Πώς το DNA του Νεάντερταλ βοηθά την ανθρωπότητα

Η πρώιμη ανθρώπινη ιστορία ήταν μια ασύστολη υπόθεση. Καθώς οι σύγχρονοι άνθρωποι άρχισαν να εξαπλώνονται έξω από την Αφρική πριν από περίπου 50.000 χρόνια, συνάντησαν άλλα είδη που τους έμοιαζαν εντυπωσιακά - τους Νεάντερταλ και τους Ντενίσοβαν, δύο ομάδες αρχαϊκών ανθρώπων που είχαν έναν πρόγονο μαζί μας περίπου 600.000 χρόνια νωρίτερα. Αυτό το ετερόκλητο μείγμα ανθρώπων συνυπήρχε στην Ευρώπη για τουλάχιστον 2.500 χρόνια και τώρα γνωρίζουμε ότι διασταυρώθηκαν, αφήνοντας μια διαρκή κληρονομιά στο DNA μας. Το DNA των μη Αφρικανών αποτελείται από περίπου 1 έως 2 τοις εκατό DNA του Νεάντερταλ και ορισμένοι πληθυσμοί νησιών της Ασίας και των ωκεανών έχουν έως και 6 τοις εκατό DNA του Ντενίσοβαν.

Τα τελευταία χρόνια, οι επιστήμονες έχουν σκάψει βαθύτερα στις τομές του γονιδιώματος του Νεάντερταλ και του Ντενίσοβαν και κατέληξαν σε ένα εκπληκτικό συμπέρασμα. Ορισμένα γονίδια του Νεάντερταλ και του Ντενίσοβαν φαίνεται να έχουν σαρώσει τον σύγχρονο ανθρώπινο πληθυσμό - μια παραλλαγή, για παράδειγμα, υπάρχει στο 70 τοις εκατό των Ευρωπαίων - υποδηλώνοντας ότι αυτά τα γονίδια έφεραν μεγάλο πλεονέκτημα στους φορείς τους και εξαπλώθηκαν γρήγορα.

«Σε ορισμένα σημεία του γονιδιώματός μας, είμαστε περισσότερο Νεάντερταλ παρά άνθρωποι», δήλωσε ο Joshua Akey, γενετιστής στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον. "Φαίνεται αρκετά ξεκάθαρο ότι τουλάχιστον μερικές από τις ακολουθίες που κληρονομήσαμε από τους αρχαϊκούς ανθρωπίνους ήταν προσαρμοστικές, ότι μας βοήθησαν να επιβιώσουμε και να αναπαραχθούν."

Αλλά τι ακριβώς κάνουν αυτά τα θραύσματα του DNA του Νεάντερταλ και του Ντενίσοβαν; Τι πλεονέκτημα επιβίωσης παρείχαν στους προγόνους μας; Οι επιστήμονες αρχίζουν να παίρνουν υποδείξεις. Μερικά από αυτά τα γονίδια συνδέονται με το ανοσοποιητικό μας σύστημα, με το δέρμα και τα μαλλιά μας, και ίσως με τον μεταβολισμό και την ανεκτικότητά μας στον κρύο καιρό, τα οποία όλα μπορεί να βοήθησαν τους μετανάστες να επιβιώσουν σε νέες χώρες.

"Αυτό που μας επέτρεψε να επιβιώσουμε προήλθε από άλλα είδη," είπε ο Ράσμους Νίλσεν, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ. "Δεν είναι μόνο ο θόρυβος, είναι ένα πολύ σημαντικό ουσιαστικό μέρος αυτού που είμαστε."

Ο Νεάντερταλ μέσα

Το Θιβετιανό οροπέδιο είναι μια τεράστια έκταση ακινήτων σε μεγάλο υψόμετρο που απομονώνεται από τεράστιες οροσειρές. Το λιγοστό οξυγόνο στα 14.000 πόδια - περίπου 40 τοις εκατό χαμηλότερες από τις συγκεντρώσεις στο επίπεδο της θάλασσας - το καθιστά ένα σκληρό περιβάλλον. Οι άνθρωποι που μετακινούνται εκεί υποφέρουν υψηλότερα ποσοστά αποβολών, θρόμβων αίματος και εγκεφαλικού επεισοδίου λόγω των επιπλέον ερυθρών αιμοσφαιρίων που παράγει το σώμα τους για να θρέψει ιστούς που λιμοκτονούν από οξυγόνο. Οι γηγενείς Θιβετιανοί, ωστόσο, τα καταφέρνουν μια χαρά. Παρά τον πενιχρό αέρα, δεν παράγουν τόσα ερυθρά αιμοσφαίρια όπως οι υπόλοιποι από εμάς σε αυτά τα υψόμετρα, γεγονός που βοηθά στην προστασία της υγείας τους.

Το 2010, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι οι Θιβετιανοί οφείλουν την ανοχή τους στα χαμηλά επίπεδα οξυγόνου εν μέρει σε μια ασυνήθιστη παραλλαγή ενός γονιδίου που είναι γνωστό ως EPAS1 . Περίπου το 90 τοις εκατό του θιβετιανού πληθυσμού και λίγοι Κινέζοι Χαν (που μοιράζονται έναν πρόσφατο πρόγονο με Θιβετιανούς) φέρουν την παραλλαγή του μεγάλου υψομέτρου. Αλλά απουσιάζει εντελώς από μια βάση δεδομένων με 1.000 ανθρώπινα γονιδιώματα από άλλους πληθυσμούς.

Το 2014, ο Nielsen και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν ότι οι Θιβετιανοί ή οι πρόγονοί τους πιθανότατα απέκτησαν την ασυνήθιστη αλληλουχία DNA από τους Denisovans, μια ομάδα πρώιμων ανθρώπων που περιγράφηκε για πρώτη φορά το 2010 και σχετίζονται πιο στενά με τους Νεάντερταλ παρά με εμάς. Στη συνέχεια, το μοναδικό γονίδιο άκμασε σε όσους ζούσαν σε μεγάλα υψόμετρα και εξαφανίστηκε σε απογόνους που αποίκησαν λιγότερο σκληρά περιβάλλοντα. «Αυτό είναι ένα από τα πιο ξεκάθαρα παραδείγματα για το πώς [η διασταύρωση] μπορεί να οδηγήσει στην προσαρμογή», ​​δήλωσε ο Σριράμ Σανκαραραμάν, γενετιστής και επιστήμονας υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες.

Η ιδέα ότι τα στενά συγγενικά είδη μπορούν να επωφεληθούν από τη διασταύρωση, γνωστή με εξελικτικούς όρους ως προσαρμοστική εισβολή, δεν είναι νέα. Καθώς ένα είδος επεκτείνεται σε μια νέα περιοχή, αντιμετωπίζει μια εντελώς νέα σειρά προκλήσεων - διαφορετικό κλίμα, τροφή, αρπακτικά και παθογόνα. Τα είδη μπορούν να προσαρμοστούν μέσω της παραδοσιακής φυσικής επιλογής, στην οποία οι αυθόρμητες μεταλλάξεις που τυχαίνει να είναι χρήσιμες εξαπλώνονται σταδιακά στον πληθυσμό. Αλλά τέτοιες μεταλλάξεις σπάνια εμφανίζονται, καθιστώντας τη διαδικασία πολύ αργή. Μια πιο βολική επιλογή είναι να ζευγαρώσετε με είδη που έχουν ήδη προσαρμοστεί στην περιοχή και να συμμετάσχετε σε κάποιο από το χρήσιμο DNA τους. (Τα είδη ορίζονται παραδοσιακά από την αδυναμία τους να ζευγαρώσουν μεταξύ τους, αλλά τα στενά συγγενικά είδη συχνά διασταυρώνονται.)

Αυτό το φαινόμενο έχει τεκμηριωθεί καλά σε πολλά είδη, συμπεριλαμβανομένων ποντικών που υιοθέτησαν την ανοχή άλλων ειδών στα φυτοφάρμακα και πεταλούδες που οικειοποιήθηκαν το σχέδιο των φτερών άλλων ειδών. Ωστόσο, ήταν δύσκολο να μελετηθεί η προσαρμοστική εισβολή στους ανθρώπους έως ότου προσδιοριστεί η αλληλουχία του πρώτου γονιδιώματος του Νεάντερταλ το 2010, παρέχοντας στους επιστήμονες DNA ανθρωπίνης για να το συγκρίνουν με το δικό μας.

Οι Νεάντερταλ και οι Ντενίσοβα θα ήταν μια καλή πηγή χρήσιμου DNA για τους προγόνους μας. Είχαν ζήσει στην Ευρώπη και την Ασία για εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια - αρκετός χρόνος για να προσαρμοστούν στο ψυχρό κλίμα, τον αδύναμο ήλιο και τα τοπικά μικρόβια. «Τι καλύτερος τρόπος να προσαρμοστούμε γρήγορα από το να πάρουμε μια παραλλαγή γονιδίου από έναν πληθυσμό που πιθανότατα ήταν ήδη εκεί για 300.000 χρόνια;» είπε ο Akey. Πράγματι, τα γονίδια του Νεάντερταλ και του Ντενίσοβαν με τα μεγαλύτερα σημάδια επιλογής στο σύγχρονο ανθρώπινο γονιδίωμα «έχουν να κάνουν σε μεγάλο βαθμό με το πώς αλληλεπιδρούν οι άνθρωποι με το περιβάλλον», είπε.

Για να βρουν αυτά τα προσαρμοστικά τμήματα, οι επιστήμονες αναζητούν τα γονιδιώματα των σύγχρονων ανθρώπων για περιοχές αρχαϊκού DNA που είναι είτε πιο κοινές είτε μεγαλύτερες από το αναμενόμενο. Με την πάροδο του χρόνου, άχρηστα κομμάτια DNA του Νεάντερταλ - αυτά που δεν βοηθούν τον φορέα - είναι πιθανό να χαθούν. Και μεγάλες τομές αρχαϊκού DNA είναι πιθανό να χωριστούν σε μικρότερα τμήματα, εκτός εάν υπάρχει επιλεκτική πίεση για να διατηρηθούν ανέπαφα.

Το 2014, δύο ομάδες, η μία με επικεφαλής τον Akey και η άλλη από τον Ντέιβιντ Ράιχ, γενετιστή στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ, δημοσίευσαν ανεξάρτητα γενετικούς χάρτες που καταγράφουν πού στο γονιδίωμά μας είναι πιο πιθανό να βρεθεί το DNA του Νεάντερταλ. Προς έκπληξη του Akey, και οι δύο χάρτες βρήκαν ότι τα πιο κοινά προσαρμοστικά γονίδια που προέρχονται από τον Νεάντερταλ είναι αυτά που συνδέονται με την ανάπτυξη του δέρματος και των μαλλιών. Ένα από τα πιο εντυπωσιακά παραδείγματα είναι ένα γονίδιο που ονομάζεται BNC2 , η οποία συνδέεται με τη μελάγχρωση του δέρματος και τις φακίδες στους Ευρωπαίους. Σχεδόν το 70 τοις εκατό των Ευρωπαίων φέρουν την έκδοση του Νεάντερταλ.

Οι επιστήμονες υποθέτουν ότι το BNC2 και άλλα γονίδια του δέρματος βοήθησαν τους σύγχρονους ανθρώπους να προσαρμοστούν στα βόρεια κλίματα, αλλά δεν είναι σαφές ακριβώς πώς. Το δέρμα μπορεί να έχει πολλές λειτουργίες, οποιαδήποτε από τις οποίες μπορεί να ήταν χρήσιμη. «Ίσως η μελάγχρωση του δέρματος, η επούλωση τραυμάτων, η άμυνα των παθογόνων, ή πόση απώλεια νερού έχετε σε ένα περιβάλλον, που σας καθιστούν περισσότερο ή λιγότερο ευάλωτους στην αφυδάτωση», είπε ο Akey. "Τόσα πολλά πιθανά πράγματα θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε αυτό - δεν ξέρουμε ποιες διαφορές ήταν πιο σημαντικές."

Σύστημα επιτήρησης

Ένας από τους πιο θανατηφόρους εχθρούς που έπρεπε να πολεμήσουν οι σύγχρονοι άνθρωποι καθώς τολμούσαν σε νέες περιοχές ήταν επίσης οι μικρότερες - νέες μολυσματικές ασθένειες για τις οποίες δεν είχαν ανοσία. «Τα παθογόνα είναι μια από τις ισχυρότερες επιλεκτικές δυνάμεις εκεί έξω», δήλωσε η Janet Kelso, βιοπληροφορικός στο Ινστιτούτο Max Planck για την Εξελικτική Ανθρωπολογία στη Λειψία της Γερμανίας.

Νωρίτερα αυτό το έτος, ο Kelso και οι συνεργάτες του εντόπισαν ένα μεγάλο τμήμα DNA του Νεάντερταλ - μήκους 143.000 ζεύγη βάσεων DNA - που μπορεί να έπαιξε βασικό ρόλο στο να βοηθήσει τους σύγχρονους ανθρώπους να καταπολεμήσουν τις ασθένειες. Η περιοχή εκτείνεται σε τρία διαφορετικά γονίδια που αποτελούν μέρος του έμφυτου ανοσοποιητικού συστήματος, ενός συστήματος μοριακής επιτήρησης που αποτελεί την πρώτη γραμμή άμυνας ενάντια στα παθογόνα. Αυτά τα γονίδια παράγουν πρωτεΐνες που ονομάζονται υποδοχείς τύπου toll, οι οποίοι βοηθούν τα κύτταρα του ανοσοποιητικού να ανιχνεύουν ξένους εισβολείς και προκαλούν το ανοσοποιητικό σύστημα να επιτεθεί.

Οι σύγχρονοι άνθρωποι μπορούν να έχουν πολλές διαφορετικές εκδοχές αυτού του τμήματος του DNA. Αλλά τουλάχιστον τρεις από τις παραλλαγές φαίνεται να προέρχονται από αρχαϊκούς ανθρώπους - δύο από Νεάντερταλ και μία από Ντενίσοβαν. Για να καταλάβει τι κάνουν αυτές οι παραλλαγές, η ομάδα του Kelso ερεύνησε δημόσιες βάσεις δεδομένων που περιείχαν δέσμες δεδομένων γονιδιώματος και υγείας. Βρήκαν ότι τα άτομα που φέρουν μία από τις παραλλαγές του Νεάντερταλ είναι λιγότερο πιθανό να μολυνθούν από το H. pylori , ένα μικρόβιο που προκαλεί έλκη, αλλά είναι πιο πιθανό να υποφέρει από κοινές αλλεργίες όπως ο αλλεργικός πυρετός.

Ο Kelso εικάζει ότι αυτή η παραλλαγή μπορεί να ενίσχυσε την αντίσταση των πρώιμων ανθρώπων σε διαφορετικά είδη βακτηρίων. Αυτό θα είχε βοηθήσει τους σύγχρονους ανθρώπους καθώς αποίκησαν νέες περιοχές. Ωστόσο, αυτή η πρόσθετη αντίσταση είχε ένα τίμημα. «Η αντιστάθμιση για αυτό ήταν ένα πιο ευαίσθητο ανοσοποιητικό σύστημα που ήταν πιο ευαίσθητο σε μη παθογόνα αλλεργιογόνα», είπε ο Kelso. Αλλά πρόσεχε να επισημάνει ότι αυτό είναι απλώς μια θεωρία. "Σε αυτό το σημείο, μπορούμε να υποθέσουμε πολλές υποθέσεις, αλλά δεν ξέρουμε ακριβώς πώς λειτουργεί αυτό."

Τα περισσότερα από τα γονίδια του Νεάντερταλ και του Ντενίσοβαν που βρίσκονται στο σύγχρονο γονιδίωμα είναι πιο μυστηριώδη. Οι επιστήμονες έχουν μόνο μια αόριστη ιδέα για το τι κάνουν αυτά τα γονίδια, πόσο μάλλον πώς η εκδοχή του Νεάντερταλ ή του Ντενίσοβαν μπορεί να βοήθησε τους προγόνους μας. «Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε καλύτερα τη βιολογία αυτών των γονιδίων, να κατανοήσουμε ποιες επιλεκτικές πιέσεις οδήγησαν τις αλλαγές που βλέπουμε στους σημερινούς πληθυσμούς», είπε ο Akey.

Μια σειρά από μελέτες όπως αυτή του Kelso's βρίσκονται τώρα σε εξέλιξη, προσπαθώντας να συνδέσουν παραλλαγές του Νεάντερταλ και του Ντενίσοβαν που απαντώνται συχνά σε σύγχρονους ανθρώπους με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, όπως η κατανομή του σωματικού λίπους, ο μεταβολισμός ή άλλοι παράγοντες. Μια μελέτη σε περίπου 28.000 άτομα ευρωπαϊκής καταγωγής, που δημοσιεύτηκε στο Science τον Φεβρουάριο, ταίριαξαν αρχαϊκές παραλλαγές γονιδίων με δεδομένα από ηλεκτρονικά αρχεία υγείας. Συνολικά, οι παραλλαγές του Νεάντερταλ συνδέονται με υψηλότερο κίνδυνο νευρολογικών και ψυχιατρικών διαταραχών και χαμηλότερο κίνδυνο πεπτικών προβλημάτων. (Αυτή η μελέτη δεν επικεντρώθηκε στο προσαρμοστικό DNA, επομένως δεν είναι σαφές πώς μας επηρεάζουν σήμερα τα τμήματα του αρχαϊκού DNA που δείχνουν σημάδια επιλογής.)

Επί του παρόντος, πολλά από τα διαθέσιμα δεδομένα για τέτοιες μελέτες σταθμίζονται σε ιατρικά προβλήματα - οι περισσότερες από αυτές τις βάσεις δεδομένων σχεδιάστηκαν για να βρουν γονίδια που συνδέονται με ασθένειες όπως ο διαβήτης ή η σχιζοφρένεια. Ωστόσο, μερικές, όπως η UK Biobank, είναι πολύ ευρύτερες, αποθηκεύοντας πληροφορίες για την όραση των συμμετεχόντων, τις βαθμολογίες των γνωστικών τεστ, τις αξιολογήσεις ψυχικής υγείας, την ικανότητα των πνευμόνων και τη φυσική κατάσταση. Οι εταιρείες γενετικής απευθείας προς τους καταναλωτές διαθέτουν επίσης μεγάλα, διαφορετικά σύνολα δεδομένων. Για παράδειγμα, το 23andMe αναλύει τη γενετική των χρηστών για ενδείξεις σχετικά με την καταγωγή, τον κίνδυνο για την υγεία και άλλα μερικές φορές περίεργα χαρακτηριστικά, όπως το αν έχουν γλυκά δόντι ή μονόφρυο.

Φυσικά, δεν ήταν όλο το DNA που πήραμε από τους Νεάντερταλ και τους Ντενίσοβαν. Η πλειοψηφία ήταν μάλλον επιζήμια. Πράγματι, τείνουμε να έχουμε λιγότερο DNA του Νεάντερταλ κοντά στα γονίδια, υποδηλώνοντας ότι εξαφανίστηκε από τη φυσική επιλογή με την πάροδο του χρόνου. Οι ερευνητές ενδιαφέρονται πολύ για αυτά τα μέρη του γονιδιώματός μας όπου το αρχαϊκό DNA απουσιάζει εμφανώς. "Υπάρχουν μερικά πραγματικά μεγάλα μέρη στο γονιδίωμα χωρίς καταγωγή από Νεάντερταλ ή Ντενίσοβα από όσο μπορούμε να δούμε - κάποια διαδικασία καθαρίζει το αρχαϊκό υλικό από αυτές τις περιοχές", είπε ο Sankararaman. "Ίσως είναι λειτουργικά σημαντικά για τους σύγχρονους ανθρώπους."