Analýza mtDNA - pro a proti 1) Názory proti výsledkům analýzy mtDNA 2) Názory proti modelu Out of Africa např. studium mtDNA Afroameričanů • přesnost datování je ovlivněna rovnoměrným zastoupením sňatků žen Američanek s muži Afričany a sňatků žen Afričanek s Američany • pak je i rovnoměrně zastoupená mtDNA obou původních skupin – můžeme sledovat nejen dávný původ mtDNA v Africe, ale také modernější původ těchto prokřížených populací v Africe a Evropě – lze tak vystopovat jejich původ Problém č. 1 Analýza mtDNA u nepůvodních obyvatel (osídlenců po migraci) • nemusí mít vliv – např. populace Siddi v Indii, kde je velikost příspěvku populací mluvících Bantuzským jazykem stejně velká jak v jaderném genomu, tak i v mtDNA a chromozomu Y (důsledek jen dvě století probíhající migrace) • může mít vliv – např. jihoasijské populace Santhal a Munda mluvící austroasijskými jazyky • jihovýchodoasijský původ vykazují pouze v sekvencích chromozomu Y • mt linie vykazují větší podobnost se sousedními indickými populacemi Problém č. 1 Analýza mtDNA u nepůvodních obyvatel (osídlenců po migraci) Poměr příspěvku mužů a žen při osidlování oblastí: Zajímavost – ani s chromozomem X to není lehké • u současných Afroameričanů je v případě chromozomu X větší příspěvek afrického původu, než bychom očekávali (1/3 od mužů + 2/3 od žen) pravděpodobně důsledek asymetrických sexuálních kontaktů: • četnějších mezi americkými otrokáři a africkými otrokyněmi = větší příspěvek ženského X • převaha mužů mezi otroky = příspěvek mužského X je větší než 1/3 Goldberg a Rosenberg, 2015 Přesnost datování – odhad mutační rychlosti Problém č. 2 • první studie z roku 1987, Cann et al. • kalibrace pomocí archeologických dat • četnost mutací 2 - 4 % za milion let • stáří Evy 285 000 - 143 000 let, průměr je 214 000 let • Linda Vigilant et al., 1991 – • zkoumali nukleotidovou sekvenci v kontrolním regionu mtDNA o délce 1 122 pb • získali velmi podobný strom jako Cann et al. • použili i šimpanzí mtDNA („outgroup“) • odhadnutá mutační rychlost od současného člověka ke společnému předku byla 2,87 % odlišností (v předchozí výpočty 2 až 4 %) • stáří společného předka moderního člověka mezi 166 000 (předek se šimpanzem žil před 4 miliony let) až 249 000 lety (předek před 6 miliony let) • s průměrem kolem 208 000 let (x Cann et al. s průměrem kolem 214 000 let) odhad Problém č. 2 • výsledky získané Lindou Vigilantovou s kol. byly tedy téměř shodné a systém datování i výsledky těchto analýz začaly být uznávány za platné • současně je zřejmé, že analýzy mtDNA podporují hypotézu o africkém původu moderního člověka, multiregionální model předpokládá předchůdce mnohem staršího (chyba není v datování) • Ingman et al., 2000 • studovali nejenom sekvence kontrolní oblasti (tvoří méně než 7 % mtDNA) • do studií zařadili i kódující oblast mtDNA • a pro potvrzení výsledků nově také jaderný genom v podobě části chromozomu X (oblast Xq13.3) Přesnost datování – odhad mutační rychlosti Přesnost datování – odhad mutační rychlosti Problém č. 2 • první studie z roku 1987, Cann et al. • kalibrace pomocí archeologických dat • četnost mutací 2 - 4 % za milion let • stáří Evy 285 000 - 143 000 let, průměr je 214 000 let • Linda Vigilant et al., 1991 – • zkoumali nukleotidovou sekvenci v kontrolním regionu mtDNA o délce 1 122 pb • získali velmi podobný strom jako Cann et al. • použili i šimpanzí mtDNA („outgroup“) • odhadnutá mutační rychlost od současného člověka ke společnému předku byla 2,87 % odlišností (v předchozí výpočty 2 až 4 %) • stáří společného předka moderního člověka mezi 166 000 (předek se šimpanzem žil před 4 miliony let) až 249 000 lety (předek před 6 miliony let) • s průměrem kolem 208 000 let (x Cann et al. s průměrem kolem 214 000 let) odhad Problém č. 2 • výsledky získané Lindou Vigilantovou s kol. byly tedy téměř shodné a systém datování i výsledky těchto analýz začaly být uznávány za platné • současně je zřejmé, že analýzy mtDNA podporují hypotézu o africkém původu moderního člověka, multiregionální model předpokládá předchůdce mnohem staršího (chyba není v datování) • Ingman et al., 2000 • studovali nejenom sekvence kontrolní oblasti (tvoří méně než 7 % mtDNA) • do studií zařadili i kódující oblast mtDNA • a pro potvrzení výsledků nově také jaderný genom v podobě části chromozomu X (oblast Xq13.3) Přesnost datování – odhad mutační rychlosti Ingman a kol. 2000 (Nature) • na obrázku jsou výsledky analýzy pouze kódující části mtDNA • potvrzeny předchozí závěry o africkém původu MRCA Závěr 1 – o původu • MRCA před 221 500 až 121 500 let, průměr 171 500 let (odchylka je dána výrazně odlišnou mutační rychlostí u kontrolní a kódující oblasti) • analýza sekvence chromozomu X (Xq13.3) – 479 000 / 3* = 159 666 vs. 171 500 u mtDNA • potvrzuje výsledky získané u mtDNA Závěr 2 – datování Závěr 3 – chromozom X * u chromozomu X musíme počítat s 3x větší efektivní velikostí populace Při analýzách však bereme v úvahu všechny typy mutací, a to nejen substituce, ale také inzerce, delece, amplifikace = bereme v úvahu veškerý mutační tlak – dříve prezentované výsledky jsou tedy reprezentativnější = námitku lze zamítnout • existuje například rozdíl v četnosti tranzicí (purin za purin, pyrimidin za pyrimidin) a transverzí (purin za pyrimidin a naopak) • četnost tranzicí je mnohem vyšší než je četnost transverzí = četnost transverzí je pro časování vhodnější (rychlost transverzí je v průměru 3,32) • použitím mutační rychlosti transverzí lze dospět k závěru, že mtEva žila před 436 000 až 806 000 lety (zahrneme-li do odhadu 95% interval spolehlivosti, pak je rozmezí mezi 336 000 až 889 000 lety) Eva tak mohla žít mnohem dříve, což by mohlo být v částečném souladu s multiregionálním modelem. (Christopher Wills, 1995) Problém č. 2 Přesnost datování – variabilita mutační rychlostivariabilita Problém č. 2 Přesnost datování – kalibrace molekulárních hodin • původní metoda kalibrace podle fosilních nálezů • 1 mutace na 1,0 miliardu bází za rok (kalibrace podle fosilií orangutana) Nové metody: • na základě celogenomového mapování u novorozených dětí (např. islandská studie – novorozenec má kolem 36 spontánních mutací, které nezdědil po rodičích) • 1 mutace na 2,0 miliardy bází za rok (o polovinu pomalejší rychlost) • rychlost mutací u mikrosatelitů • 1 mutace na 1,2 miliardy až 1 mutace na 2,0 miliardy bází za rok • rychlost mutací studiem rodokmenů • 1,24 mutace na 1 milion bází za rok (3x rychlejší) Poznámka: • kalibraci je potřeba provádět podle typu zvolených analýz a markerů • mutační rychlost stanovená v krátkém časovém úseku (např. z rodokmenů) nemusí odpovídat té dlouhodobé (vliv purifikujícího výběru apod.) kalibrace Analýza mtDNA - pro a proti 1) Názory proti výsledkům analýzy mtDNA 2) Názory proti modelu Out of Africa Názory proti modelu Out of Africa • přestože řada prací i z nedávné doby dále potvrzuje získané výsledky, zmíníme si i názory proti africkému původu člověka vycházející z mtDNA Otázka interpretace genetických stromů (Alan Templeton, 1993, 1997, 1998) • získané genetické stromy nemusí odpovídat populačním stromům • avšak řada studií až do současnosti ukazuje na vysokou korelaci mezi genetickými a populačními údaji = námitku lze zamítnout • rozdělení mtDNA na africkou a neafrickou nemusí odrážet reálné rozdělení populací (neboli geografická asociace tohoto rozdělení nemusí představovat ono následné nahrazení expandující africkou populací) 1) Výsledky mtDNA vůbec nemusí svědčit o africkém původu moderního člověka B) dle Templetona neexistuje důkaz o expanzi africké populace mimo Afriku • africké stopy přítomné ve všech populacích jsou spíše důsledkem stálého genového toku mezi geograficky blízkými oblastmi v uplynulých několika stech tisících letech (africké znaky se tak do těchto populací rozšířily) Templeton 1997, Current Opinion in Genetics & Development • jsou-li populace příliš vzdálené, neprobíhá genový tok a výsledek vypadá jako při nahrazení jedněch populací jinými A) odlišnost afrických populací od ostatních nemusí být důsledkem nahrazení, ale příčinou může být omezený genový tok v důsledku prostorové izolace Názory proti modelu Out of Africa • Templeton (2002) dále uvádí, že jeho nové analýzy genetických stromů (kombinuje až 10 různých znaků) ukazují na několik migrací z Afriky s neustálým genovým tokem • první expanze proběhla před 1,7 miliony let – Homo erectus • druhá vlna před 800 až 400 000 lety a) expanze Homo heidelbergensis (předek Neandrtálce) nebo b) možná migrace jiného předka Neandrtálce a moderního člověka • třetí vlna před asi 150 000 lety Názory proti modelu Out of Africa Templetonovy výsledky svědčící o opakovaném genovém toku (expanze z Afriky a následné křížení) v průběhu posledních 2 milionů let: • podporují africké genetické kořeny = moderní člověk se mohl rozšířit z Afriky, avšak nejen odtud = Eva mohla žít kdekoliv • do jisté míry podporuje multiregionální model – opakované migrace s genovým tokem vedou ke stejnému výsledku, tedy africkému původu, přestože je původ ve skutečnosti multiregionální • plně však nepodporuje ani jeden ze dvou modelů • uznáván jako další model „Out of Africa again and again“ Názory proti modelu Out of Africa 2) Vliv velikosti populace (genetického driftu) na přesnost výpočtů: • Př.: sledujeme 4 mtDNA sekvence A, B, C a D, vzájemné genealogické sekvenční vazby mezi nimi jsou vyjádřeny jako CA1, CA2 a CA3 označují společné předky, místo koalescence (splynutí) • většinou nás zajímá tzv. nejbližší společný předek (MRCA, Most Recent Common Ancestor), což je v našem případě CA3 • množství rozdílů odráží rychlost splývání = = odhad stáří MRCA • rychlost s jakou jednotlivé linie splývají je však ovlivněna také velikostí populace = splývání je rychlejší v menších populacích (jedinci jsou si tam podobnější než v populacích větších) Názory proti modelu Out of Africa Přepočet údajů o době objevení se Evy z původních dat kolektivu Cannové et al., (při 2% mutační rychlosti) • zjištěná průměrná hodnota 290 000 let byla podobná odhadu Cann et al. • avšak po započítání vlivu genového posunu (velikosti populace) = dostáváme interval 152 000 až 473 000 let (oproti původnímu 143 000 až 285 000, rozsah 142 000 let) = dost velký rozsah (300 000 let) – je typický pro tento přístup, protože na variabilitu má právě významný vliv působící genový posun • přepočet údajů Vigilantové et al. 102 000 až 256 000 (4 miliony let od oddělení šimpanze) 153 000 až 389 000 (pro 6 milionů let) = tj. 225 000 let (oproti původnímu 166 000 až 249 000) 2) Vliv velikosti populace (genetického driftu) na přesnost výpočtů: Názory proti modelu Out of Africa 2) Vliv velikosti populace (genetického driftu) na přesnost výpočtů: • vliv genového posunu je nezanedbatelný na přesnost výpočtu • avšak údaje jsou velmi daleko od afrického předka starého 2 miliony let I po korekcích na velikost populace zůstává podpora modelu nahrazení. Poznámka: • vezmeme-li v úvahu i Templetonův model „Out Africa again and again“ • pak je po přepočtech výrazná podpora pro něj (druhá migrační vlna před 400 000 až 800 000 lety; ??Homo heidelbergensis??) Názory proti modelu Out of Africa 3) Vliv přírodního výběru • pokud vycházíme z fenotypové variability, pak je nutné si uvědomit do jaké míry je podobnost mezi dvěma populacemi odrazem společného předka (původu) a do jaké míry je výsledkem konvergence v důsledku přírodního výběru • budeme-li uvažovat o mutacích v mtDNA jako o evolučně neutrálních, pak lze vliv přírodního výběru zanedbat • v opačném případě: • museli bychom vědět, jak velká část rozmanitosti žijících populací byla smazána působením přírodního výběru v neprospěch „škodlivých mutací“ • jinak by byly naše údaje podhodnoceny a společný předek by tak žil mnohem dříve než se nyní domníváme Názory proti modelu Out of Africa 4) Spolehlivost maternální dědičnosti mtDNA: • některé studie naznačují, že mtDNA může být významnou měrou přenášena také od mužů a může zde probíhat také rekombinace (Shitara et al., 1998; Awadalla et al., 1999) • pokud by to tak bylo, pak získané výsledky jsou velmi vratké avšak: • ad.: Shitara et al. - testováno na mezidruhových hybridech myší - mtDNA nebyla ve všech tkáních - v další generaci už pouze samičí mtDNA = pravděpodobně jen důsledek mezidruhového křížení • ad.: Awadalla et al. - později se objevuje několik článků, které závěry Awadalla et al. zpochybnily - chyby v datech, metodách analýzy a interpretační zmatky = dědičnost mtDNA však asi bude ještě potřeba spolehlivě prověřit Názory proti modelu Out of Africa