Korzystając ze starożytnych próbek, naukowcy mogli zajrzeć w przeszłość i odkryć nowe oznaki adaptacji z początków rewolucji rolniczej.
Korzystanie z nowatorskiej analizy statystycznej dotyczącej starożytności DNA na podstawie szczątków ludzkich szkieletów naukowcy z Uniwersytetu Teksasu w Austin i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles odkryli nowe informacje na temat tego, jak starożytni Europejczycy dostosowywali się do swojego środowiska na przestrzeni 7000 lat. Wyniki opublikowano niedawno w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza.
„Badanie starożytnego DNA pozwala nam cofnąć się w czasie i śledzić zmiany ewolucyjne bezpośrednio w populacjach historycznych” – powiedział główny badacz Vagheesh Narasimhan, adiunkt biologii integracyjnej oraz statystyki i nauk o danych na UT Austin. „Odkrywamy sygnatury genetyczne, które we współczesnych genomach zostały w dużej mierze usunięte lub zamaskowane”.
Naukowcy zbadali ponad 700 próbek pobranych ze stanowisk archeologicznych w całej Europie i częściach dzisiejszej Rosji. Próbki pochodzą z okresu neolitu (około 8500 lat temu) do późnego okresu rzymskiego (około 1300 lat temu). Naukowcom udało się odkryć ślady doboru naturalnego — oznaki genetycznej adaptacji do presji środowiska — których nie można wykryć w DNA współczesnych Europejczyków. Odkrycia te nie tylko dają wgląd w odległą przeszłość, ale także ilustrują, jak cechy genetyczne korzystne dla przetrwania i dobrego samopoczucia mogą z czasem zanikać.
Badania współczesnych próbek genetycznych stoją przed wyzwaniami w zakresie wykrywania starożytnych zdarzeń doboru naturalnego. Dobór naturalny pozostawia subtelne ślady w naszym genomie, ale ślady te mogą ulegać erozji przez pokolenia w wyniku rekombinacji, podczas której segmenty DNA są tasowane i rozcieńczane. Ponadto starożytne sygnały adaptacyjne mogą być maskowane przez dryf genetyczny – przypadkowe wahania częstotliwości pojawiania się genów – i mieszanie się populacji, co powoduje znikanie pewnych cech adaptacyjnych z puli genowej. Starożytne DNA umożliwia bezpośredni wgląd w genomy osób, które żyły bliżej tych wydarzeń, umożliwiając badaczom obserwację zmian ewolucyjnych, zanim zostaną utracone. W ten sposób starożytne DNA pomaga naukowcom zrekonstruować historyczną dynamikę adaptacji człowieka.
Nowatorskie metody statystyczne odblokowują ukryte wzorce
Zespół badawczy zastosował nowatorskie podejście statystyczne, które wyjątkowo nadaje się do badania starożytnych danych DNA. Ta nowa technika umożliwiła zespołowi wykrywanie oznak doboru naturalnego skuteczniej niż tradycyjne metody. Zespół pogrupował próbki na cztery okresy: neolit, epoka brązu, epoka żelaza i epoka historyczna. Takie podejście umożliwiło im śledzenie zmian genetycznych w odpowiedzi na zmiany w stylu życia, takie jak przejście z łowiectwa i zbieractwa na rolnictwo.
„Nasza metoda zapewnia wyraźniejszy obraz tego, jak i kiedy wybrano pewne cechy, zwłaszcza gdy sygnały te zostały utracone we współczesnych genomach” – powiedział Devansh Pandey, absolwent biologii komórkowej i molekularnej oraz współautor artykułu.
Badając adaptację człowieka podczas przechodzenia od łowiectwa i zbieractwa do rolnictwa, a także rozwój społeczeństw na szczeblu państwowym, badacze byli w stanie zaobserwować, jak zmieniały się geny, gdy ludzie żyli bliżej siebie i zwierząt udomowionych.
Kluczowe ustalenia genetyczne
W sumie w badaniu zidentyfikowano 14 regionów genomu, które prawdopodobnie przeszły znaczącą selekcję naturalną w tych okresach. Na przykład geny powiązane z cechami, które umożliwiły wczesnym Europejczykom wytwarzanie witaminy D i trawienie mleka w wieku dorosłym, wykazywały silne oznaki selekcji, ale tylko w ostatnich okresach. Podczas gdy jasna pigmentacja skóry prawdopodobnie pomogła wczesnym rolnikom w produkcji witaminy D w mniej słonecznym klimacie, zdolność trawienia mleka zwierzęcego umożliwiła ludziom wykorzystywanie mleka jako źródła pożywienia po tym, jak hodowla bydła mlecznego stała się powszechna w Europie.
„Możliwe, że zdolność trawienia nabiału była ważna dla przetrwania w okresach nieurodzaju, niedoboru żywności i chorób” – stwierdził Narasimhan.
Naukowcy odkryli również, że geny związane z odpornością podlegały presji selekcyjnej w wielu okresach, prawdopodobnie w miarę dostosowywania się starożytnych populacji do nowych chorób wprowadzonych w wyniku rozprzestrzeniania się rolnictwa i późniejszych migracji. Co ciekawe, około połowa tych sygnałów adaptacyjnych była wykrywalna tylko w najstarszych okresach, co oznacza, że później zanikły z powodu dryfu genetycznego lub zostały zamaskowane przez intensywne mieszanie populacji.
Badanie to zapewnia bezprecedensowy obraz tego, jak populacje europejskie dostosowywały się do wyzwań środowiskowych na przestrzeni tysiącleci, pomagając nam zrozumieć, w jaki sposób pewne cechy utrzymywały się, zanikały lub zmieniały się na przestrzeni lat. Odkrycia te podkreślają znaczenie starożytnego DNA w rekonstrukcji historii ludzkości, pokazując, w jaki sposób cechy, które niegdyś zapewniały przewagę w przetrwaniu wczesnym Europejczykom, stały się niewidoczne w dzisiejszym krajobrazie genetycznym.
Odniesienie: „Wykorzystanie starożytnego DNA do odkrycia sygnałów doboru naturalnego w Europie utraconych w wyniku domieszki lub dryfu”, Devansh Pandey, Mariana Harris, Nandita R. Garud i Vagheesh M. Narasimhan, 12 listopada 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-53852-8
Mariana Harris i Nandita Garud Uniwersytet Kalifornijski byli także autorami artykułu. Badania zostały sfinansowane przez Fundację Rodziny Paula G. Allena, stypendium Good Systems Fellowship for Ethical AI na UT Austin, Fundację Paula G. Allena, Research Corporation for Science Advancement, University of California Hellman Fellowship, National Science Foundation i the Narodowe Instytuty Zdrowia.
