Молекулярные митохондриальные часы человека

Молекулярные митохондриальные часы человека — это скорость, с которой мутации накапливались в митохондриальном геноме гоминидов в ходе эволюции человека . Археологические записи человеческой деятельности с ранних периодов предыстории человека относительно ограничены, и их интерпретация была спорной. Из-за неопределенностей археологических записей ученые обратились к методам молекулярного датирования, чтобы уточнить временную шкалу эволюции человека. Основной целью ученых в этой области является разработка точных молекулярных митохондриальных часов гоминидов , которые затем можно было бы использовать для уверенной датировки событий, произошедших в ходе эволюции человека.

Оценки скорости мутации митохондриальной ДНК человека (мтДНК) сильно различаются в зависимости от доступных данных и метода, используемого для оценки. Два основных метода оценки, основанные на филогении и на родословной, дали скорости мутаций, которые различаются почти на порядок . Текущие исследования были сосредоточены на разрешении высокой изменчивости, полученной из разных оценок скорости.

Основное предположение теории молекулярных часов заключается в том, что мутации в пределах определенной генетической системы происходят со статистически равномерной скоростью, и эта равномерная скорость может использоваться для датирования генетических событий. На практике предположение о единой равномерной скорости является чрезмерным упрощением. Хотя часто применяется единая скорость мутации, она часто является составной или средней из нескольких различных скоростей мутаций. ^{[1] На наблюдаемые} скорости мутаций влияют многие факторы , и эти факторы включают тип образцов, область изучаемого генома и охватываемый период времени.

Скорость, с которой мутации происходят во время воспроизводства, скорость мутаций зародышевой линии , как полагают, выше, чем все наблюдаемые скорости мутаций, потому что не все мутации успешно передаются последующим поколениям. ^[2] мтДНК передается только по материнской линии, и поэтому мутации, переданные сыновьям, теряются. Случайный генетический дрейф также может вызывать потерю мутаций. По этим причинам фактическая скорость мутаций не будет эквивалентна скорости мутаций, наблюдаемой в выборке популяции. ^[2]

Считается, что динамика популяции влияет на наблюдаемые скорости мутаций. Когда популяция расширяется, в популяции сохраняется больше мутаций зародышевой линии . В результате наблюдаемые скорости мутаций имеют тенденцию к увеличению в расширяющейся популяции. Когда популяция сокращается, как в случае с бутылочным горлышком популяции , теряется больше мутаций зародышевой линии. Таким образом, бутылочные горлышки популяции имеют тенденцию к замедлению наблюдаемых скоростей мутаций. С момента появления вида homo sapiens около 200 000 лет назад человеческая популяция увеличилась с нескольких тысяч особей, живущих в Африке, до более 8 миллиардов по всему миру. Однако расширение было неравномерным, поэтому история человеческих популяций может состоять как из бутылочных горлышек, так и из расширений. ^[3]

Скорость мутаций в митохондриальном геноме распределена неравномерно. Известно, что некоторые области генома мутируют быстрее других. Известно, что гипервариабельные области высокополиморфны по сравнению с другими частями генома.

Скорость, с которой мутации накапливаются в кодирующих и некодирующих регионах генома, также различается, поскольку мутации в кодирующем регионе подвергаются очищающему отбору . По этой причине некоторые исследования избегают мутаций в кодирующем регионе или несинонимичных мутаций при калибровке молекулярных часов. Loogvali et al. (2009) рассматривают только синонимичные мутации, они перекалибровали молекулярные часы человеческой мтДНК как 7990 лет на синонимичную мутацию по всему митохондриальному геному. ^[1] Soares et al. (2009) рассматривают мутации как кодирующего, так и некодирующего региона, чтобы прийти к единой скорости мутации, но применяют поправочный коэффициент для учета отбора в кодирующем регионе.

Было замечено, что скорость мутации меняется со временем. Скорость мутации внутри человеческого вида выше, чем скорость мутации, наблюдаемая вдоль линии человек-обезьяна. Также считается, что скорость мутации выше в последнее время, с начала голоцена 11 000 лет назад. ^{[1] [3] [4]}

Параллельная мутация (иногда называемая гомоплазией) или конвергентная эволюция происходит, когда отдельные линии имеют одну и ту же мутацию, независимо происходящую в одном и том же месте в геноме. Насыщение происходит, когда один сайт испытывает множественные мутации. Параллельные мутации и насыщение приводят к недооценке скорости мутаций, поскольку они, вероятно, будут пропущены. ^[2]

Индивиды, затронутые гетероплазмией, имеют смесь типов мтДНК, некоторые с новыми мутациями, а некоторые без них. Новые мутации могут передаваться или не передаваться последующим поколениям. Таким образом, присутствие гетероплазмических индивидуумов в образце может усложнить расчет частоты мутаций. ^{[2] [5]}

Методы генеалогического анализа оценивают частоту мутаций путем сравнения последовательностей мтДНК выборки пар родитель/потомок или путем анализа последовательностей мтДНК индивидуумов из глубоко укоренившейся генеалогии. Количество новых мутаций в выборке подсчитывается и делится на общее количество событий передачи ДНК от родителя к ребенку, чтобы получить частоту мутаций. ^{[3] [5]}

Методы на основе филогении оцениваются путем первой реконструкции гаплотипа самого последнего общего предка (MRCA) образца двух или более генетических линий. Требование заключается в том, что время до самого последнего общего предка ( TMRCA ) образца линий должно быть уже известно из других независимых источников, обычно археологических записей. Затем вычисляется среднее число мутаций, накопленных с момента MRCA , и делится на TMRCA, чтобы получить скорость мутации. Скорость мутации человека обычно оценивается путем сравнения последовательностей современных людей и шимпанзе, а затем реконструкции предкового гаплотипа общего предка шимпанзе-человека. Согласно палеонтологическим записям, последний общий предок людей мог жить около 6 миллионов лет назад. ^[3]

Показатели, полученные методами родословной, примерно в 10 раз выше, чем показатели, полученные филогенетическими методами. Несколько факторов, действующих совместно, могут быть ответственны за эту разницу. Поскольку методы родословной регистрируют мутации у живых субъектов, показатели мутаций в исследованиях родословной ближе к показателю мутаций зародышевой линии. Исследования родословной используют генеалогии, которые имеют глубину всего в несколько поколений, тогда как методы, основанные на филогении, используют временные шкалы глубиной в тысячи или миллионы лет. Согласно Хенну и др. 2009 г., методы, основанные на филогении, учитывают события, которые происходят в течение длительных временных масштабов, и, таким образом, меньше подвержены стохастическим колебаниям. Хауэлл и др. 2003 г. предполагают, что отбор, насыщение, параллельные мутации и генетический дрейф ответственны за различия, наблюдаемые между методами, основанными на родословной, и методами, основанными на филогении.

Анатомически современные люди (AMH) распространились из Африки и по большой территории Евразии и оставили артефакты вдоль северного побережья Юго-Западной, Южной, Юго-Восточной и Восточной Азии. Канн, Стоункинг и Уилсон (1987) не полагались на предсказанный T _CHLCA для оценки показателей однонуклеотидного полиморфизма (SNP). Вместо этого они использовали доказательства колонизации в Юго-Восточной Азии и Океании для оценки показателей мутаций. Кроме того, они использовали технологию RFLP ( полиморфизм длины рестрикционных фрагментов ) для изучения различий между ДНК. Используя эти методы, эта группа пришла к T _MRCA от 140 000 до 290 000 лет. Канн и др. (1987) оценили TMRCA людей примерно в 210 тыс. лет, а самые последние оценки Соареса и др. 2009 (с использованием 7-миллионной человеческой мтДНК шимпанзе MRCA) отличаются всего на 9%, что относительно близко, учитывая широкий диапазон достоверности обеих оценок и призывы к более древнему T _CHLCA .

Эндикотт и Хо (2008) переоценили предсказанные миграции в глобальном масштабе и сравнили их с фактическими доказательствами. Эта группа использовала кодирующие области последовательностей. Они постулируют, что молекулярные часы, основанные на сравнениях шимпанзе и человека, ненадежны, особенно при прогнозировании недавних миграций, таких как миграция основателей в Европу, Австралию и Америку. С помощью этой техники эта группа пришла к T _MRCA от 82 000 до 134 000 лет.

Поскольку шимпанзе и люди имеют общего предка по материнской линии, установление геологического возраста этого последнего предка позволяет оценить скорость мутации. Последний общий предок шимпанзе и человека (CHLCA) часто применяется в качестве якоря для исследований mt-T _MRCA с диапазонами от 4 до 13 миллионов лет, указанными в литературе. ^[6] Это один из источников вариаций в оценках времени. Другой недостаток — нечасовое накопление SNP, которое может привести к тому, что более поздние ветви будут выглядеть старше, чем они есть на самом деле. ^[7]

Эти два источника могут уравновешивать друг друга или усиливать друг друга в зависимости от направления ошибки T _CHLCA . Существует две основные причины, по которым этот метод широко применяется. Во-первых, показатели, основанные на родословной, не подходят для оценок за очень длительные периоды времени. Во-вторых, в то время как показатели, привязанные к археологии, представляют собой промежуточный диапазон, археологические свидетельства человеческой колонизации часто происходят намного позже колонизации. Например, считается, что колонизация Евразии с запада на восток произошла вдоль Индийского океана. Однако самые древние археологические памятники, которые также демонстрируют анатомически современных людей (AMH), находятся в Китае и Австралии, их возраст превышает 42 000 лет. Однако самый старый индийский памятник с останками AMH имеет возраст 34 000 лет, а другой памятник с археологией, совместимой с AMH, имеет возраст более 76 000 лет. ^[7] Таким образом, применение якоря является субъективной интерпретацией того, когда впервые появились люди.

Простая мера расхождения последовательностей между людьми и шимпанзе может быть связана путем наблюдения за SNP. Учитывая, что митогеном имеет длину около 16553 пар оснований (каждая пара оснований, которая может быть сопоставлена ​​с известными ссылками, называется сайтом), ^[8] формула выглядит следующим образом:

${\displaystyle rate={\frac {SNP}{(2T_{CHLCA}16553)}}}$

«2» в знаменателе получено из двух линий, человека и шимпанзе, которые отделились от CHLCA. В идеале это представляет собой накопление мутаций в обеих линиях, но в разных позициях (SNP). Пока число наблюдаемых SNP приблизительно равно числу мутаций, эта формула работает хорошо. Однако в быстро развивающихся участках мутации скрыты эффектами насыщения. Сортировка позиций в митогеноме по скорости и компенсация насыщения являются альтернативными подходами. ^[9]

Поскольку T _CHLCA может меняться с появлением дополнительной палеонтологической информации, описанное выше уравнение позволяет сравнивать TMRCA из разных исследований.

Чтобы преодолеть эффекты насыщения , анализ HVR основывался на трансверсионном расстоянии между людьми и шимпанзе. ^[10] К этому расстоянию было применено отношение перехода к трансверсии для оценки расхождения последовательностей в HVR между шимпанзе и людьми, и разделено на предполагаемый T _CHLCA от 4 до 6 миллионов лет. ^[11] На основе 26,4 замен между шимпанзе и человеком и соотношения 15:1, предполагаемые 396 переходов по 610 парам оснований продемонстрировали расхождение последовательностей в 69,2% (скорость * T _CHLCA 0,369), что дает скорость расхождения примерно от 11,5% до 17,3% за миллион лет .

Vigilant et al. (1991) также оценили скорость расхождения последовательностей для участков в быстро развивающихся регионах HVR I и HVR II. Как отмечено в таблице выше, скорость эволюции настолько высока, что насыщение участков происходит при прямом сравнении шимпанзе и человека. Следовательно, в этом исследовании использовались трансверсии, которые развиваются медленнее, чем более распространенные переходные полиморфизмы. Сравнивая митогеномы шимпанзе и человека, они отметили 26,4 трансверсии в регионах HVR, однако они не вносили поправку на насыщение. Поскольку после этого исследования было получено больше последовательностей HVR, было отмечено, что динуклеотидный участок CRS:16181-16182 испытал многочисленные трансверсии в анализе экономии, многие из которых считались ошибками секвенирования. Однако секвенирование неандертальца Feldhofer I показало, что на этом участке также была трансверсия между людьми и неандертальцами. ^[12] Кроме того, Soares et al. (2009) отметили три сайта, в которых повторяющиеся трансверсии произошли в человеческих линиях, два из которых находятся в HVR I, 16265 (12 случаев) и 16318 (8 случаев). ^{[примечание 1]} Таким образом, 26,4 трансверсий были заниженной оценкой вероятного числа событий трансверсии. Исследование 1991 года также использовало соотношение переходов к трансверсиям из исследования обезьян Старого Света 15:1. ^{[ требуется ссылка ]} Однако исследование HVR шимпанзе и гориллы показывает более низкую скорость, а исследование людей устанавливает скорость 34:1. ^[6] Таким образом, это исследование занижало уровень расхождения последовательностей между шимпанзе и человеком. Оцененное расхождение последовательностей 0,738/сайт (включая трансверсии) значительно ниже, чем ~2,5 на сайт, предложенные Соаресом и др. (2009). Эти две ошибки привели бы к переоценке митохондриального TMRCA человека. Однако им не удалось обнаружить базальную линию L0 в анализе, а также не удалось обнаружить повторяющиеся переходы во многих линиях, которые также недооценивают TMRCA. Кроме того, Vigilant et al. (1991) использовали более позднюю привязку CHLCA от 4 до 6 миллионов лет.

Частичная последовательность кодирующей области изначально дополняла исследования HVR, поскольку полная последовательность кодирующей области была редкостью. Были подозрения, что исследования HVR пропустили основные ветви, основанные на некоторых более ранних исследованиях RFLP и кодирующей области. Ingman et al. (2000) было первым исследованием, которое сравнило геномные последовательности для анализа коалесценции. Последовательность кодирующей области дискриминировала гаплогруппы M и N и макрогаплогруппы L0 и L1 . Поскольку секвенирование геномной ДНК разрешило две самые глубокие ветви, оно улучшило некоторые аспекты оценки TMRCA по сравнению с последовательностью HVR в одиночку. Исключив D-петлю и используя 5-миллионный T _CHLCA , Ingman et al. (2000) оценили скорость мутации как 1,70 × 10−8 ^на сайт в год (скорость * T _CHLCA = 0,085, 15 435 сайтов).

Однако ДНК кодирующей области оказалась под вопросом, поскольку кодирующие последовательности либо подвергаются очищающему отбору для поддержания структуры и функции, либо подвергаются региональному отбору для развития новых возможностей. ^[13] Проблема с мутациями в кодирующей области была описана следующим образом: мутации, происходящие в кодирующей области, которые не являются летальными для митохондрий, могут сохраняться, но являются отрицательно селективными для хозяина; в течение нескольких поколений они будут сохраняться, но в течение тысяч поколений они медленно удаляются из популяции, оставляя SNP. ^[6] Однако в течение тысяч поколений регионально селективные мутации могут не отличаться от этих временных мутаций кодирующей области. Проблема с редкими мутациями в митогеномах человека достаточно значительна, чтобы побудить полдюжины недавних исследований по этому вопросу.

Ингман и др. (2000) оценили эволюцию области петли не-D в 1,7 × 10 ⁻⁸ в год на участок на основе 53 неидентичных геномных последовательностей, перепредставляющих Африку в глобальной выборке. Несмотря на это перепредставление, разрешение подветвей L0 было недостаточным, и была обнаружена еще одна глубокая ветвь L1. Несмотря на эти ограничения, выборка была адекватной для исследования отличительных признаков. Сегодня L0 ограничена африканскими популяциями, тогда как L1 является предковой гаплогруппой всех неафриканцев, а также большинства африканцев. Последовательность митохондриальной Евы можно аппроксимировать, сравнив последовательность из L0 с последовательностью из L1. Путем согласования мутаций в L0 и L1. Последовательности мтДНК современных человеческих популяций будут, как правило, отличаться от последовательности митохондриальной Евы примерно на 50 мутаций. ^{[14] [15]} Скорости мутаций не были классифицированы по месту (кроме исключения регионов HVR). Значение T _CHLCA, использованное в исследовании 2000 года, 5 млн лет назад, также было ниже значений, использованных в самых последних исследованиях.

С тех пор, как стало возможным секвенировать большое количество древних митогеномов, несколько исследований оценили скорость митохондриальных мутаций, измерив, насколько больше мутаций в среднем накопилось в современных (или более поздних) геномах по сравнению с древними (или более ранними), происходящими из того же филогенетического узла. Эти исследования получили схожие результаты: центральные оценки для всей хромосомы, в заменах на сайт в год: 2,47 × 10 ⁻⁸ ; ^[16] 2,14 × 10 ⁻⁸ ; ^[17] 2,53 × 10 ⁻⁸ ; ^[18] и 2,74 × 10 ⁻⁸ . ^[19]

Молекулярный хронометраж митохондриальной ДНК подвергался критике из-за его непоследовательных молекулярных часов. ^{[20] [21] [22]} Ретроспективный анализ любого новаторского процесса выявит несоответствия. В случае митохондрий несоответствия являются аргументом из-за незнания вариации скорости и чрезмерной уверенности относительно T _CHLCA в 5 млн лет. Отсутствие исторической перспективы может объяснить вторую проблему, проблема вариации скорости - это то, что можно было решить только путем последовавшего масштабного изучения митохондрий. Количество последовательностей HVR, накопленных с 1987 по 2000 год, возросло на величину. Соарес и др. (2009) использовали 2196 митогеномных последовательностей и обнаружили 10 683 события замены в этих последовательностях. Одиннадцать из 16560 сайтов в митогеноме произвели более 11% всех замен со статистически значимой вариацией скорости в пределах 11 сайтов. ^{[примечание 2]} Они утверждают, что существует скорость мутации нейтрального сайта, которая на порядок ниже скорости, наблюдаемой для самого быстрого сайта, CRS 16519. Следовательно, если отбросить очищающий отбор, сама скорость мутации варьируется между сайтами, при этом несколько сайтов с гораздо большей вероятностью подвергаются новым мутациям по сравнению с другими. ^[23] Соарес и др. (2009) отметили два участка ДНК, CRS 2651-2700 и 3028-3082, в которых не было SNP в 2196 митогеномных последовательностях.