genelor

  • obiecte
  • abstract
  • introducere
  • Rezultatul
  • discuţie
  • metode
  • Mai multe detalii
  • Informatii suplimentare
  • Fișiere PDF
  • Informatii suplimentare
  • Fișiere Excel
  • Tabelele suplimentare
  • Comentarii

obiecte

  • Genetica evolutivă
  • Genetica populației

abstract

Oamenii au mai multe copii ale genelor amilazei decât alte primate. Cu toate acestea, nu este încă complet clar când numărul de exemplare a fost extins și dacă distribuția sa s-a îmbunătățit prin selecție. Aici, evaluăm numărul de copii ale amilazei dintr-un eșantion global de 480 de genomi cu acoperire ridicată și constatăm că regiunile care înconjoară locusul amilazei prezintă o reducere semnificativă a diversității genetice atât în ​​populațiile africane, cât și în cele africane. Analiza variației genetice în aceste zone susține un model de maturare selectivă timpurie în linia umană după separarea oamenilor de neandertalieni, ceea ce a dus la fixarea mai multor copii ale AMY1 în locul unei singure copii. Am găsit dovezi ale pierderii secundare multiple a numărului de copii cu cea mai mare frecvență (52%) a ștergerii AMY2A și a numărului de copii AMY1 scăzut asociat în populațiile cu amidon redus din regiunea Siberiană de nord-est.

Alfa-amilazele, denumite în continuare amilaze, sunt exprimate în glandele salivare și în pancreas de gene din familia genelor AMY, care la om are un număr variabil de copii ale genelor care se localizează împreună ca un grup îngust într-o regiune de aproximativ 200 kb pe ansamblu de referință al cromozomului 1. Copii ale genei AMY1 sunt exprimate în glandele salivare și permit descompunerea carbohidraților în zaharuri simple înainte de ingestie. Copiile AMY2 sunt exprimate în pancreas și au același scop în duoden. Comparativ cu alte maimuțe, locusul AMY este extins semnificativ la om, cu niveluri ridicate de variație a numărului de copii (CNV) găsite în și între populațiile 1, 2, 3, 4, 5, 6. Mai multe studii au arătat că un număr mai mare de copii ale genei AMY1 determină o expresie crescută a amilazei în salivă, ceea ce va permite o digestie mai eficientă a alimentelor bogate în amidon 1, 7. Cu toate acestea, efectul fenotipic mai larg al amilazei asupra CNV este încă neînțeles deoarece rapoartele inițiale privind asocierea numărului de copii AMY1 cu indicele de masă corporală și riscul de obezitate 7, 8 nu au reușit să reproducă 4 .

Amplificarea numărului de copii ale amilazei ar fi putut începe la începutul istoriei evoluției umane, în timpul Pleistocenului. Deoarece eficiența amilazei salivare este semnificativ crescută în digestia amidonului gătit, mai degrabă decât a amidonului crud 12, s-a sugerat că propagarea genelor amilazei ar deveni selectiv avantajoasă ca sursă de energie pentru a menține dimensiunea creșterii creierului numai după ce s-a extins gătitul. Deși cea mai timpurie utilizare a focului de către hominini a fost prevăzută la 1, 9 MYA 13, cele mai vechi dovezi ale utilizării consecvente și repetate a șemineelor ​​sunt mai noi și încep să apară în Pleistocenul Mijlociu, doar aproximativ 300 KYA 14. Relația dintre alimentele gătite și dimensiunea creierului hominin a făcut obiectul unor ample cercetări antropologice 13, 15, 16, 17. Având în vedere dovezile arheologice, antropologice și genetice disponibile până în prezent, Hardy și colab. 9 a emis ipoteza că extinderea tuberculilor bogați în amidon, combinată cu câștigul mai multor copii AMY1 de către predecesorii noștri, ar putea facilita creșterea rapidă a dimensiunii creierului la începutul Pleistocenului Mijlociu de aproximativ 800 KYA înainte de divizarea oamenilor moderni. și neanderthalieni.

Modelele de variație genetică acumulate în locusul AMY și flancurile sale, găsite în diferite populații umane, pot fi informative pentru a aborda aceste posibilități diferite. În timp ce studiile anterioare 1, 3, 4 ne-au furnizat primele informații despre distribuția globală a CNV la AMY, datele sunt încă suficient de acoperite de regiuni mari precum Siberia, Asia de Sud-Est și America. În acest studiu, folosim date de secvență cu acoperire ridicată de la 480 de indivizi din eșantioane din întreaga lume pentru a căuta dovezi ale unor semnale recente sau vechi de selecție pozitivă la locul amilazei. Confirmăm fiabilitatea estimării numărului de copii ale genelor AMY1, AMY2A și AMY2B din datele despre adâncimea de citire prin genotiparea unui subset de 68 de probe cu teste de raport paralog și metode de testare microsatelite. Prin evaluarea diversității, vârstei și afinității haplotipurilor asociate cu un număr mare și scăzut de copii AMY1 la oameni arhaici, examinăm dacă haplotipurile asociate cu numărul actual de copii ancestrale pot fi explicate prin retenția haplotipului ancestral, introgresiunea de la hominele arhaice, datorită convergenței în loc.

Rezultatul

Pentru a face lumină suplimentară asupra întrebării dacă locusul AMY a făcut obiectul unei selecții umane pozitive recente, am examinat mai întâi amploarea diferențierii genetice a populațiilor umane la locusul AMY în contextul altor loci genetici din setul global de date 480 genomi cu acoperire ridicată 19 (Tabelul S1). Am comparat valorile maxime Fst ale SNP-urilor în regiunile de 200 kb care înconjoară imediat locusul AMY cu distribuția valorilor similare obținute din datele genomului întreg și am constatat că regiunile genomice care înconjoară genele amilazei sunt caracterizate la nivel global de semnificative (χ 2 –Test, p 1, care ar prezice valori ridicate ale F st în grupurile noastre din Asia de Sud-Est și Siberianul de Nord-Est, și niciuna dintre populațiile chestionate nu a arătat un semnal al unei selecții pozitive recente în

„Site AMY” se referă la date de la trei segmente adiacente de 200 kb din regiunea Chr1: 103 800 000 - 104 400 000. Distribuția scorurilor F F maxime de 200 kb zone este prezentată în coșul 0,05. Doar 5% semnificativ (punctat roșu) linie) estimarea F ST pentru locusul AMY provine dintr-o comparație între Siberia africană și nord-estică pe segmentul Chr1: 104.000.000 - 104.200.000.

Imagine la dimensiune completă

Tabel în dimensiune completă

Pe axa y este suma frecvenței alele derivate la toți loci polimorfi din datele africane despre 1000 de genomi, estimată la 50.000 bp de segmente ne-suprapuse ale cromozomului 1, în ceea ce privește abaterea secvenței de referință umană de la secvența strămoșească (determinată prin consensul a 6 primate). Linia punctată roșie indică pragul de 1% în ceea ce privește distribuția empirică în întregul genom. Au fost luate în considerare doar acele segmente de 50.000 bp care conțineau peste 90% din site-urile din datele umane, Altai Neanderthal și Denisovan.

Imagine la dimensiune completă

Analizele s-au limitat la variantele bi-alelice ale SNP-urilor din regiunea lungă LD-66 kb (Chr1: 104, 303, 310-104, 369, 301), care se află în aval de gena (centromerică) AMY1C (Figura S1). Estimările timpului de coalescență sunt date în apropierea punctelor ramificate și se presupune o rată de mutație de 5,5 x 10 −10 per bp pe an 34. BSP - grafic panoramic bayesian; linia groasă maro arată estimările medii ale dimensiunii efective a populației (N e) x generația (axa y) în timp (axa x)), estimată din datele zonei

66 kb într-un eșantion global de 480 de persoane. Zona gri colorată în jurul liniei maronii prezintă intervale de 95% ale densității din spate a estimării BSP cu 95%. Săgeata albastră punctată evidențiază o ramură a filogeniei umane care a fost o sursă probabilă de introgresiune a pieselor.

16 kb (Chr1: 104, 350, 432-104, 366, 871) în genomul Neanderthal din Altai.

Imagine la dimensiune completă

Tabel în dimensiune completă

Imagine la dimensiune completă

Tabel în dimensiune completă

Tabel în dimensiune completă

discuţie

În concluzie, găsim dovezi ale diversității neobișnuit de scăzute a secvenței în regiunile care delimitează locusul numărului copiei amilazei într-o populație globală de populații umane. Scorurile marcat negative ale Tajima D la africani, prezența diferențelor fixe între oamenii moderni și arhaici și data tânără coalescentă în descendența umană modernă sugerează că locusul amilazei a suferit o intervenție selectivă după separarea oamenilor de neanderthalieni. Este probabil că această propagare selectivă, care a fixat mai multe copii ale genei AMY1 în liniile umane moderne, a fost asociată cu schimbări dietetice și procesarea secvențelor de prelucrare pentru tuberculi bogați în amidon, inclusiv, de exemplu, măcinarea, levigarea și gătitul.

metode

Pentru a estima vârsta haplotipurilor asociate cu originile copiei genelor AMY1, AMY2A și AMY2B, am folosit date de acoperire de fază ridicată pentru 480 de secvențe genomice complete determinate folosind platforma Complete Genomics 19. Am examinat mai întâi modelele de dezechilibru obligatoriu folosind statisticile D '(Figura S1), în regiune

100 kb în sus și dincolo de site-ul AMY, pentru a defini limitele regiunii de dezechilibru obligatoriu extrem de ridicat în datele noastre globale. kit pentru analize suplimentare bazate pe haplotipuri. Statistica D 'a fost calculată pentru SNP bilelici care au avut MAF> 0,1 în eșantionul nostru global. Aceste analize au identificat o zonă cu

66 kb (Chr1: 104, 303, 310-104, 369, 301) în aval de locusul AMY cu o medie ridicată (D '= 0,992) LD între SNP-uri. Mai ales SNP din zonă

66 kb prezintă, de asemenea, o medie relativ ridicată (D '= 0,839) LD cu un SNP din regiunea 150 kb (Chr1: 104.000 001 - 104.150.000) înainte de locusul variabil al numărului de copii AMY, indicând o asociere puternică pe distanțe mari. Folosind versiunea BEAST 1.8 33 am determinat relațiile filogenetice și vârsta haplotipurilor originale din zonă

66 kb. Pentru toate calculele de vârstă, am utilizat o rată de mutație de 5,5 x 10 x 10/bp/an 34 cu ceasuri lognormale lansate și un model liniar Bayesian Skyline cu 10 grupuri. Arborii derivă cel mai probabil din RAxML în. 7.8.6 35. Au fost efectuate opt analize BEAST independente pentru 100 de milioane de iterații, eșantionând la fiecare 5.000 de pași. După vizionarea în Tracer v1.6 33, rezultatele din experimente independente au fost combinate folosind LogCombiner v1.8.0 cu o arsură de 20%. Apoi, comploturile Bayesian Skyline au fost reconstruite în Traceri, ceea ce a confirmat că valorile ESS au fost peste 200.

Pentru a obține numărul de copii ale genelor AMY1, AMY2A și AMY2B, am folosit date cu secvență de acoperire ridicată pentru 480 de indivizi din 125 de populații de probe mondiale19. Un subset de 68 de probe de ADN din Siberia, Asia de Sud-Est și Anzi au fost supuse în continuare unei analize a raportului paralog și analize microsatelite pentru a determina modificarea numărului de copii la locusul AMY folosind metodele descrise în altă parte 3. Consimțământul informat a fost obținut de la toți subiecții umani testați aici, iar lucrările genomice asupra ADN-ului lor au fost aprobate de comitetele de etică ale Institutului pentru Probleme Biologice ale Academiei de Științe a Rusiei de Nord din Magadan (Declarația nr. 001)./011 din 21 ianuarie 2011) și Comitetul de etică al cercetării etice AMIS-UPS, Universitatea din Toulouse, Paul Sabatier (aprobare etică nr. 005/011). Toate analizele genetice și manipulările datelor au fost efectuate în conformitate cu liniile directoare relevante aprobate de Comisia de Etică a Cercetării Etice Cambridge (HBREC.2011.01).

Pentru a determina numărul de copii ale AMY1, AMY2A și AMY2B din datele despre adâncimea de citire, am folosit metrica „acoperire relativă” (R) dată în CG. Datorită faptului că genomul de referință conține trei copii haploide ale genelor AMY1 (AMY1A, AMY1B, AMY1C), numărul de copii combinate al AMY1 per genom diploid a fost determinat folosind (R AMY1A/R AMY2B) × 6. Această metodă a dat lui Pearson coeficient de corelație r = 0, 92 cu rezultate bazate pe testul raportului paralog AMY1. Toate cele 68 de probe testate au avut două copii de AMY2B prin citirea raporturilor de adâncime și de raport paralog. Numerele de copii AMY2A derivate din ieșirea CG au arătat coeficientul de corelație Pearson r = 0,85 cu rezultatele testului.

Pentru a detecta haplotipurile împotriva cărora se produce ștergerea AMY2A (Tabelul 3), am determinat faza ștergerilor AMY2A în contextul datelor fazate pentru 891 SNP binare în regiunea Chr1: 104, 303, 310-104, 369, 301 (hg19 ). Am estimat mai întâi genotipul ștergerii AMY2A pentru fiecare persoană secvențiată scăzând numărul de copie AMY2B dedus din adâncimea de citire din numărul de copie AMY2A. Probele cu același număr sau mai mare de copii de AMY2A au fost atribuite ca purtători de ștergere homozigotă, indivizi cu o singură diferență ca heterozigoți și indivizi cu două copii AMY2B suplimentare ca homozigoti pentru ștergere. Beagle 4.1 36 a fost utilizat pentru a faza eșantioane heterozigote și pentru a imita eșantioane cu informații AMY2A lipsă .

Mai multe detalii

Cum se citează acest articol: Inchley, CE și colab. Urmează măturarea selectivă a genelor amilazei umane după clivajul neanderthalian. Știință. reprezentant. 6, 37198; doi: 10, 1038/srep37198 (2016).

Nota editorului: Springer Nature rămâne neutru în revendicările de jurisdicție în hărțile publicate și asociațiile instituționale.