Antropología molecular

La antropología molecular, también conocida como antropología genética, es el estudio de cómo la biología molecular ha contribuido a la comprensión de la evolución humana. Este campo de la antropología examina los vínculos evolutivos entre las poblaciones humanas antiguas y modernas, así como entre las especies contemporáneas. Generalmente, las comparaciones se realizan entre secuencias, ya sean secuencias de ADN o de proteínas; sin embargo, los primeros estudios utilizaron serología comparativa.

Al examinar las secuencias de ADN en diferentes poblaciones, los científicos pueden determinar la cercanía de las relaciones entre las poblaciones (o dentro de las poblaciones). Ciertas similitudes en la composición genética permiten a los antropólogos moleculares determinar si diferentes grupos de personas pertenecen o no al mismo haplogrupo y, por lo tanto, si comparten un origen geográfico común. Esto es significativo porque permite a los antropólogos rastrear patrones de migración y asentamiento, lo que brinda información útil sobre cómo se han formado y progresado las poblaciones contemporáneas a lo largo del tiempo.

La antropología molecular ha sido extremadamente útil para establecer el árbol evolutivo de los humanos y otros primates, incluidas especies estrechamente relacionadas como los chimpancés y los gorilas. Si bien claramente existen muchas similitudes morfológicas entre los humanos y los chimpancés, por ejemplo, ciertos estudios también han concluido que existe aproximadamente un 98 por ciento de coincidencia entre el ADN de ambas especies. Sin embargo, estudios más recientes han modificado la similitud del 98 por ciento a una similitud del 94 por ciento, lo que demuestra que la brecha genética entre humanos y chimpancés es mayor de lo que se pensaba originalmente. Dicha información es útil para buscar ancestros comunes y llegar a una mejor comprensión de cómo evolucionaron los humanos.

Loci haploides en antropología molecular

Hay dos grupos de ligamiento continuo en humanos que son portados por un solo sexo. El primero es el cromosoma Y, que se transmite de padre a hijo. Las hembras anatómicas portan un cromosoma Y solo en raras ocasiones, como resultado de un defecto genético. El otro grupo de enlace es el ADN mitocondrial (ADNmt). El mtDNA casi siempre solo se transmite a la siguiente generación por parte de las mujeres, pero en circunstancias muy excepcionales, el mtDNA se puede transmitir a través de los hombres. La porción no recombinante del cromosoma Y y el mtDNA, en circunstancias normales, no experimentan una recombinación productiva. Parte del cromosoma Y puede sufrir una recombinación con el cromosoma X y, dentro de la historia de los simios, el límite ha cambiado. Dichos cambios recombinantes en la región no recombinante de Y son extremadamente raros.

ADN mitocondrial

El ADN mitocondrial se convirtió en un área de investigación en filogenética a fines de la década de 1970. A diferencia del ADN genómico, ofrecía ventajas en el sentido de que no experimentaba recombinación. El proceso de recombinación, si es lo suficientemente frecuente, corrompe la capacidad de crear árboles parsimoniosos debido a la extensión de las sustituciones de aminoácidos (SNP).Cuando se busca entre especies relacionadas de forma lejana, la recombinación es un problema menor ya que se evita la recombinación entre ramas de ancestros comunes después de que ocurre la verdadera especiación. Al examinar especies estrechamente relacionadas o ramificaciones dentro de las especies, la recombinación crea una gran cantidad de "SNP irrelevantes" para el análisis cladístico. El mtDNA, a través del proceso de división de orgánulos, se volvió clonal con el tiempo; se pasa muy poco, o a menudo nada, de ese mtDNA paterno. Si bien la recombinación puede ocurrir en el mtDNA, hay poco riesgo de que pase a la siguiente generación. Como resultado, los mtDNA se convierten en copias clonales entre sí, excepto cuando surge una nueva mutación. Como resultado, el mtDNA no tiene las trampas de los loci autosómicos cuando se estudia en grupos cruzados. Otra ventaja del mtDNA es que las regiones hipervariables evolucionan muy rápidamente; esto muestra que ciertas regiones del ADN mitocondrial se aproximan a la neutralidad. Esto permitió el uso de ADN mitocondrial para determinar que la edad relativa de la población humana era pequeña, habiendo pasado por una constricción reciente hace unos 150.000 años (ver #Causas de errores).

El ADN mitocondrial también se ha utilizado para verificar la proximidad de los chimpancés a los humanos en relación con los gorilas, y para verificar la relación de estas tres especies en relación con los orangutanes.

Más recientemente, el genoma del mtDNA se ha utilizado para estimar patrones de ramificación en pueblos de todo el mundo, como cuándo se estableció el nuevo mundo y cómo. El problema con estos estudios ha sido que dependen en gran medida de mutaciones en la región codificante. Los investigadores han descubierto cada vez más que a medida que los humanos se mudaron de las regiones del sureste de África, se acumularon más mutaciones en la región de codificación de lo esperado, y en el paso al nuevo mundo se cree que algunos grupos pasaron de los trópicos asiáticos a Siberia a una tierra antigua. región llamada Beringia y rápidamente emigró a América del Sur. Muchos de los mtDNA tienen muchas más mutaciones y en sitios de codificación rara vez mutados en relación con las expectativas de mutaciones neutrales.

El ADN mitocondrial ofrece otra ventaja sobre el ADN autosómico. Generalmente hay de 2 a 4 copias de cada cromosoma en cada célula (1 a 2 de cada cromosoma original). Para mtDNA puede haber docenas a cientos en cada celda. Esto aumenta la cantidad de cada loci de mtDNA en al menos una magnitud. Para el ADN antiguo, en el que el ADN está muy degradado, la cantidad de copias de ADN es útil para extender y unir fragmentos cortos, y disminuye la cantidad de hueso extraído de restos fósiles/antiguos de gran valor. A diferencia del cromosoma Y, tanto los restos masculinos como los femeninos portan mtDNA en cantidades aproximadamente iguales.

Cromosoma Y

El cromosoma Y se encuentra en el núcleo de las células normales (ADN nuclear). A diferencia del mtDNA, tiene mutaciones en la porción no recombinante (NRY) del cromosoma muy separadas, tan separadas que encontrar las mutaciones en los nuevos cromosomas Y requiere mucho trabajo en comparación con el mtDNA. Muchos estudios se basan en repeticiones en tándem; sin embargo, las repeticiones en tándem pueden expandirse y retraerse rápidamente y en algunos patrones predecibles. El cromosoma Y solo rastrea las líneas masculinas y no se encuentra en las hembras, mientras que el ADNmt se puede rastrear en los machos aunque no transmitan el ADNmt. Además, se ha estimado que las poblaciones masculinas efectivas en el período prehistórico eran típicamente dos hembras por macho, y estudios recientes muestran que la hegemonía cultural juega un papel importante en el paso de Y. Esto ha creado discordancia entre machos y hembras para elTiempo hasta el ancestro común más reciente (TMRCA). Las estimaciones para Y TMRCA varían de 1/4 a menos de 1/2 de mtDNA TMRCA. No está claro si esto se debe a las altas proporciones de machos y hembras en el pasado, junto con las repetidas migraciones desde África, como resultado del cambio en la tasa de mutación, o si algunos incluso han propuesto que las hembras del LCA entre chimpancés y humanos continuaron pasan millones de ADN después de que los machos dejaran de pasar ADN. En la actualidad, la mejor evidencia sugiere que en la migración, la proporción de hombres a mujeres en humanos puede haber disminuido, causando una reducción de la diversidad Y en múltiples ocasiones dentro y fuera de África.

Para la filogenética molecular de corto alcance y el reloj molecular, el cromosoma Y es muy eficaz y crea una segunda perspectiva. Un argumento que surgió fue que los maoríes por ADNmt parecen haber emigrado desde el este de China o Taiwán, por cromosoma Y de la región de Papúa Nueva Guinea. Cuando se usaron los haplotipos HLA para evaluar las dos hipótesis, se descubrió que ambas tenían razón, que los maoríes eran una población mezclada. Tales mezclas parecen ser comunes en la población humana y, por tanto, el uso de un solo loci haploide puede dar una perspectiva sesgada.

Estudios ligados al X

El cromosoma X también es una forma de ADN nuclear. Dado que se encuentra como 1 copia en los machos y 2 cromosomas no idénticos en las hembras, tiene una ploidía de 1,5. Sin embargo, en los humanos, la ploidía efectiva es algo mayor, ~ 1,7, ya que las hembras en la población reproductora han tendido a superar en número a los machos en una proporción de 2:1 durante una gran parte de la prehistoria humana. Al igual que el ADNmt, el ADN ligado al cromosoma X tiende a enfatizar mucho más la historia de la población femenina que la masculina. Se han realizado varios estudios de loci en el cromosoma X, en total se han examinado 20 sitios. Estos incluyen PDHA1, PDHA1, Xq21.3, Xq13.3, Zfx, Fix, Il2rg, Plp, Gk, Ids, Alas2, Rrm2p4, AmeIX, Tnfsf5, Licam y Msn. El tiempo hasta el ancestro común más reciente (TMRCA) varía desde fijo hasta ~1,8 millones de años, con una mediana de alrededor de 700ky. Estos estudios trazan aproximadamente la distribución de fijación esperada de los alelos, dado el desequilibrio de ligamiento entre sitios adyacentes. Para algunos alelos, el punto de origen es esquivo, para otros, el punto de origen apunta hacia el África subsahariana. Hay algunas distinciones dentro de SSA que sugieren una región más pequeña, pero no hay suficiente tamaño de muestra y cobertura para definir un lugar del ancestro común más reciente. El TMRCA es consistente con el cuello de botella implícito en el mtDNA y lo extiende, con seguridad a unos 500.000 años.

Locus autosómicos

Variación de tarifa

Secuenciación de ADN antiguo

Se ha secuenciado el mtDNA de Krings Neandertal, y la similitud de secuencia indica un origen igualmente reciente de una pequeña población en la rama neandertal de los homínidos tardíos. El gen MCR1 también ha sido secuenciado, pero los resultados son controvertidos, con un estudio que afirma que los problemas de contaminación no pueden resolverse a partir de las similitudes con los neandertales humanos. Críticamente, sin embargo, no se ha obtenido ninguna secuencia de ADN de Homo erectus, Homo floriensis o cualquiera de los otros homínidos tardíos. Algunas de las secuencias antiguas obtenidas presentan errores altamente probables y un adecuado control para evitar contaminaciones.

Causas de errores

La filogenética molecular se basa en sustituciones de cuantificación y luego en la comparación de secuencias con otras especies, hay varios puntos en el proceso que crean errores. El primer y mayor desafío es encontrar "anclas" que permitan a la investigación calibrar el sistema. En este ejemplo, hay 10 mutaciones entre el chimpancé y los humanos, pero el investigador no tiene fósiles conocidos que sean ancestrales de ambos, pero no ancestrales de la siguiente especie en el árbol, el gorila. Sin embargo, hay fósiles que se cree que son ancestrales de los orangutanes y los humanos, de hace unos 14 millones de años. Para que el investigador pueda usar la comparación entre orangután y humanos y obtenga una diferencia de 24. Usando esto, puede estimar (24/(14*2, el "2" es para la longitud de la rama humana (14 millones de años) y la rama de orangután (14 millones de años) desde su último ancestro común (LCA). La tasa de mutación en 0.857 para un tramo de secuencia. Sin embargo, las tasas de mutación se dan como tasa por sitio de nucleótido (nt), por lo que si la secuencia tuviera una longitud de 100 nt, esa tasa sería de 0,00857/nt por millón de años. Diez mutaciones*100nt/(0,00857*2) = 5,8 millones de años.

Problema de calibracion

Hay varios problemas que no se ven en los anteriores. Primero, las mutaciones ocurren como eventos aleatorios. En segundo lugar, la posibilidad de que cualquier sitio en el genoma varíe es diferente del siguiente sitio, un muy buen ejemplo son los codones para los aminoácidos, los primeros dos nt en un codón pueden mutar a razón de 1 cada mil millones de años, pero el tercer nt puede mutar. 1 por millón de años. A menos que los científicos estudien la secuencia de una gran cantidad de animales, en particular los que están cerca de la rama que se examina, generalmente no saben cuál es la tasa de mutación para un sitio determinado. Las mutaciones ocurren en las posiciones 1 y 2 de los codones, pero en la mayoría de los casos estas mutaciones están bajo selección negativa y, por lo tanto, se eliminan de la población en períodos cortos de tiempo. Al definir la tasa de evolución en el ancla, uno tiene el problema de que crea una mutación aleatoria. Por ejemplo, una tasa de.005 o. 010 también puede explicar 24 mutaciones según la distribución de probabilidad binomial. Algunas de las mutaciones que ocurrieron entre los dos se han revertido, ocultando una tasa inicialmente más alta. La selección puede influir en esto, una rara mutación puede ser selectiva en el punto X en el tiempo, pero más tarde el clima puede cambiar o la especie migra y ya no es selectiva, y se ejerce presión sobre nuevas mutaciones que revierten el cambio y, a veces, la reversión de una hormiga puede ocurrir, cuanto mayor sea la distancia entre dos especies, más probable es que esto ocurra. Además, de esa especie ancestral ambas especies pueden mutar aleatoriamente un sitio al mismo nucleótido. Muchas veces esto se puede resolver obteniendo muestras de ADN de especies en las ramas, creando un árbol parsimonioso en el que se puede deducir el orden de mutación, creando un diagrama de longitud de rama. Este diagrama producirá una estimación más precisa de las mutaciones entre dos especies. Estadísticamente, se puede asignar la varianza en función del problema de la aleatoriedad, las retromutaciones y las mutaciones paralelas (homoplastias) al crear un rango de error.

Sin embargo, hay otro problema en la calibración que ha desafiado el análisis estadístico. Hay una designación de verdadero/falso de un fósil a un ancestro menos común. En realidad, las probabilidades de tener el ancestro menos común de dos especies existentes como ancla son bajas, a menudo ese fósil ya se encuentra en una rama (subestimando la edad), se encuentra en una tercera rama (subestimando la edad) o en el caso de ser dentro de la especie LCA, puede haber sido millones de años más antigua que la rama. Hasta la fecha, la única forma de evaluar esta varianza es aplicar la filogenética molecular en las especies que se afirma que son puntos de ramificación. Sin embargo, esto solo identifica los puntos de anclaje 'periféricos'. Y dado que es más probable que los fósiles más abundantes sean más jóvenes que el punto de ramificación, el fósil periférico puede ser simplemente un raro representante más antiguo.

Documentos recientes han sido capaces de estimar, aproximadamente, la varianza. La tendencia general a medida que se descubren nuevos fósiles es que los fósiles más antiguos subestimaron la edad del punto de ramificación. Además de esta datación de fósiles ha habido un historial de errores y ha habido muchas dataciones revisadas. La edad asignada por los investigadores a algunos de los principales puntos de bifurcación casi se ha duplicado en los últimos 30 años. Un excelente ejemplo de esto es el debate sobre LM3 (lago Mungo 3) en Australia. Originalmente fue datado alrededor de 30 ky por datación por carbono, sin embargo, la datación por carbono tiene problemas para muestras de más de 20 ky de edad, y problemas severos para muestras de alrededor de 30 ky de edad. Otro estudio analizó el fósil y estimó que la edad era de 62 ky.

En el punto en que se tiene una estimación de la tasa de mutación, dado lo anterior, debe haber dos fuentes de varianza que deben multiplicarse en forma cruzada para generar una varianza general. Esto se hace con poca frecuencia en la literatura.

Problemas en la estimación de TMRCA

El tiempo hasta el ancestro común más reciente (TMRCA) combina los errores de calibración con errores en la determinación de la edad de una rama local.

Historia

Era de las proteínas

Con el ADN recién descubierto como material genético, a principios de la década de 1960 la secuenciación de proteínas comenzaba a despegar. Se inició la secuenciación de proteínas en el citocromo C y la hemoglobina. Gerhard Braunitzer secuenció la hemoglobina y la mioglobina, en total se realizaron más de cientos de secuencias de una amplia gama de especies. En 1967 AC Wilson comenzó a promover la idea de un "reloj molecular". En 1969, el reloj molecular se aplicó a la evolución antropoide y V. Sarich y AC Wilson encontraron que la albúmina y la hemoglobina tienen tasas de evolución comparables, lo que indica que los chimpancés y los humanos se separaron hace unos 4 o 5 millones de años. En 1970, Louis Leakey se enfrentó a esta conclusión defendiendo la calibración incorrecta de los relojes moleculares.En 1975, la secuenciación de proteínas y la serología comparativa combinadas se utilizaron para proponer que el pariente vivo más cercano de los humanos (como especie) era el chimpancé. En retrospectiva, el último ancestro común (LCA) de humanos y chimpancés parece más antiguo que la estimación de Sarich y Wilson, pero tampoco tan antiguo como afirmaba Leakey. Sin embargo, Leakey tenía razón en la divergencia de los monos del viejo y el nuevo mundo, el valor que usaron Sarich y Wilson fue una subestimación significativa. Este error en la capacidad de predicción destaca un tema común. (Ver Causas de Error)

Era del ADN

RLFP e hibridación de ADN

En 1979, WMBrown y Wilson comenzaron a observar la evolución del ADN mitocondrial en animales y descubrieron que evolucionaba rápidamente. La técnica que utilizaron fue el polimorfismo de longitud de fragmentos de restricción (RFLP), que era más asequible en ese momento en comparación con la secuenciación. En 1980, WM Brown, observando la variación relativa entre humanos y otras especies, reconoció que había una constricción reciente (hace 180.000 años) en la población humana. Un año después, Brown y Wilson estaban mirando fragmentos de RFLP y determinaron que la población humana se expandió más recientemente que otras poblaciones de simios. En 1984 se realizó la primera secuenciación de ADN de un animal extinto.Sibley y Ahlquist aplican la tecnología de hibridación ADN-ADN a la filogenia antropoide, y ven una división pan/humano más cercana que la división gorila/pan o gorila/humano, una afirmación muy controvertida. Sin embargo, en 1987 pudieron sustentar su reclamo. En 1987, Cann, Stoneking y Wilson sugirieron, mediante análisis RFLP del ADN mitocondrial humano, que los humanos evolucionaron a partir de una constricción en África de una sola hembra en una población pequeña, ~10.000 individuos, hace 200.000 años.

Era de PCR

En 1987, la amplificación por PCR de mtDNA se utilizó por primera vez para determinar secuencias. En 1991 Vigilante et al. publicó el trabajo seminal sobre la filogenia del mtDNA que implica al África subsahariana como el lugar de los ancestros comunes más recientes de los humanos para todos los mtDNA. La guerra entre fuera de África y el multirregionalismo, que ya bullía con las críticas de Allan Templeton, pronto se intensificó con la participación del paleoantropólogo, como Milford Wolpoff. En 1995, F. Ayala publicó su artículo científico crítico "El mito de Eva", que se basaba en la secuencia HLA-DR.En ese momento, sin embargo, Ayala no estaba al tanto de la rápida evolución de los loci HLA a través del proceso de recombinación. En 1996, Parham y Ohta publicaron sus hallazgos sobre la rápida evolución de HLA por recombinación de corta distancia ("conversión de genes" o "recombinación abortiva"), lo que debilitó la afirmación de Ayala (Parham había escrito una revisión un año antes, pero se había ido). inadvertido). Seguiría una corriente de documentos de ambos lados, muchos con métodos y muestreo muy defectuosos. Uno de los mas interesantesfue Harris y Hey, 1998, que mostró que el TMCRA (tiempo hasta el ancestro común más reciente) para el gen PDHA1 superaba ampliamente el millón de años. Dada una ploidía en este locus de 1,5 (3 veces mayor que el mtDNA), la TMRCA fue más del doble de lo esperado. Si bien esto cae en la 'curva de fijación' de 1,5 ploidía (un promedio de 2 mujeres y 1 hombre), la edad sugerida de 1,8 ma está cerca de un valor p significativamente desviado para el tamaño de la población, lo que posiblemente indica que la población humana se redujo o se separó de otra población. Curiosamente, el siguiente loci ligado al cromosoma X que examinaron, Factor IX, mostró un TMRCA de menos de 300.000 años.

ADN antiguo

La secuenciación del ADN antiguo se había llevado a cabo en una escala limitada hasta finales de la década de 1990, cuando el personal del Instituto Max Planck conmocionó al mundo de la antropología al secuenciar el ADN de un neandertal de unos 40.000 años de antigüedad. El resultado de ese experimento es que las diferencias entre los humanos que viven en Europa, muchos de los cuales se derivaron del haplogrupo H (CRS), los neandertales se ramificaron de los humanos más de 300.000 años antes de que el haplogrupo H llegara a Europa. Si bien el mtDNA y otros estudios continuaron apoyando un origen africano reciente único, este nuevo estudio respondió básicamente a las críticas del lado neandertal.

Secuenciación genómica

Se ha logrado un progreso significativo en la secuenciación genómica desde que Ingman y su colega publicaron su hallazgo sobre el genoma mitocondrial. Se han publicado varios artículos sobre ADNmt genómico; existe una variabilidad considerable en la tasa de evolución, y la variación y la selección de la tasa son evidentes en muchos sitios. En 2007, Gonder et al. propuso que una población central de humanos, con el mayor nivel de diversidad y la selección más baja, una vez vivió en la región de Tanzania y partes próximas del sur de África, desde que los humanos abandonaron esta parte de África, las mitocondrias han evolucionado selectivamente a nuevas regiones.

Progreso crítico

Crítico en la historia de la antropología molecular:

• Que la filogenética molecular podría competir con la antropología comparada para determinar la proximidad de las especies a los humanos.
• Wilson y King se dieron cuenta en 1975 de que, si bien había equidad entre el nivel de evolución molecular que se ramificaba del chimpancé al humano y al LCA putativo, había una desigualdad en la evolución morfológica. La morfología comparativa basada en fósiles podría estar sesgada por diferentes tasas de cambio.
• Darse cuenta de que en el ADN existen múltiples comparaciones independientes. Dos técnicas, mtDNA e hibridación convergen en una sola respuesta, los chimpancés como especie están más estrechamente relacionados con los humanos.
• La capacidad de resolver tamaños de población basados ​​en la regla 2N, propuesta por Kimura en la década de 1950. Usar esa información para comparar los tamaños relativos de la población y llegar a una conclusión sobre la abundancia que contrasta las observaciones basadas en el registro paleontológico. Si bien los fósiles humanos de la edad de piedra temprana y media son mucho más abundantes que los de chimpancé o gorila, hay pocos fósiles inequívocos de chimpancé o gorila del mismo período.

Loci que se han utilizado en filogenética molecular:Citocromo CAlbúmina de sueroHemoglobina - Braunitizer, 1960, Harding et al. 1997Bucle D mitocondrial - Grupo de Wilson, 1980, 1981, 1984, 1987, 1989, 1991 (póstumamente) - TMRCA alrededor de 170 kya.cromosoma YHLA-DR - Ayala 1995 - TMRCA para locus es 60 millones de años.CD4 (Intron) - Tishkoff, 1996 - la mayor parte de la diversidad se encuentra en África.PDHA1 (ligado al X) Harris y Hey - TMRCA para locus de más de 1,5 millones de años.

Loci ligados a X: PDHA1, Xq21.3, Xq13.3, Zfx, Fix, Il2rg, Plp, Gk, Ids, Alas2, Rrm2p4, AmeIX, Tnfsf5, Licam y MsnAutosómico: numerosos.