Ewolucja genomu człowieka
Justyna Sosna | 2005-08-27
Zrozumienie genetycznych podstaw cech, które różnią ludzi od innych naczelnych jest jednym z największych wyzwań dla współczesnej genomiki ewolucyjnej. Genetyczna architektura genomu człowieka jest źródłem dowodów na unikalne zdarzenia molekularne w ewolucji człowieka. Analizy pozwoliły odkryć i sklasyfikować zmiany w milionach par zasad ludzkiego genomu, które przyczyniły się do ewolucji cech człowieka po specjacji linii Homo i Pan 5–7 milionów lat temu. Trzy modele pochodzenia ludzkości: ‘out of Africa’, model ”wypierania” i model „multiregionalny” przedstawiają różnorodne teorie i założenia, dotyczące chronologicznego porządku, czasu zdarzeń, przyczyn powstania danych cech hominidów. Ewolucja ludzi przedstawia ciąg powtórzonych zdarzeń specjacyjnych i morfologicznych zmian, począwszy od hominidowych przodków przez Australopithecus do Homo habilis, H. erectus, H. sapiens.
-------------
UNIWERSYTET ŚLĄSKI
Wydział Biologii i Ochrony Środowiska
Justyna Sosna
Ewolucja genomu człowieka
Praca licencjacka wykonana w Katedrze Genetyki pod kierunkiem dr M. Gaj
Katowice, 2005
Pragnę złożyć serdeczne podziękowania Panu prof. dr hab. M. Małuszyńskiemu za pomoc udzieloną w trakcie pisania pracy.
Szczególne podziękowania składam Panu dr M. Gaj za nieocenioną pomoc, wyrozumiałość i życzliwość.
-------------
Pobierz pełną treść:
Ewolucja genomu człowieka [2,71 MB]
Spis treści
1. Wstęp
2. Ewolucja Hominidae
2.1. Dendrogramy ewolucji Homo
2.2. Teoria “pożegnania z Afryką”
2.3. Teoria „pożegnania z Afryką 2”
2.4. Teoria „multiregionalna”
2.5. Hipoteza „wulkanicznej zimy”
3. . Genetyczna architektura ewolucji genomu człowieka
3.1. Duplikacje
3.1.1. Hipoteza „2R”
3.1.2. Generowanie duplikacji
3.1.3. Nowa funkcja zduplikowanych genów
3.1.4. Ewolucyjny los zduplikowanych genów
3.2. Mutacje
3.3. Rearanżacje
3.3.1.Tasowanie eksonów
3.4. Elementy ruchome
3.5. Ewolucja zespołowa
4. Ewolucja chromosomów płci u człowieka
5. Zmienność mtDNA i pochodzenie nowoczesnych ludzi
6. Niekodujące bloki DNA w ewolucji
7. Wykorzystanie sekwencji DNA w badaniu historii ludzkości
8. Teoria koalescencji
9. W poszukiwaniu genów człowieczeństwa
9.1. Hipoteza różnic w regulacji genów
9.2. Hipoteza „im mniej tym więcej” (the ‘less-is-more’)
9.3. Przykłady genów różniących Homo sapiens i Pan troglotydes
10. Zakończenie
Streszczenie
Summary
Załącznik 1
Załącznik 2
Załącznik 3
Literatura
--------------
Wstęp
Różnorodne dyscypliny takie jak antropologia, archeologia, demografia, lingwistyka i biologia starają się zapewnić wzajemnie uzupełniające się propozycje odpowiedzi na pytania o ewolucję rodu Homo sapiens sapiens. Rekonstrukcja ewolucji człowieka wymaga historycznych i statystycznych opracowań. Jeszcze do niedawna było to zadaniem mammologów i paleontologów. Tradycyjna filogeneza ssaków oparta była na analizie szkieletów wykopaliskowych i innych cechach anatomicznych skamieniałości. Jednakże w przeciągu ubiegłych kilku lat badawczym problemom ewolucyjnych powiązań w obrębie naczelnych stawiają czoło nowe dyscypliny – systematyka molekularna, sekwencjonowanie genomów i cytogenetyka porównawcza (Olson i Varki, 2003). Najnowsze kompilacje danych dziesiątek tysięcy par zasad sekwencji DNA, analizy insercji i delecji, klas elementów powtórzonych i chromosomowych asocjacji stają się precyzyjną dokumentacją historii powstania i ekspansji rodu ssaków (Murphy i inni, 2004). Nauką analizującą ewolucję genomu, bazującą na wiedzy o organizacji genomów wymarłych gatunków, zajmuje się genomika porównawcza. Ten relatywnie nowy zakres filogenetyki odkrywa przed badaczami potencjał dla analiz ewolucyjnych. Oprócz tego, że dziedzina ta stała się potężnym narzędziem dla objaśniania historii ewolucji chromosomów, jej istotą jest odkrywanie sekwencji kodujących, niekodujących elementów, ich funkcjonalnego znaczenia, przez co tworzenia genetycznych baz danych. Realne stało się rozwiązywanie dawnych kontrowersji filogenetycznych, udoskonalanie hipotez, potwierdzanie teorii ewolucji ludzi i innych kręgowców. Minione dekady postępu w genetyce molekularnej to zwiastun nowej ery badań ewolucyjnych, szczególnie badań ewolucji człowieka i jego przodków. A sfinalizowanie projektu poznania ludzkiego genomu (Załącznik 1), pozwoliło na gwałtowne przyśpieszenie rozwoju nowej gałęzi nauki – genomiki ewolucyjnej (Li i inni, 2001).
Dzięki nowym metodom można podjąć badania, dotyczące ewolucyjnej historii ludzkich genów i ich sekwencji regulatorowych. Komputerowe analizy ludzkiego genomu ustalają liczbę genów, elementów powtórzonych, rozległości duplikacji genów i kompozycyjnej heterogeniczności w ludzkim genomie a także rozmiaru procesu tasowania domen. Kluczowy jest niedostatek dowodów na sukcesywną specjację, będącą wynikiem ponad 13 milionów lat ewolucji Hominidae. Dane ze skamieniałości wskazują jedynie, że było wiele linii Homo, ale tylko jedna z nich przetrwała. Ponadto nie jest możliwe jednoznaczne określenie ważnych funkcjonalnie mutacji w sekwencji DNA sprzed milionów lat, które doprowadziły do powstania anatomicznie nowoczesnego człowieka. Należy się zadowolić wnioskowaniem na podstawie ostatniego wspólnego przodka (LCA – last common ancestor) szympansów i ludzi w celu analizowania kumulatywnych efektów na przestrzeni ponad 5 milionów lat ewolucji linii H. sapiens.
Genomy naczelnych dywergowały w czasie a większość ze zmian w sekwencjach, różniących spokrewnione gatunki, jest neutralna selekcyjnie lub nie przyczynia się do powstania funkcjonalnych czy fenotypowych zmian. Wielkim wyzwaniem jest oszacowanie liczby i zidentyfikowanie genów, w których zmiany doprowadziły do ewolucji specyficznych dla ludzi cech. Co różni ludzi od małp naczelnych i wczesnych hominidów? W których hominidach i kiedy w czasie ewolucji pojawiły się cechy i zachowanie charakterystyczne dla gatunku Homo? Obecnie tajemnica powstania gatunku ludzkiego wykracza poza opis i genezę cech Homo, skupiając się na analizie genetycznych mechanizmów leżących u podstaw powstawania i ewolucji H. sapiens sapiens.
Celem pracy jest ukazanie genomu człowieka jako zorganizowanego systemu modułów podlegającego zmianom ewolucyjnym. Wykazanie, że systematyczne i spontaniczne zmiany ewolucyjne w architekturze genomu człowieka powstały na drodze wielu rearanżacji w genetycznych modułach, a „inżynieria ewolucyjna” pozwala wyjaśnić jak losowe i nieprzypadkowe działania w genomie, są odpowiedzią na krytyczne czynniki środowiskowe. Opisano teorie wyjaśniające podłoże różnic w genomie człowieka i jego najbliższych krewnych – szympansów oraz przedstawiono hipotezy dotyczące pochodzenia ludzi.
Streszczenie
Zrozumienie genetycznych podstaw cech, które różnią ludzi od innych naczelnych jest jednym z największych wyzwań dla współczesnej genomiki ewolucyjnej. Genetyczna architektura genomu człowieka jest źródłem dowodów na unikalne zdarzenia molekularne w ewolucji człowieka. Analizy pozwoliły odkryć i sklasyfikować zmiany w milionach par zasad ludzkiego genomu, które przyczyniły się do ewolucji cech człowieka po specjacji linii Homo i Pan 5–7 milionów lat temu. Trzy modele pochodzenia ludzkości: ‘out of Africa’, model ”wypierania” i model „multiregionalny” przedstawiają różnorodne teorie i założenia, dotyczące chronologicznego porządku, czasu zdarzeń, przyczyn powstania danych cech hominidów. Ewolucja ludzi przedstawia ciąg powtórzonych zdarzeń specjacyjnych i morfologicznych zmian, począwszy od hominidowych przodków przez Australopithecus do Homo habilis, H. erectus, H. sapiens.
Dane na temat różnych rodzajów zmienności DNA w populacji człowieka zwiększają wiedzę, dotyczącą biologii rozwoju, medycyny i historii H. sapiens sapiens. Haploidalne markery uzyskane z mitochondrialnego DNA i chromosomu Y przyczyniły się do kreowania i uzupełnienia modelu pochodzenia i genetycznej ewolucji współczesnych ludzi. Mitochondrialne DNA i chromosom Y zostały użyte do analiz wąskiego gardła w populacji, efektu założyciela, tempa migracji i liczebności osobników w populacji przodków. Molekularne analizy zaczynają dostarczać potencjalnych danych do badań ewolucyjnych np. wspólnej ewolucji, duplikacji segmentowych, bloków syntenii, elementów ruchomych, niekodujących sekwencji.
Porównanie genomu człowieka z genomem najbliższego żyjącego krewnego – szympansa może dostarczyć hipotez na temat molekularnych zdarzeń, które podlegały ewolucyjnym zmianom. Biolodzy molekularni rozpatrują ewolucję ludzkiego genomu albo jako proces zmian w genomie człowieka, dotyczących regulacji rozwoju lub jako proces „genetycznych strat” w linii człowieka.
Nowa wizja ewolucji ludzkiego genomu to idea procesu powstawania funkcjonalnego zestawu kompleksów w genomie, w wyniku rearanżacji komponentów w niefunkcjonalnych częściach genomu. Jest to wizja „ewolucyjnej inżynierii” zamiast regularnego i stopniowego procesu zmian. Prawdopodobnie genomika porównawcza stanie się potężnym narzędziem w wyjaśnianiu ewolucyjnej historii chromosomów, poznawaniu organizacji ludzkiego genomu, przyśpieszy prace badawcze odkrywające ewolucyjną historię genów i sekwencji regulatorowych genomu człowieka.