28.5: Flujo de genes entre poblaciones humanas arcaicas

El Dr. Reich trabajó con el Instituto Max Planck como genetista poblacional estudiando datos genéticos neandertales. En esta sección se discutirán los antecedentes de su investigación como parte del proyecto del genoma neandertal, el borrador de secuencia que ensamblaron y la evidencia que se ha compilado para el flujo de genes entre los humanos modernos y los neandertales.

Antecedentes

Los neandertales son el único otro homínido con un cerebro tan grande como el Homo sapiens. Fósiles neandertales de hace 200.000 años se han encontrado en Eurasia Occidental (Europa y Asia Occidental), que es muy anterior al Homo erectus. Los primeros fósiles humanos provienen de Etiopía que datan de hace unos 200.000 años. Sin embargo, existe evidencia de que los neandertales y los humanos se superpusieron en el tiempo y el espacio entre 135 mil y 35 mil años atrás.

El primer lugar de contacto podría haber ocurrido en El Levante, en Israel. Hay fósiles humanos de hace 120 mil años, luego una brecha, fósiles neandertales hace unos 80 mil años, otra brecha, y luego fósiles humanos nuevamente hace 60 mil años. Esto es prueba de una superposición en su lugar, pero no en el tiempo. En la época paleolítica superior, hubo una explosión de poblaciones que salían de África (la migración hace unos 60 mil a 45 mil años). En Europa después de hace 45 mil años, hay sitios donde los neandertales y los humanos existen lado a lado en el registro fósil. Dado que hay evidencia de que las dos especies coexistieron, ¿hubo mestizaje? Esta es una pregunta que se puede responder examinando la genómica poblacional.

Consulte Herramientas y técnicas para una discusión sobre la extracción de ADN de neandertales.

28.5.2 Evidencia de flujo génico entre humanos y neandertales

1. Una prueba de comparación entre el ADN neandertal y el ADN humano de poblaciones africanas y no africanas demuestra que las poblaciones no africanas están más relacionadas con los neandertales que con las poblaciones africanas. Podemos observar todos los SNP en el genoma y ver si el SNP humano de una población coincide con el SNP neandertal. Cuando se compararon diferentes poblaciones humanas con los neandertales, se encontró que los SNP franceses, chinos y de Nueva Guinea coincidían con los SNP neandertales mucho más que los SNP yoruba nigerianos coincidían con los SNP neandertales. Las poblaciones san bosquimanos y yoruba de África, a pesar de ser genéticamente muy distintas, ambas tenían la misma distancia del ADN neandertal. Esta evidencia sugiere que las poblaciones humanas que migran de África se cruzan con los neandertales.

2. Un estudio de haplotipos de largo alcance demuestra que cuando la rama más profunda de un árbol haplotipo estaba en poblaciones no africanas, las regiones coincidieron con frecuencia con el ADN de Neandertal. Las poblaciones africanas hoy en día son las poblaciones más diversas del mundo. Cuando los humanos migraron fuera de África, la diversidad disminuyó debido al eect fundador. De esta historia, uno esperaría que si construyeras un árbol de relaciones, la división más profunda sería africana. Para mostrar la herencia neandertal, los investigadores de Berkley seleccionaron secciones de largo alcance del genoma y las compararon entre humanos elegidos al azar de varias poblaciones. La rama más profunda del árbol construida a partir de ese haplotipo es casi siempre de la población africana. Sin embargo, ocasionalmente los no africanos tienen la rama más profunda. El estudio encontró que había 12 regiones donde los no africanos tienen la rama más profunda. Cuando se utilizaron estos datos para analizar el genoma neandertal, se encontró que 10 de 12 de estas regiones en los no africanos coincidieron más con los neandertales que la secuencia de referencia humana coincidente (una compilación de secuencias de diversas poblaciones). Esto es evidencia de que ese haplotipo en realidad es de origen neandertal.

3. Por último, existe una divergencia mayor de lo esperado entre los humanos. La división promedio entre un Ne-andertal y un humano es de unos 800,000 años. La divergencia típica entre dos humanos es de aproximadamente 500,000 años. Al observar secuencias africanas y no africanas, las regiones de baja divergencia surgieron en secuencias no africanas en comparación con el material neandertal. Las regiones encontradas estaban altamente enriquecidas en material neandertal (94% neandertal), lo que aumentaría la divergencia promedio entre humanos (ya que la divergencia estándar Neandertal - humana es de aproximadamente 800,000 años).

Flujo de genes entre humanos y denisovanos

En 2010, los científicos descubrieron un hueso de dedo de 50 mil años de edad en el sur de Siberia. El ADN en esta muestra denisovana no era como ningún ADN humano anterior. El ADN mitocondrial denisovano es un grupo externo tanto para los neandertales como para los humanos modernos. (Se utilizó ADN mitocondrial porque es aproximadamente 1000 veces más frecuente que el ADN somático. La tasa de polimorfismo también es 10 veces mayor). Los denisovanos están más estrechamente relacionados con los neandertales que con los humanos.

Figura 28.4: Proyección sobre dos dimensiones de un análisis de componentes principales de diferentes poblaciones humanas.

Usando la misma técnica de emparejamiento de SNP del ejemplo neandertal, se descubrió que el ADN de Deniso- van coincide más con el ADN de Nueva Guinea que el ADN chino o el ADN europeo. Se estima que los denisovanos aportaron alrededor del 5% de la ascendencia de los neoguineanos en la actualidad. Una proyección de análisis de componentes principple (ver figura) entre la relación con chimpancés, neandertales y denisovanos muestra que las poblaciones no africanas están más relacionadas con los neandertales, y los nuevos guineanos y buganvillas están más relacionadas con los denisovanos.

Esta evidencia sugiere un modelo para la migración humana y el mestizaje. Los humanos migraron fuera de África y se cruzaron con los neandertales, luego se extendieron por Asia y se cruzaron con denisovanos en el sudeste asiático. Es menos plausible que los humanos se crucen con denisovanos en la India porque no todas las poblaciones del sudeste asiático tienen ascendencia denisovan.

Análisis de Genomas Arcaicos de Alta Cobertura

Los genomas arcaicos de alta cobertura pueden decirnos mucho sobre la historia de las poblaciones de homínidos. Se adquirió una secuencia de Neandertal de Altai de alta cobertura de un hueso del dedo del pie encontrado en la cueva de Denisova. A partir de esta secuencia, podemos observar el tiempo de convergencia de las dos copias de cromosomas para estimar el tamaño de la población. El ADN neandertal contiene muchos tramos largos de homocigosidad, lo que indica un pequeño tamaño poblacional persistente y endogamia. Para el Neandertal de Altai, una octava parte del genoma era homocigótico, sobre el nivel esperado de endogamia de los medios hermanos. La aplicación de la técnica a poblaciones no africanas muestra un cuello de botella hace 50 mil años y una posterior expansión poblacional, lo que es consistente con la teoría de Out Of Africa.

Los neandertales y denisovanos también se cruzaron, demostrando la notable proclividad de los humanoides a la reproducción. Aunque la mayor parte del genoma neandertal tiene una profundidad mínima de cientos de miles de años desde el genoma denisovano, al menos 0.5% del genoma denisovan tiene una distancia mucho más corta del genoma neandertal, especialmente para los genes inmunes.

Figura 28.5: Datos y modelos para el flujo de genes ancestrales.

Los denisovanos probablemente tienen ascendencia de una población arcaica desconocida no relacionada con los neandertales. Una secuencia africana tiene una coincidencia de 23% con ADN neandertal y 47% con ADN denisovo, lo que es estadísticamente significativo. Si estratificas la estadística D por la frecuencia de un alelo en la población, ves una pendiente creciente y un salto brusco al llegar a la fijación que más se ajusta a las predicciones que se obtendrían de una población desconocida que fluye hacia denisovanos (ver figura).

Discusión

El cuello de botella causado por la migración de África es sólo un ejemplo de muchos. La mayoría de los científicos suelen concentrarse en la edad e intensidad de los eventos migratorios y no necesariamente en la duración, pero la duración es muy importante porque los largos cuellos de botella crean un rango menor de diversidad. Una forma de predecir la longitud de un cuello de botella es determinar si surgieron nuevas variaciones durante el mismo, lo que es más probable durante cuellos de botella más largos. El cambio en el rango de diversidad es también lo que ayudó a crear las diferentes subpoblaciones humanas que quedaron geográficamente aisladas. Esta es solo otra forma en que la genómica poblacional puede ser útil para ayudar a reconstruir las migraciones históricas.

Las diferencias genéticas entre especies (aquí dentro de los primates) se pueden utilizar para ayudar a comprender el árbol filogenético del que todos derivamos. Analizamos el estudio de caso de comparaciones con el ADN neandertal, aprendimos sobre cómo se obtienen muestras de ADN antiguo, cómo se encuentran e interpretan las secuencias, y cómo esa evidencia muestra una alta probabilidad de mestizaje entre humanos modernos (de ascendencia euroasiática) y neandertales. Esas diferencias muy pequeñas entre una especie y otra, y dentro de las especies, nos permiten deducir gran parte de la historia humana a través de la genética poblacional.