Hvornår opstod genetiske variationer, der gør os til mennesker?

Studiet af genomerne fra vores nærmeste slægtninge, neandertalerne og denisovanerne, har åbnet nye forskningsveje, der kan udvide vores forståelse af Homo sapiens' evolutionære historie. En undersøgelse ledet af UB har lavet en vurdering af tidspunktet, hvor nogle af de genetiske varianter, der karakteriserer vores art, dukkede op. Det gør det ved at analysere mutationer, der er meget hyppige i moderne menneskelige befolkninger, men ikke i disse andre arter af arkaiske mennesker.

Resultaterne, offentliggjort i tidsskriftet Scientific Reports , viser to øjeblikke, hvor mutationer akkumulerede:et for omkring 40.000 år siden, forbundet med væksten af ​​Homo sapiens-befolkningen og dens afgang fra Afrika, og et ældre, for mere end 100.000 år siden, relateret til tiden med den største mangfoldighed af typer af Homo sapiens i Afrika.

"Forståelsen af ​​vores arts dybe historie udvides hurtigt. Det er dog svært at afgøre, hvornår de genetiske varianter, der adskiller os fra andre menneskearter, opstod. I denne undersøgelse har vi placeret artsspecifikke varianter på en tidslinje. Vi har opdaget, hvordan disse varianter akkumuleres over tid, hvilket afspejler begivenheder såsom divergenspunktet mellem Homo sapiens og andre menneskelige arter for omkring 100.000 år siden," siger Alejandro Andirkó, førsteforfatter til denne artikel, som var en del af hans doktorafhandling ved UB .

Undersøgelsen, ledet af Cedric Boeckx, ICREA forskningsprofessor i sektionen for generel lingvistik og medlem af Institut for komplekse systemer i UB (UBICS), omfattede deltagelse af Juan Moriano, UB-forsker, Alessandro Vitriolo og Giuseppe Testa, eksperter fra universitetet i Milano og det europæiske institut for onkologi, og Martin Kuhlwilm, forsker ved universitetet i Wien.

Overvejende adfærds- og ansigtsrelaterede variationer

Resultaterne af forskningsstudiet viser også forskelle mellem evolutionære perioder. Specifikt fremhæver de overvægten af ​​genetiske varianter relateret til adfærd og ansigtsstruktur - nøglekarakteristika i differentieringen af ​​vores art fra andre menneskelige arter - for mere end 300.000 år siden, en dato der falder sammen med de tilgængelige fossile og arkæologiske beviser. "Vi har opdaget sæt af genetiske varianter, som påvirker udviklingen af ​​ansigtet, og som vi har dateret for mellem 300.000 og 500.000 år siden, perioden lige før dateringen af ​​de tidligste fossiler af vores art, såsom dem, der blev opdaget ved Jebel Irhoud arkæologiske område i Marokko," bemærker Andirkó.

Forskerne analyserede også varianter relateret til hjernen, det organ, der bedst kan hjælpe med at forklare nøgletræk ved det rige repertoire af adfærd forbundet med Homo sapiens. Specifikt daterede de varianter, som medicinske undersøgelser udført i nutidens mennesker har knyttet til volumenet af lillehjernen, corpus callosum og andre strukturer. "Vi fandt ud af, at hjernevæv har en særlig genomisk ekspressionsprofil på forskellige tidspunkter i vores historie; det vil sige, at visse gener relateret til neural udvikling var mere udtrykt på bestemte tidspunkter," siger forskeren.

Understøttelse af den mosaiske karakter af udviklingen af ​​Homo sapiens

Disse resultater supplerer en idé, der er dominerende i evolutionær antropologi:at der ikke er nogen lineær historie om menneskelige arter, men at forskellige grene af vores evolutionære træ eksisterede side om side og ofte krydsede hinanden. "Breden af ​​rækken af ​​menneskelig mangfoldighed i fortiden har overrasket antropologer. Selv inden for Homo sapiens er der fossiler, såsom dem, jeg nævnte tidligere fra Jebel Irhoud, som på grund af deres træk blev anset for at tilhøre en anden art. Det er derfor, vi siger, at mennesker har levet en mosaik-evolution," bemærker han.

"Vores resultater," fortsætter forskeren, "giver et billede af, hvordan vores genetik ændrede sig, hvilket passer til denne idé, da vi ikke fandt tegn på evolutionære ændringer, der afhang af en eller flere nøglemutationer," siger han.

Anvendelse af maskinlæringsteknikker

Metoden, der blev brugt i undersøgelsen, var baseret på en Genealogical Estimation of Variant Age-metode, udviklet af forskere ved University of Oxford. Da de havde fået denne vurdering, anvendte de et maskinlæringsværktøj til at forudsige, hvilke gener der har ændret sig mest i bestemte tidsvinduer, og hvilke væv disse gener kan have påvirket. Specifikt brugte de ExPecto, et dybt læringsværktøj, der bruger et foldningsnetværk - en type beregningsmodel - til at forudsige genekspressionsniveauer og funktion ud fra en DNA-sekvens.

"Da der ikke er data om det genomiske udtryk af varianter i fortiden, er dette værktøj en tilgang til et problem, som ikke er blevet behandlet indtil nu. Selvom brugen af ​​maskinlæringsforudsigelse er stadig mere almindelig i den kliniske verden, så vidt som vi ved, ingen har forsøgt at forudsige konsekvenserne af genomiske ændringer over tid," bemærker Andirkó.

Betydningen af ​​den perinatale fase i hjernens udvikling af vores art

I et tidligere studie brugte det samme UB-hold sammen med forskeren Raül Gómez Buisán genomisk information fra arkaiske mennesker. I det studie analyserede de genomiske ørkener, områder af genomet af vores art, hvor der ikke er genetiske fragmenter af neandertalere eller denisovaner, og som desuden har været udsat for positivt pres i vores art:det vil sige, de har akkumuleret flere mutationer end ville have været forventet af neutral evolution. Forskerne studerede ekspressionen af ​​gener - dvs. hvilke proteiner koder for forskellige funktioner - fundet i ørkenområder gennem hjernens udvikling, fra prænatale til voksenstadier, der dækker seksten hjernestrukturer. Resultaterne viste forskelle i genekspression i cerebellum, striatum og thalamus. "Disse resultater sætter fokus på relevansen af ​​hjernestrukturer ud over neocortex, som traditionelt har domineret forskning i udviklingen af ​​den menneskelige hjerne," siger Juan Moriano.

Desuden blev de mest slående forskelle mellem hjernestrukturer fundet på prænatale stadier. "Disse resultater tilføjer nye beviser til hypotesen om en artsspecifik bane for hjerneudvikling, der finder sted på perinatale stadier - perioden fra 22 uger til slutningen af ​​de første fire uger af neonatallivet - som ville resultere i en mere kugleformet hovedform hos moderne mennesker, i modsætning til den mere aflange form, man ser hos neandertalere,« slutter Moriano.