Nicht so feindliche Übernahme: Das menschliche Y-Chromosom verdrängte die Version der Neandertaler

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Vergleich moderner menschlicher und neandertaler Schädel aus dem Cleveland Museum of Natural History.

Wir wissen, dass Neandertaler ihre Spuren in der DNA vieler moderner Menschen hinterlassen haben, aber dieser Austausch hat in beide Richtungen funktioniert. Die Gruppen von Neandertalern, die unsere Arten vor etwa 45.000 Jahren in Eurasien getroffen haben, trugen bereits einige Homo sapiens Gene als Andenken an viel frühere Begegnungen. Eine aktuelle Studie legt nahe, dass diese frühen Begegnungen die Homo sapiens Version des Y-Chromosoms, die das ursprüngliche Neandertaler-Chromosom vor 370.000 bis 100.000 Jahren vollständig ersetzen soll.

Die Evolutionsgenetiker Martin Petr, Janet Kelso und ihre Kollegen verwendeten eine neue Methode, um Y-Chromosomen-DNA von zwei Denisovanern und drei Neandertalern an Standorten in Frankreich, Russland und Spanien zu sequenzieren (alle drei lebten vor 38.000 bis 53.000 Jahren). Die ältesten Neandertaler-Genome in Eurasien haben Y-Chromosomen, die denen von Denisovanern viel ähnlicher sind. Spätere Neandertaler haben jedoch Y-Chromosomen, die eher denen von uns Menschen ähneln.

Der Genfluss ist eine Einbahnstraße

Vor Zehntausenden von Jahren teilten unsere Arten die Welt mit mindestens zwei anderen Homininen. Die Werkzeuge, Perlen und Kunst, die sie zurückließen, deuten darauf hin, dass diese anderen Menschen uns wahrscheinlich sehr ähnlich waren. Und wir waren uns definitiv alle ähnlich genug, um anscheinend ein bisschen Sex zu haben.

Dies führte zu einer wirklich komplizierten Bevölkerungsgeschichte, die Tausende von Jahren und mehrere Kontinente umfasste. Wir haben die Tochter eines Neandertalers und eines Denisovan in den archäologischen Aufzeichnungen getroffen, und die DNA unserer Spezies dokumentiert alte Begegnungen mit Neandertalern und Denisovanern. Und Neandertaler-Genome tragen auch das genetische Erbe viel früherer Treffen mit frühen Homo sapiens.

Das meiste, was wir wissen, stammt aus der DNA unserer regulären Chromosomen – es gibt weniger Daten zu Geschlechtschromosomen. Genetiker können die Unterschiede in dieser DNA nutzen, um abzuschätzen, wann zwei Populationen, wie z Homo sapiens und Neandertaler teilten zuletzt einen gemeinsamen Vorfahren. Zählen Sie die kleinen Unterschiede in ihrer DNA und vergleichen Sie diese damit, wie schnell menschliche DNA Mutationen ansammelt. Sie können sich ein ungefähres Datum für die Aufteilung der Populationen ausdenken. (Nehmen Sie sich eine Sekunde Zeit, um zu verstehen, wie cool es ist, dass wir das tatsächlich wissen.)

Die DNA-Daten, die wir von den nichtgeschlechtlichen Chromosomen haben, zeigen, dass Neandertaler und Denisovaner einen Zweig des menschlichen Stammbaums teilen, der sich vor 700.000 bis 550.000 Jahren von unserem Zweig abgespalten hat. Aber die Y-Chromosomen erzählen eine andere Geschichte, was darauf hindeutet, dass unser jüngster gemeinsamer Vorfahr vor etwa 370.000 Jahren lebte.

Das deutet darauf hin, dass die Gruppen lange nachdem sie getrennte Wege gegangen waren und sich zu verschiedenen Populationen entwickelt hatten, Gene trafen und austauschten (was sie damals natürlich definitiv so nannten). Im Laufe der Zeit ersetzte unsere Version des Y-Chromosomengenoms die Neandertaler-Version.

„Ein großer Vorteil von [studying] Y-Chromosomen und mitochondriale DNA sind so, dass sie, obwohl sie nur einen einfachen Überblick über die menschliche Geschichte durch eine einzige väterliche / mütterliche Linie bieten, einige Aspekte davon (wie den Genfluss) viel deutlicher hervorheben können “, sagten Petr und Kelso Ars. „Dies ist der Fall beim Genfluss von Menschen der frühen Neuzeit in Neandertaler, der aus unserer Studie hervorgeht, was äußerst klar ist. So etwas in der autosomalen DNA zu finden, ist viel schwieriger und erfordert ausgefeilte statistische Methoden (die jetzt endlich entwickelt werden). “

Eine leichte evolutionäre Kante

Es gibt einen Grund, warum nicht-afrikanische Menschen heutzutage nur eine winzige Anzahl von Neandertaler-Allelen – etwa zwei bis vier Prozent – in ihrem Genom haben. Wenn zwei Gruppen mögen Homo sapiens und Neandertaler mischen sich, Allele von beiden Elternteilen werden an ihre Nachkommen weitergegeben. Die Chancen stehen jedoch gut, dass ein Allel einer Gruppe im Genpool der anderen Gruppe „fixiert“ wird (was bedeutet, dass es zur dominanten Form wird). Erstens muss das neue Allel an einen ausreichend großen Prozentsatz der Nachkommen weitergegeben werden, was selten vorkommt, es sei denn, es kommt im Laufe der Zeit zu einer umfassenden Vermischung.

Aber die Dinge können anders sein, wenn das neue Allel eine natürliche Selektion auf seiner Seite hat. Wenn das neue Allel es irgendwie wahrscheinlicher macht, dass eine Person ihre Gene an eine neue Generation weitergibt (oder wenn es mit einem anderen Gen verbunden ist, das dies tut), bleibt es wahrscheinlich bestehen.

Frühere Studien zeigten, dass die Allele unserer Spezies wahrscheinlich mit einer relativ geringen Rate in den Neandertaler-Genpool gelangten: ungefähr ein einstelliger Prozentsatz der Bevölkerung. Das reicht nicht aus, um repariert zu werden. Also schlagen Petr, Kelso und ihre Kollegen vor, dass die Homo sapiens Y-Chromosomen-Allele boten wahrscheinlich einen Fitnessvorteil gegenüber den Neandertaler-Versionen.

“Dies ist das Modell, das wir für den Ersatz als rein zufällige Alternative zum Ersatz vorschlagen, ohne auf natürliche Selektion zurückzugreifen (was eher unwahrscheinlich ist)”, sagten Petr und Kelso gegenüber Ars. Wie viel Unterschied macht ein winziger selektiver Vorteil wirklich? Sie führten eine Computersimulation durch, in der ein Y-Chromosomen-Allel aus Homo sapiens wurde in einem einzigen Beimischungsschub an nur fünf Prozent der Neandertaler weitergegeben. Als die Simulation den Fitnessvorteil dieses Allels um nur ein Prozent erhöhte, stiegen die Chancen, die ältere Neandertaler-Version über einen Zeitraum von 50.000 Jahren zu ersetzen, auf etwa 25 Prozent.

Das deutet darauf hin, dass unabhängig von der selektiven Kante Homo sapiens Allele angeboten, es mag winzig gewesen sein, aber das ist genug, um zu bleiben.

Bitte ältere DNA

Zu diesem Zeitpunkt gibt es nicht genügend Informationen für Archäologen oder Genetiker, um zu sagen, in welchen selektiven Vorteil geschrieben wurde Homo sapiensY-Chromosomen-DNA. Um das zu verstehen, brauchen wir mehr Genome von Denisovans und Neandertalern – und insbesondere mehr Y-Chromosomen, die bis vor kurzem selten waren. Bisher hat sich herausgestellt, dass die Handvoll Neandertaler und Denisovaner mit den am besten erhaltenen Genomen weiblich sind.

“Es ist wirklich nur eine zufällige Chance. Bisher haben wir Genome mit hoher Abdeckung von drei Neandertalern und einem Denisovaner. Die Wahrscheinlichkeit, dass sie alle weiblich sind, ist tatsächlich nicht so gering”, sagten sie. Petr, Kelso und ihre Kollegen mussten eine neu entwickelte DNA-Extraktionsmethode verwenden, um genügend Y-Chromosomen-DNA aus ihren Proben zu erhalten, um sie tatsächlich untersuchen zu können.

Sie verwendeten die Methode auch bei einem 46.000 bis 53.000 Jahre alten Neandertaler aus der El Sidron-Höhle in Spanien, dessen Genom zuvor sequenziert worden war. Die neue Methode hat dazu beigetragen, eine frühere Schätzung des jüngsten gemeinsamen Vorfahren des Neandertaler-Y-Chromosoms mit unserer Spezies zu überarbeiten, was zeigt, warum es manchmal wichtig ist, alte Exemplare mit neuen Methoden erneut zu untersuchen. Wir brauchen aber auch mehr Neandertaler- und Denisovan-Genome, um die Details ihrer Geschichte zu ergänzen.

“Der naheliegendste Schritt besteht darin, mehr archaische menschliche Y-Chromosomen zu sequenzieren, insbesondere solche aus älteren Neandertalern als die in unserer Studie analysierten und auch solche aus einem breiteren Spektrum bekannter Neandertaler-Lebensräume (alle drei Neandertaler in unserer Studie stammen aus West-Eurasien).” Petr und Kelso sagten es Ars. “Dies wird uns helfen, den Zeitpunkt des Austauschs einzugrenzen und zu testen, wie weit sich der Ersatz des Y-Chromosoms geografisch verbreitet hat.”

Sie fügten hinzu: „Durch den Zugang zu Y-Chromosomen mit hoher Abdeckung von Neandertaler- (und auch Denisovan-) Y-Chromosomen vor der Introgression wird es möglich sein, über die theoretischen Simulationen in unserer aktuellen Studie hinaus genauer zu untersuchen, welche Selektionstreiber hinter dem Ersatz stehen. ”

Wissenschaft, 2020 DOI: 10.1126 / 10.1126 / science.abb6460 (Über DOIs).

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