Genomiikka ja koneoppiminen rekonstruoivat aineenvaihduntamekanismit, jotka mahdollistivat Homo Sapiensin asuttamisen Pohjois-Siperiassa

Asua alueella, jossa talvella lämpötila voi laskea 70 astetta pakkasta Eristetty asuminen, riittävä vaatetus ja energiapitoinen ruoka eivät riitä. Sukupolvien kuluessa ihmisorganismi voi myös muokata biologista toimintaansa. Tämä käy ilmi genomin analyysistä Jakuuti, Koillis-Siperiasta kotoisin oleva populaatio, jossa on tunnistettu lämmöntuotantoon, insuliinivasteeseen ja lipidiaineenvaihduntaan liittyviä geneettisiä variantteja.

Tutkimusta koordinoiBolognan yliopisto ja julkaistu Biologian viestintä, ei selitä kylmään sopeutumista yksittäisellä mutaatiolla. Sen sijaan se rekonstruoi arkkitehtuurin polygeeninenlukuisat variantit, joilla kullakin on rajallinen vaikutus, vaikuttavat yhdessä toisiinsa liittyviin fysiologisiin toimintoihin. Algoritmit koneoppiminen Ne auttoivat tunnistamaan nämä suhteet genomiaineiston sisällä, jota oli vaikea tulkita menetelmillä, jotka perustuivat vain yksittäisten geenien analyysiin.

Löytö auttaa selittämään yhden lajimme historian haastavimmista vaiheista. Homo sapiens Se kehittyi Afrikassa, pääasiassa trooppisessa ilmastossa, mutta leviämisensä aikana se saavutti subarktiset ympäristöt, joille on ominaista pitkät talvet, kausittainen resurssien niukkuus ja erittäin korkea energiantarve. Arkeologiset todisteet osoittavat ihmisen läsnäolon nykyisen alueen alueella. Sahan tasavalta, joka tunnetaan myös nimellä Jakutia, jo noin 45.000 vuotta sitten.

Monet koordinoidut variantit korvaavat ratkaisevan geenin

Klassisissa luonnonvalinnan tutkimuksissa on usein etsitty erityisen selkeitä signaaleja yksittäisten edullisten mutaatioiden ympärillä. Tämä malli toimii hyvin, kun variantti tuottaa voimakkaan ja tunnistettavan biologisen vaikutuksen, mutta se kuvaa vain osan ihmisen evoluutiosta. Monimutkaiset ominaisuudet, kuten kehon lämpötilan säätely, energia-aineenvaihdunta tai hormonaalinen vaste, riippuvat monien geenien sekä ympäristöön, kulttuuriin ja käyttäytymiseen liittyvien tekijöiden vuorovaikutuksesta.

Bolognan ryhmä yhdisti sitten erilaisia ​​päättelymenetelmiä tunnistaakseen geenijoukot, jotka esittivät sekä valintasignaalit molemmat johdonmukaisia ​​toiminnallisia suhteita. Tutkimuksessa verrattiin Koillis-Siperian jakuuttien genomeja Venäjän populaatioiden tietoihin ja erotettiin ainutlaatuisimmat mekanismit niistä, joita on jaettu muiden pohjoiseuraasian ryhmien kanssa.

Analyysin ytimessä ei siis oletettu "kylmägeeni", yksinkertainen ilmentymä, joka ei selittäisi havaittua biologista monimutkaisuutta. Kyky kestää äärimmäisiä lämpötiloja näyttää riippuvan koordinoiduista muunnelmista, jotka säätelevät useita aineenvaihduntareittejä. Evoluution etu syntyy niiden kokonaisvaikutuksesta, ei kunkin yksittäisen geenin erillisestä vaikutuksesta.

”Näitä biologisia ominaisuuksia säätelee lukuisten geneettisten varianttien synergistinen vaikutus useisiin geeneihin, joista jokaisella erikseen on merkityksetön vaikutus, mutta joka osoittautuu tärkeäksi yhdistettynä muiden vaikutukseen”,

hän selitti Giulia Ferrarettminä, tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja.

Polygeeninen sopeutuminen voi vakiintua nopeammin kuin silloin, kun populaation on odotettava yhden uuden mutaation ilmaantumista ja leviämistä. Luonnonvalinta voi vaikuttaa jo olemassa oleviin variantteihin geneettisessä rakenteessa ja muuttaa niiden esiintymistiheyttä asteittain, kun tietty yhdistelmä suosii selviytymistä ja lisääntymistä. Tämä mekanismi on saattanut liittyä ihmisten muuttoliikkeeseen ilmastoihin, jotka poikkeavat merkittävästi heidän alkuperäisestä afrikkalaisesta syntyperästään.

Laskennallisten työkalujen käyttö ei korvaa biologista tulkintaa. Algoritmit voivat tunnistaa kuvioita tuhansien varianttien välillä, mutta tuloksia on verrattava tunnettuihin geenitoimintoihin, populaatioiden demografiseen historiaan sekä mahdollisiin muuttoliikkeen, eristäytymisen ja risteytymisen jättämiin jälkiin. ricerca ja sviluppo Genomiikka liikkuu siis antropologian, tilastotieteen, molekyylibiologian ja edistyneen laskennan risteyksessä.

Kilpirauhanen, insuliini ja ruskea rasva tukevat termogeneesiä

Havaitut yhdistelmät ovat ensisijaisesti kiinnostavia raportoinnissa kilpirauhashormonit, jotka edistävät perusaineenvaihdunnan ja energiankulutuksen säätelyä. Ilmoitettuihin geeneihin kuuluvat THRB e RCAN2Muita signaaleja ovat vaste insuliinille geenien, kuten INSR e NFKB1ja ehdottavat prosessien modulointia, joilla solut imevät ja käyttävät glukoosia.

Pitkittynyttä kylmää säätäessä lämmön tuottaminen vaatii aineenvaihdunnallista polttoainetta. Kehon on mobilisoitava ravinteita, jaettava ne kudoksiin ja muunnettava osa niistä lämpöenergiaksi sen sijaan, että se varastoisi niitä tai käyttäisi niitä muihin toimintoihin. Riittävä insuliinivaste voi helpottaa glukoosin hyväksikäyttöä, kun taas kilpirauhasen säätely vaikuttaa aineenvaihdunnan kokonaisvaltaiseen voimakkuuteen.

Tutkimuksessa kerrotaan myös ERBB4, geeni, joka liittyy erilaistumiseen ruskea rasvakudosToisin kuin valkoinen rasva, joka on ensisijaisesti erikoistunut energian varastointiin, ruskea rasva sisältää lukuisia mitokondrioita ja voi haihduttaa energiaa lämmön muodossa. Tätä prosessia kutsutaan termogeneesi ilman vilunväristyksiä, auttaa ylläpitämään kehon lämpötilan vakautta turvautumatta yksinomaan tahattomiin lihassupistuksiin.

Toinen tekijä koskee GPAT3, osallistuvat glyserolipidien aineenvaihduntaan. Lipidit ovat välttämätön energiavaranto, kun kehon lämpötilan ylläpitäminen vaatii pitkäaikaista kulutusta. Tunnistetut variantit eivät yksinään osoita mitattavissa olevaa yksilöllisen jäätymiskestävyyden lisääntymistä, vaan ne muodostavat toiminnallisen kehyksen, joka on yhdenmukainen lisääntyneen lämmöntuotannon ja energialähteiden tehokkaamman käytön kanssa.

Ero on tärkeä. Genomianalyysi tunnistaa valinnan jättämiä jälkiä ja yhteyksiä toisiinsa liittyviin biologisiin reitteihin kuuluvien geenien välillä. Se ei ole kliininen koe, jossa yksilöt altistetaan kylmälle aineenvaihdunnan, lämpötilan ja hormonaalisen vasteen suoraksi mittaamiseksi. Kirjoittajat puhuvat itse asiassa viitteistä mekanismeista, jotka ovat saattaneet edistää sopeutumista, eivätkä lopullisesta selityksestä kaikille populaatiossa havaittaville fysiologisille eroille.

Myös kulttuurikäytännöillä ja aineellisilla olosuhteilla oli ratkaiseva rooli. Vaatetus, tulenvalvonta, asumismuodot, ruokavalio, vuodenaikojen vaihtelu ja sosiaalinen organisaatio vähensivät altistumista ilmastonmuutokselle ja tekivät muuten vihamielisistä alueista asumiskelpoisia. Biologinen evoluutio ei toiminut erillään kulttuurista: nämä kaksi ulottuvuutta olivat vuorovaikutuksessa, muuttaen sekä ympäristörasitusta että selviytymismahdollisuuksia.

Neandertalilaisilta peräisin olevia variantteja, jotka ovat hyödyllisiä korkeilla leveysasteilla

Jotkin jakuuteilla havaituista varianteista ovat harvinaisia ​​useimmissa nykyihmispopulaatioissa, mutta niitä esiintyy genomeissa Neanderthal tähän mennessä sekvensoitu. Tiedot viittaavatgeneettinen introgressioeli perinnöllisen materiaalin siirtymistä, joka tapahtui risteytymisen kautta eri ihmisryhmien välillä.

Kun Homo sapiens lähti Afrikasta ja saapui Euraasiaan, he kohtasivat neandertalilaisia, jotka olivat eläneet mantereella satoja tuhansia vuosia. Nämä ryhmät olivat käyneet läpi toistuvia jääkauden ja jäätiköiden välisiä vaiheita. Valinnalla oli siksi paljon enemmän aikaa vaikuttaa variantteihin, jotka sopivat yhteen matalien lämpötilojen, voimakkaan kausivaihtelun ja vaihtelevan ravinnon saatavuuden kanssa.

Risteytys tarjosi tulokkaille mahdollisuuden hankkia geneettisiä yhdistelmiä, jotka olivat jo altistuneet tälle pitkäaikaiselle ympäristöpaineelle. Evoluution kannalta ei ollut välttämätöntä kehittää kaikkia sopeutumisia pelkästään afrikkalaisissa populaatioissa esiintyvän vaihtelun perusteella: joitakin hyödyllisiä ominaisuuksia voitiin sisällyttää Homo sapiensin geneettiseen rakenteeseen ja myöhemmin luonnonvalinta suosi niitä.

”Neandertalilaisten geneettisen materiaalin tunkeutuminen nykyisten Euraasian populaatioiden esi-isien geenivarastoon suosi ja oletettavasti kiihdytti niiden Homo sapiens -ryhmien biologista sopeutumista kylmyyteen, jotka pyrkivät asteittain siirtymään yhä korkeammille leveysasteille.”

sanoi Marco Sazzini, antropologian apulaisprofessoriBolognan yliopisto ja tutkimuskoordinaattori.

Neandertalilaisten panosta ei pidä tulkita täydellisenä ja muuttumattomana ominaisuuspakettina. Introgressiiviset variantit yhdistyivät uudelleen Homo sapiens -varianttien kanssa tuhansien sukupolvien aikana. Jotkut katosivat, toiset pysyivät neutraaleina ja jotkin lisääntyivät esiintymistiheydeltään, koska ne olivat hyödyllisiä tietyissä ympäristöissä. Nykyinen jakauma on sekoittumisen, valinnan, geneettisen ajautumisen ja väestöhistorian yhdistelmä.

Tutkimus vahvistaa siten ihmisen evoluution verkostomaista tulkintaa. Lajimme leviäminen ei ollut yksinkertainen lineaarinen aiempien populaatioiden korvaaminen, vaan siihen liittyi kohtaamisia, geneettistä vaihtoa ja sitä seuraavaa biologista uudelleenmuokkautumista. Osa kyvyistä, jotka mahdollistivat pohjoisen Euraasian asuttamisen, on saattanut olla peräisin juuri tästä yhteisestä perinnöstä.

Evoluutiogenomiikka yhdistää menneisyyden, terveyden ja ilmaston

Ymmärrys siitä, miten populaatiot ovat sopeutuneet äärimmäisiin olosuhteisiin, ei ole pelkästään menneisyyden rekonstruointia. Samat termogeneesiin liittyvät aineenvaihduntareitit osallistuvat myös glukoosin, lipidien ja insuliiniherkkyyden säätelyyn. Tietyissä ekologisissa olosuhteissa valitut variantit voivat siksi vaikuttaa myös nykyaikaiseen alttiuteen aineenvaihduntahäiriöille, erityisesti silloin, kun ruokavalio, fyysinen aktiivisuus ja elinympäristöjen lämpötila muuttuvat.

Olisi virheellistä automaattisesti päätellä terveyshyötyä tai -haittaa variantin olemassaolosta. Subarktisessa ympäristössä ja perinteisessä taloudessa hyödyllinen ominaisuus voi tuottaa erilaisia ​​vaikutuksia lämpimissä kaupungeissa, joissa ruokaa on jatkuvasti saatavilla ja elämäntapa on istuva. Täsmälääketieteen on vältettävä deterministisiä tulkintoja ja otettava huomioon genomin, sosiaalisten olosuhteiden, ympäristöaltistuksen ja käyttäytymisen välinen vuorovaikutus.

Tutkimus tarjoaa myös metodologisen viitekehyksen muiden ihmisen sopeutumismuotojen tutkimiseen: hypoksiaan korkeissa korkeuksissa, ultraviolettisäteilyyn, taudinaiheuttajiin, ravintoainepuutoksiin tai tiettyihin ruokavalioihin. Kaikissa näissä tapauksissa keskittyminen vain ilmeisimpiä vaikutuksia omaaviin mutaatioihin voi jättää huomiotta varianttien verkostot, jotka muuttavat koordinoidusti kokonaisia ​​fysiologisia prosesseja.

Työkalut laskennallinen analyysi Nykyään ne mahdollistavat valintasignaalien yhdistämisen, geenien välisten toiminnallisten suhteiden ja vertailujen tekemisen muinaisten genomien kanssa. Näiden algoritmien arvo riippuu kuitenkin näytteiden laadusta ja sisällytettyjen populaatioiden edustavuudesta. Monet maailmanlaajuiset genomiarkistot ovat edelleen puolueellisia eurooppalaista alkuperää olevien ryhmien suhteen, kun taas maantieteellisesti syrjäiset tai numeerisesti pienet yhteisöt ovat usein aliedustettuina.

Tietokantojen laajentaminen herättää myös eettisiä kysymyksiä. DNA ei ole mikä tahansa yksilöllinen tieto: se sisältää elementtejä, joita jaetaan perheenjäsenten ja yhteisöjen kanssa, sitä voidaan käyttää uudelleen muihin kuin alkuperäisiin tarkoituksiin, ja se voi johtaa sopimattomiin luokitteluihin. Tietoinen suostumus, tutkittujen populaatioiden osallistuminen, näytteiden käytön hallinta ja tulosten raportointi ovat siksi olennaisia ​​tieteellisen laadun kannalta, eivätkä pelkästään hallinnollisia velvoitteita.

Jakuuttien tapauksessa tulokset kuvaavat kollektiivisen sopeutumisen historiaa, eivät populaatioiden biologista järjestystä. Jokaisella ihmisryhmällä on erilaisia ​​yhdistelmiä, jotka ovat syntyneet muuttoliikkeen, eristäytymisen, sekoittumisen ja ympäristöpaineiden seurauksena. Populaation sisäiset geneettiset erot ovat edelleen suuria, kun taas monimutkaiset ominaisuudet tekevät mahdottomaksi antaa yksilölle tarkkoja kykyjä pelkästään hänen etnisen alkuperänsä perusteella.

Teos, jonka on allekirjoittanut Giulia Ferraretti, Marta Alberti, Rosita Cicolini, Sabrina Pognant Viù, Stefania Sarno e Marco Sazzini Ennen kaikkea se osoittaa, kuinka trooppisilla alueilla kotoisin oleva laji onnistui laajentamaan ekologista tilaansa. Siperian asuttaminen ei perustunut yhteen evolutiiviseen loikkaan, vaan kulttuurin, jo olemassa olevan vaihtelun, polygeenisen valinnan ja neandertalinihmisiltä periytyneen materiaalin kietoutumiseen. Näin ollen jakuutilaisten aineenvaihdunta paljastaa joitakin biologisia ratkaisuja, jotka ovat seuranneet Homo sapiensia kohti planeetan kylmimpiä leveysasteita.

Tässä on kolme oivallusta, jotka saattavat kiinnostaa sinua:

Koska Välimeren ruokavalio ei ole se, mitä me… tiedämme
Tarkkaile apinoita ymmärtääksesi täysin ihmisiä
Jäätiköiden uudistuminen Siperiassa: tulevaisuuden ekosysteemi toimii.