Przepływ genów od neandertalczyków i denisowian do ludzi „współczesnych” i odwrotnie

Chociaż paleobiolodzy, którzy uwielbiają identyfikować nowe gatunki, nazywają denisowian i neandertalczyków gatunkami odmiennymi od współczesnych ludzi (tj. odmiennymi od „Homo sapiens”), ja jestem uparty i uważam wszystkie trzy grupy za przedstawicieli tego samego gatunku biologicznego. A to dlatego, że istnieją dowody na przepływ genów pomiędzy wszystkimi tymi grupami: od neandertalczyków i denisowian do współczesnych ludzi, od współczesnych ludzi do neandertalczyków, a także od denisowian do neandertalczyków i odwrotnie. Ponieważ te archaiczne geny utrzymują się u współczesnych ludzi, hybrydy między liniami musiały być płodne, aby umożliwić takie krzyżowanie wsteczne. Ponieważ mamy populacje, które przynajmniej częściowo żyły na tym samym obszarze i wytworzyły płodne mieszańce, można je uznać za gatunki biologiczne, choć być może za gatunki biologiczne in statu nascendi.

Oto diagram trzech linii rodowych z artykułu, którego tytuł znajduje się poniżej. Strzałki pokazują kierunek wymiany genów i kilka przykładów wariantów przeniesionych przez hybrydyzację.

Poniższy artykuł można przeczytać klikając na link pod obrazkiem. Celem artykułu jest odpowiedź na pytanie:

Które geny zostały przeniesione między liniami i jaki wpływ miały one na osobniki, które je nosiły?

Oczywiście pierwsze pytanie brzmi: „Skąd wiemy, które geny faktycznie wywodzą się z jednej z trzech linii po tym, jak oddzieliła się ona od pozostałych i skąd wiemy, w jakim kierunku gen ten został przeniesiony do innej linii”. To nie jest łatwe pytanie i zadałem je mojemu przyjacielowi Philowi Wardowi, entomologowi i systematykowi pracującemu na UC Davis. Dla tych, którzy chcą wiedzieć, umieściłem jego wyjaśnienie poniżej.

Ufam ustaleniom autorów, które geny gdzie powstały i które zostały wprowadzone do danej linii poprzez hybrydyzację; w końcu to jest Pääbo i jego grupa! Podam więc listę kilku przeniesionych genów, w którą stronę poszły i co wydają się robić we współczesnych populacjach. Dodam dwie rzeczy. Po pierwsze, choć łatwo jest dowiedzieć się, co robi gen (można go przetestować w hodowli komórkowej lub wszczepiając go myszom), nie jest łatwo określić, jaki wpływ ma on na fenotyp lub reprodukcję współczesnego człowieka.

Po drugie, artykuł ma charakter dość „adaptacjonistyczny”, a autorzy sugerują powody, dla których transfer mógł mieć charakter adaptacyjny. (Gdyby było to naprawdę złe dla nosiciela, zniknęłoby z populacji.) Jednak bardzo niewiele przeniesionych genów występuje z bardzo dużą częstotliwością u współczesnych ludzi lub neandertalczyków, a zatem, gdyby miały one naprawdę korzystny wpływ na reprodukcję lub przetrwanie, można by oczekiwać, że będą one „utrwalone” (obecne u każdego osobnika) lub że będą występowały co najmniej z wysoką częstotliwością. Ponieważ zwykle tak się nie dzieje, autorzy stawiają hipotezy, że przeniesione geny są dobre w niektórych populacjach, ale nie w innych. W pewnym stopniu przypomina to racjonalizację post factum opartą na nieugięcie adaptacyjnym punkcie widzenia.

Przejdźmy do genów! Wcięcia są mojego autorstwa, z wyjątkiem fragmentów z podwójnym wcięciem, które stanowią fragmenty artykułu:

Mutacje w linii neandertalskiej, które dostały się do współczesnych ludzi przez hybrydyzację. 

Geny wpływające na metabolizm kwasów tłuszczowych i lipidów. Wydaje się, że te geny zwiększają ryzyko cukrzycy typu 2, więc nie są dla nas dobre.

Geny zwiększające wrażliwość na ból (gen kanału sodowego w układzie nerwowym). Gen ten wydaje się mieć zbawienny wpływ, ponieważ wiąże się z wydłużeniem życia (geny zmniejszające wrażliwość na ból mogą powodować urazy i infekcje bez ich zauważania, dlatego osoby cierpiące na chorobę Hansena, pozbawione wrażliwości na ból, tracą palce i inne części ciała). Ale jeśli gen jest dla nas tak dobry, dlaczego jest obecny u tak niewielu z nas (0,4% osób w Wielkiej Brytanii)?

Geny wpływające na ciążę. Otrzymaliśmy wariant receptora progesteronu, który zmutował u neandertalczyków i który faktycznie zwiększa częstotliwość przedwczesnych porodów. Oto jak autorzy wyjaśniają jego utrzymywanie się w wysokich częstotliwościach zarówno u neandertalczyków, jak i współczesnych populacji ludzkich (częstość występowania genu w niektórych współczesnych populacjach wynosi 20% lub więcej):

Ponieważ [ten wariant] wiąże się ze zwiększonym ryzykiem przedwczesnych porodów u współczesnych ludzi, sugeruje się, że stanowi on ewolucyjną niekorzyść dla neandertalczyków, zwłaszcza w przypadku braku nowoczesnej opieki medycznej. Jednak warianty neandertalskie są również powiązane z około 15% zmniejszonym ryzykiem krwawień i poronień na początku ciąży, a także z większą liczbą rodzeństwa. Kuszące jest zatem spekulowanie, że stanowi to ewolucyjny kompromis, w ramach którego wariant neandertalski ratuje ciąże, które w przeciwnym razie zakończyłyby się poronieniami, ale płaconą ceną jest to, że niektóre z tych ciąż kończą się przedwczesnymi porodami. Warto zauważyć, że współczesnemu człowiekowi dostarczono dwie różne wersje neandertalskiego genu receptora progesteronu, a częstotliwość obu tych genów wzrosła, o czym świadczy wzrost ich występowania w szczątkach szkieletowych poszczególnych osób w ciągu ostatnich 10 tysięcy lat. Obie wersje neandertalskie powodują wyższą ekspresję receptora progesteronu i mogą w ten sposób pośredniczyć w większym działaniu progesteronu podczas ciąży. Jest to zgodne ze stwierdzeniem, że podawanie progesteronu zmniejsza częstość poronień u kobiet, które wcześniej doświadczyły poronień, i sugeruje, że zwiększone działanie progesteronu, na które wpływa wyższy poziom hormonów lub wyższy poziom receptorów, może chronić ciąże zagrożone.

Można spekulować, ale być może istnieją inne skutki działania genu, o których nie wiemy, jak też mamy pytanie, czy złe skutki przedwczesnych porodów można przezwyciężyć korzystnym wpływem na zmniejszanie krwawienia i ograniczanie wczesnych poronień? Mamy tu odzwierciedlenie poglądu autora, że przeniesione geny muszą ogólnie mieć pozytywny wpływ na reprodukcję, nawet jeśli nie da się tego wykazać.

Geny wpływające na układ odpornościowy. Wydaje się, że wiele genów, które otrzymaliśmy od neandertalczyków, wchodzi w interakcję z wirusami i występuje z dużą częstotliwością u ludzi; autorzy spekulują zatem, że rozprzestrzeniają się one w celu zapobiegania infekcjom i nadal to robią we współczesnych populacjach. Ponadto niektóre warianty charakteryzują się dużymi różnicami w częstości występowania między populacjami, co autorzy przypisują infekcjom specyficznym dla populacji. Co więcej, niektóre warianty mogą powodować choroby autoimmunologiczne (ponownie niewiele wiemy o ich wpływie na współczesnego człowieka, który może być niewielki). Spekulują jednak, że istnienie tak wielu wariantów neandertalskich genów u współczesnych ludzi zdecydowanie sugeruje, że rozprzestrzeniły się one w naszej linii rodowej przez selekcję pod kątem odporności na choroby.

Mutacje w linii Denisowian, które dostały się do współczesnych ludzi przez hybrydyzację. 

Geny wpływające na adaptację do dużych wysokości. Oto, zaczerpnięty z artykułu, najlepszy przykład genu wchodzącego do genomu współczesnego człowieka, który prawdopodobnie rozprzestrzenił się w wyniku doboru naturalnego. Ten przykład jest dość dobrze znany.

Adaptacja do dużych wysokości

Uderzającym przykładem wpływu denisowian na dzisiejsze populacje jest segment DNA denisowian na chromosomie 2 o długości 33 kb, który występuje z częstotliwością alleli ponad 80% wśród Tybetańczyków, podczas gdy jest nieobecny lub bardzo rzadki w innych populacjach azjatyckich. Koduje EPAS1, czynnik transkrypcyjny indukowany niedotlenieniem, który bierze udział w adaptacji do niskiego poziomu tlenu. Na Wyżynie Tybetańskiej obecni byli denisowianie; niektórzy z nich mogli zatem adaptować się do życia na dużych wysokościach i prawdopodobnie przekazali tę genetyczną predyspozycję współczesnym ludziom, gdy przybyli do tego regionu.

Otrzymaliśmy także geny zaangażowane w adaptację do niskiej temperatury poprzez „wywoływanie brązowego tłuszczu”: wydaje się, że one również rozprzestrzeniły się w wyniku doboru naturalnego w populacjach żyjących w zimnym klimacie:

Adaptacja do zimna i morfologia twarzy:

Innym przykładem wkładu genetycznego denisowian jest segment o wielkości 28 kb na chromosomie 1, niosący geny  WARS i TBX15. Występuje u prawie 100% grenlandzkich Inuitów i kilku innych populacji. Warianty denisowian wpływają na ekspresję genów, które mogą wpływać na adaptację do niskich temperatur, prawdopodobnie poprzez indukcję brązowej tkanki tłuszczowej.

Na koniec autorzy omawiają geny, które pojawiły się u współczesnego człowieka i przedostały się do linii rodowych neandertalczyków, w tym warianty wpływające na biosyntezę puryn (nukleotydów), zapobiegając stresowi oksydacyjnemu, splicing [składanie] genów i segregację chromosomów. Następnie autorzy przedstawiają „kombinatoryczny pogląd” na genom współczesnego człowieka, zauważając, że prawdopodobnie zawieramy wiele wariantów pochodzących od naszych obecnie wymarłych przodków, ale różne współczesne osobniki mają różne kombinacje. Oto ten pogląd ze streszczenia artykułu:

Proponujemy, aby o genetycznej podstawie tego, co stanowi współczesnego człowieka, najlepiej myśleć jako o kombinacji cech genetycznych, choć być może żadna z nich nie występuje u każdego współczesnego człowieka.

_________

Reference: Zeberg H, Jakobsson M, Pääbo S. The genetic changes that shaped Neandertals, Denisovans, and modern humans. Cell. 2024 Feb 14:S0092-8674(23)01403-4. doi: 10.1016/j.cell.2023.12.029. Epub ahead of print. PMID: 38367615.

Wyjaśnienie Phila Warda:

Być może najbardziej  przyjazne czytelnikowi wyjaśnienie można znaleźć w książce Davida Reicha z 2018 roku Who we are and how we got here. Ancient DNA and the new science of the human past [Kim jesteśmy i jak tu dotarliśmy. Archaiczne DNA i nowa nauka o przeszłości człowieka] (Nowy Jork, Penguin Random House). Na stronach 34 i nast. tej książki Reich wprowadza „Test czterech populacji” (to jego określenie na test ABBA-BABA), gdzie pisze, że jeśli weźmiemy pod uwagę allele pochodne obecne u neandertalczyków, mają one więcej wspólnego z populacjami eurazjatyckimi niż afrykańskimi, co jest zgodne z krzyżowaniem się neandertalczyków z przodkami dzisiejszych Europejczyków – po migracji z Afryki. W większości przypadków, gdy weźmiesz pochodny allel neandertalczyka (tj. taki, który nie jest wspólny z szympansem), nie jest on obecny w żadnej  populacji ludzkiej, ale jeśli jest wspólny z jedną z dwóch próbek ludzkich, jest bardziej prawdopodobne, że ta próbka będzie euroazjatycka niż afrykańska.

A co z  kierunkiem  przepływu genów? Green i in. (2010: 218) piszą, że ludzie w Eurazji są genetycznie bardziej podobni do ludzi z plemienia Joruby niż z plemienia San, w stopniu, który można zmierzyć za pomocą statystyki D. Jak to ujęli, „D(P, San, Q, szympans) jest od 1,47 do 1,68 razy większe niż D(P, Joruba, Q, szympans), gdzie P i Q nie są Afrykanami”. Gdyby kierunek przepływu genów był od Euroazjaty do neandertalczyka, wówczas powinna istnieć analogiczna różnica w statystykach D porównujących neandertalczyka z członkiem plemienia San i Joruba. Ponownie cytując Greena i in.: „D(P, San, Neandertalczyk, szympans) powinno być większe niż D(P, Joruba, Neandertalczyk, szympans) o tę samą ilość”. Ale tak nie jest: stosunek tych dwóch statystyk D wynosi w przybliżeniu 1,0.

Mówiąc prościej (i być może w nadmiernym uproszczeniu), jeśli neandertalczycy pozyskali znaczną ilość DNA od Europejczyków, powinno to znaleźć odzwierciedlenie w statystycznie większym dystansie genetycznym ich DNA do San niż do Joruba, tak jak pokazuje euroazjatycki DNA. Ponieważ tak nie jest, można stwierdzić, że większość przepływu genów neandertalsko-eurazjatyckich przebiegała w przeciwnym kierunku: od neandertalczyka do Euroazjaty.

Link do oryginału: https://whyevolutionistrue.com/2024/02/26/gene-flow-from-neanderthals-and-denisovans-to-modern-humans-and-vice-versa/

Why Evolution Is True, 26 lutego 2024

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Jerry A. Coyne


Emerytowany profesor na wydziale ekologii i ewolucji University of Chicago, jego książka "Why Evolution is True" (Polskie wydanie: "Ewolucja jest faktem", Prószyński i Ska, 2009r.) została przełożona na kilkanaście języków, a przez Richarda Dawkinsa jest oceniana jako najlepsza książka o ewolucji.  Jerry Coyne jest jednym z najlepszych na świecie specjalistów od specjacji, rozdzielania się gatunków. Jest również jednym ze znanych "nowych ateistów" i autorem książki "Faith vs Fakt" (wydanej również po polsku przez wydawnictwo "Stapis)". Jest wielkim miłośnikiem kotów i osobistym przyjacielem redaktor naczelnej.