Verslag Biologie Neanderthaler

Transcriptie

1 Verslag Biologie Neanderthaler Verslag door L woorden 3 november keer beoordeeld Vak Biologie Verwantschap met de Neanderthaler: Het blijft een vraagstuk Inleiding Het dichtst verwante familielid van de hedendaagse mens is de Neanderthaler, welke zo n tot jaar geleden leefde. Hij was kleiner dan de mens, had een lage wenkbrauw en een brede neus. Restanten van de Neanderthaler worden vaak in grotten gevonden waardoor hij ook wel bekend staat als de holbewoner. De Neanderthaler verliet Afrika lang voordat de mens Afrika verliet en kwam voor in grote delen van Europa en West Azië. (1) Op basis van morfologische en genetische eigenschappen is er controverse over de vraag of er gene flow tussen de Neanderthaler en de hedendaagse mens heeft plaatsgevonden. Op dit moment wordt er veel onderzoek gedaan naar het leefgebied van de Neanderthaler en of de Neanderthaler met de mens heeft voortgeplant. Daarom is de hoofdvraag van dit essay: heeft de hedendaagse mens samen met de Neanderthaler een leefgebied gedeeld en heeft er gene flow plaatsgevonden? Om deze hoofdvraag te beantwoorden heb ik een aantal artikelen gelezen en bestudeerd die ik in dit essay verder zal bespreken. Neanderthaler DNA in het menselijk genoom Om de hoofdvraag te beantwoorden is het belangrijk om te weten of er daadwerkelijk een gene flow tussen de hedendaagse mens en de Neanderthaler heeft plaatsgevonden. Een moeilijkheid in het signaleren van gene flow is dat de hedendaagse mens en de Neanderthaler een gemeenschappelijke voorouder hebben binnen de jaar. Daardoor lijken zelfs zonder gene flow de genen van de Neanderthaler en de hedendaagse mens heel erg op elkaar. (2) Een ander probleem is dat er op de monsters van de Neanderthalers die zijn gevonden weinig DNA van de Neanderthaler zelf te vinden zijn in vergelijking met het DNA van micro-organismen die na de dood op de monsters zijn gekomen. In de afgelopen 20 jaar zijn de methoden om oud DNA te achterhalen verbeterd en het is nu mogelijk om de DNA sequentie van een Neanderthaler te verkrijgen. Het onderzoek van Greene et al heeft de sequentie van het Neanderthaler genoom bekend gemaakt. (3) Voor het onderzoek zijn 21 verschillende Neanderthaler botten gebruikt uit Europa en West Azië. Pagina 1 van 5

2 Om de tijdschaal te bepalen waarop de hedendaagse mens van de Neanderthaler divergeerde is het menselijk genoom ook vergeleken met dat van een chimpansee. Dit is gedaan omdat men wist dat ongeveer 6,5 miljoen jaar geleden de chimpansee van de mens divergeerde en zo vergeleken kon worden hoe lang dat geleden was bij de Neanderthaler. Dit was ongeveer jaar geleden. Het onderzoek van Greene et al liet zien dat het monster uit Mezmaiskaya, het meest oostelijke en oudste monster, niet verschilde in divergentie met de andere monsters. Dus het genoom van de monsters uit Europa en West Azië zijn even gerelateerd aan de hedendaagse mens. Om een goede vergelijking te kunnen maken, zijn er ook vijf genomen van hedendaagse mensen uit vijf verschillende delen van de wereld gesequenced. De divergentie tussen elk van de Neanderthaler genomen en de mens is groter dan tussen de mensen onderling. Ook is de divergentie tussen mensen en Neanderthalers bekeken. Hieruit bleek dat genomen van mensen uit Afrika een hogere divergentie met Neanderthaler genoom hebben dan het genoom van mensen uit Europa. Zie figuur 1. Uit het onderzoek van Greene et al blijkt dat er een gene flow tussen de mens en de Neanderthaler heeft plaatsgevonden en deze gene flow heeft waarschijnlijk plaatsgevonden toen de hedendaagse mens Afrika verliet zo n jaar geleden. (4) Tijdstip van kruisen moderne mens en Neanderthaler Er is inmiddels meer onderzoek gedaan naar en of de Neanderthaler überhaupt nakomelingen met de mens heeft gehad. De oudste gevonden fossielen van de hedendaagse mens zijn ongeveer jaar oud en de fossielen van Neanderthalers zijn ongeveer tot jaar oud. (5) Er is dus een overlap in tijd waarin gene flow tussen de hedendaagse mens en de Neanderthaler zou kunnen hebben plaatsgevonden. Er zijn twee mogelijke verklaringen waarom de hedendaagse mens overeenkomstige genen met Neanderthalers hebben. Een daarvan is de single pulse hypothese waarin er gene flow plaatsvond tussen de hedendaagse mens en de Neanderthaler. Dit gebeurde dan waarschijnlijk in het Midden Oosten en minder dan jaar geleden. Zie figuur 2a. De andere hypothese is de ancient structure hypothese. In deze hypothese zijn de voorouders van de Neanderthaler en hedendaagse mens gescheiden geweest en heeft alleen in de hybride zone gene flow kunnen voorkomen. De gene flow zou dan al meer dan jaar geleden hebben plaatsgevonden. Zie figuur 2b. (6) Uit onderzoek van Sankararaman et al is gebleken dat de gene flow tussen de en jaar geleden plaatsvond waardoor de single pulse hypothese het meest waarschijnlijk is. Figuur 2a: Single pulse hypothese: bij het Figuur 2b: Ancient structure hypotheseh door een gezamenlijk voorouder verlaten van Afrika heeft de mens met de hebben de mens en de Neanderthaler een overeenkomstig genoom. Neanderthaler gekruist. Oost Aziaten hebben meer Neanderthaler genoom Nu bekend is rond welke tijd er een gene flow heeft plaatsgevonden, kun men zich het volgende afvragen: Pagina 2 van 5

3 is er nog een verschil in hoeveelheid Neanderthaler DNA na deze gene flow of is de hoeveelheid Neanderthaler genoom in het menselijk genoom hetzelfde gebleven. Dit laatste bleek echter niet het geval. (7) Om dit te onderzoeken hebben Sankararaman et al het genoom van 1004 hedendaagse mensen met elkaar vergeleken. Er bleek een verschil in hoeveelheid Neanderthaler genoom dat voorkomt in het menselijk DNA tussen dat van mensen uit Europa: 62 procent en mensen uit Oost Azië: 64 procent. Deze hoge percentages van het voorkomen van Neanderthaler genoom suggereert dat er positieve selectie heeft plaatsgenomen voor het Neanderthaler genoom. Een mogelijke verklaring hiervoor is dat het Neanderthaler genoom dat in hedendaagse mensen voorkomt, zorgt voor de vorming van keratine filament. Hierdoor zou de hybride tussen de hedendaagse mens en Neanderthaler beter kunnen overleven buiten Afrika. (8) Er vindt echter geen positieve selectie plaats voor mensen met Neanderthaler genen omdat de hybride tussen hedendaagse mens en Neanderthaler minder vruchtbaar is en dus minder nakomelingen kan produceren. Dan rijst de vraag: hoe kunnen Neanderthaler genen toch in grote hoeveelheden van de bevolking voorkomen. De verklaring die Sankararaman et al geven is dat door bottlenecks er minder effectieve negatieve selectie plaatsvond. Omdat er bij bottlenecks een kleinere hoeveelheid genen variatie overblijft, kunnen de minder goede genen een grotere rol gaan spelen. Ook was er in Oost Azië een kleinere bevolking dan in Europa waardoor de negatieve selectie nog minder effectief was in Oost Azië door het founder effect. (9) Kim en Lohmueller (10) hebben in een recente studie met behulp van simulaties van modellen gevonden dat de hypothese die Sankararaman et al geven niet blijkt te kloppen. Sankararaman et al zijn uitgegeaan van het single pulse model waarin ervan uitgegaan wordt dat er op één moment gene flow heeft plaatsgevonden tussen de hedendaagse mens en de Neanderthaler. Bij deze simulaties hebben Kim en Lohmueller de bottlenecks van de populaties in Oost Azië twee tot vijf keer zo sterk gemaakt dan Keinan et al hebben geschat. Hieruit is gebleken dat de bottlenecks en een kleinere populatie grootte niet het verschil van frequentie in Neanderthaler genen tussen Europese en Oost Azië kunnen verklaren. Dit komt omdat bottlenecks twee richtingen op werken; bottlenecks kunnen ervoor zorgen dat het Neanderthaler DNA een grotere frequentie in de populatie krijgt maar ook dat de frequentie lager wordt. Deze twee mogelijkheden vallen tegen elkaar weg op de langere termijn waardoor de bottlenecks het verschil niet kunnen verklaren. Ook het verschil in populatiegrootte tussen Europa en Oost Azië verklaart niet het verschil tussen Neanderthaler-genoom in het menselijk DNA omdat dit verschil in populatie-grootte gewoonweg niet groot genoeg is. Dit is onderzocht door in de simulaties de allelen minder aantrekkelijk te maken, wat wil zeggen dat er meer negatieve selectie plaatsvind voor de Neanderthaler genen. Dat hebben ze gedaan omdat in grotere populaties negatieve selectie gemakkelijker plaatsvind. Uit deze simulaties bleek dat het verschil in de grootte van populaties niet significant genoeg was om het verschil in Neanderthaler genen tussen Europa en Oost Azië te verklaren. In plaats van het single pulse model denken Kim en Lohmueller dat een mogelijke verklaring voor het verschil is een extra pulse hypothese waarin Oost Aziatische populaties een extra gene flow met Neanderthalers hebben gehad, of een wave van Neanderthaler genen in Oost Aziatische populaties. Pagina 3 van 5

4 Conclusie en discussie In 2010 hebben Greene et al monsters onderzocht van verschillende Neanderthalers van verschillende plekken in Europa en West Azië. Deze vergeleken zij met het genoom van verschillende mensen van verschillende plekken. Hieruit concludeerden zij dat er Neanderthaler genomen in het menselijk genoom voorkomen van mensen buiten Afrika. In 2012 hebben Sankararaman et al onderzocht hoe lang geleden de gene flow heeft plaatsgevonden. Er waren twee hypotheses die konden verklaren hoe het Neanderthaler genoom in het menselijk genoom terecht zou zijn gekomen, namelijk: de single pulse hypothese en de ancient structure hypothese. Sankararaman et al concludeerden in hun onderzoek dat de gene flow tussen en jaar geleden plaatsvond. Hierdoor viel de ancient structure hypothese af en werd dus aangenomen dat de single pulse hypothese klopte. In een vervolg onderzoek van Sankararaman et al uit 2014 hebben zij het genoom van een groot aantal individuen met elkaar vergeleken en geconcludeerd dat mensen uit Oost Azië meer Neanderthaler genoom bezitten dan mensen uit West Azië en Europa. De verklaring die zij daarvoor geven is dat door grotere bottlenecks in Oost Azië het Neanderthaler DNA minder efficiënt weg geselecteerd kon worden. Ook het founder effect speelde een rol bij het overleven van het Neanderthaler DNA in Oost Aziaten. Dit laatste onderzoek van Sankararaman et al werd erg controversieel genoemd door Kim en Lohmueller. In 2015 toonden zij met een reeks simulaties aan dat de zwaardere bottlenecks die in Oost Azië voorkwamen niet de oorzaak van het verschil in genoom tussen hedendaagse mens en Neanderthaler kunnen verklaren. De bottlenecks moesten sterker zijn dan de bottlenecks die zijn voorgekomen in Oost Azië om het verschil te verklaren. Ook het verschil in populatie-grootte tussen Europa en Oost-Azië verklaart niet het verschil in Neanderthaler DNA. Om een merkbaar verschil in Neanderthaler DNA tussen de Europa en Oost Azië te verkrijgen, moest de populatie van Oost Azië vijf keer zo klein gemaakt worden dan zoals die geschat wordt door Keinan et al. Mogelijke verklaringen voor het verschil in Neanderthaler DNA die Kim en Lohmueller geven zijn de extra pulse hypothese waarin Oost Aziatische populaties een extra pulse Neanderthaler DNA gekregen hebben, of de wave hypothese. De hoofdvraag van het essay was: heeft de hedendaagse mens samen met de Neanderthaler een leefgebied gedeeld en heeft er gene flow plaatsgevonden? Uit de vier artikelen die ik heb gelezen om de hoofdvraag te onderzoeken heb ik het volgende geconcludeerd: De Neanderthaler en de mens hoogst hebben hoogst waarschijnlijk gekruist en dit vaker hebben gedaan in de geografische expansie van de mens. Het is echter nog onduidelijk hoe dit mogelijk is aangezien de Neanderthaler niet in Oost Azië voorkwam. Hier zou in de toekomst nog een vervolgonderzoek naar verricht kunnen worden. Literatuur 1. Szalay, J. Livescience, Pagina 4 van 5

5 2. Pääbo, S. Human evolution. Trends Cell Biol. 9, M13 (1999) 3. Green, R.E. et al. A draft sequence of the neandertal genome. Science 328, 710 (2010) 4. Wall, J. D. et al. Mol. Biol. Evol. 26, 1823 (2009) 5. Hublin, JJ. Out of Africa: modern human origins special feature: the origin of Neandertals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 106: (2009) 6. Sankararaman, S. et al. The date of interbreeding between Neandertals and modern humans. PLoS Genet. 8 (2012) 7. Sankararaman, S. et al. The genomic landscape of Neanderthal ancestry in present-day humans. Nature 507, (2014) 8. Mendez, F. L. et al. A haplotype at STAT2 Introgressed from neanderthals and serves as a candidate of positive selection in Papua New Guinea. Am. J. Hum. Genet. 91, (2012). 9. Keinan, A., Mullikin et al. Measurement of the human allele frequency spectrum demonstrates greater genetic drift in East Asians than in Europeans. Nature Genet. 39, (2007). 10. Kim, B.Y. & Lohmueller, K.E. Selection and Reduced Population Size Cannot Explain Higher Amounts of Neandertal Ancestry in East Asian than in European Human Populations. The American Journal of Human Genetics 96, 454 (2015) Pagina 5 van 5