en el genoma humano en comparación con otros primates. Los mismos sitios fueron secuenciados en 50 humanos actuales. De estos, 88 cumplen con las condiciones expuestas en A. 88? R E Green et al. Science 2010;328: Published by AAAS Published by AAAS H A Burbano et al. Science 2010;328:

10 La evidencia genética proporciona el mayor apoyo a: 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 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 intercambio entre poblaciones Bases de datos: ADN mitocondrial cromosoma Y microsatélites gen del cromosoma X compilación de polimorfismos clásicos (120 loci) SNPs genoma completo 38 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 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) 39