селективно

  • елементи
  • абстрактно
  • Въведение
  • резултатът
  • дискусия
  • методи
  • Повече информация
  • Допълнителна информация
  • PDF файлове
  • Допълнителна информация
  • Excel файлове
  • Допълнителни таблици
  • Коментари

елементи

  • Еволюционна генетика
  • Популационна генетика

абстрактно

Хората имат повече копия на гени на амилаза, отколкото други примати. Все още обаче не е напълно ясно кога е разширен броят на копията и дали разпространението му се е подобрило чрез подбор. Тук оценяваме броя на копията на амилаза в глобална извадка от 480 генома с голямо покритие и установяваме, че регионите, ограждащи локуса на амилаза, показват значително намаляване на генетичното разнообразие както в африканските, така и в африканските популации. Анализът на генетичните вариации в тези области подкрепя модела на ранното селективно почистване в човешката линия след отделянето на хората от неандерталците, което доведе до фиксиране на множество копия на AMY1 вместо едно копие. Намерихме доказателства за множествена вторична загуба на брой копия с най-висока честота (52%) на делеция на AMY2A и свързано с това ниско число на копие на AMY1 при популации с ниско нишесте в североизточния сибирски регион.

Алфа-амилазите, наричани по-долу амилази, се експресират в слюнчените жлези и панкреаса от гени от семейството на гените AMY, които при хората имат променлив брой копия на гени, които се локализират като тесен клъстер в регион от приблизително 200 kb на хромозомен референтен възел 1. Копия на гена AMY1 се експресират в слюнчените жлези и позволяват на въглехидратите да се разградят до прости захари преди поглъщане. Копия на AMY2 се експресират в панкреаса и служат на същата цел в дванадесетопръстника. В сравнение с други маймуни, AMY локусът е значително разширен при хората, с високи нива на вариация на броя на копията (CNV), открити в и между популации 1, 2, 3, 4, 5, 6. Няколко проучвания показват, че по-голям брой копия на гена AMY1 води до повишена експресия на амилаза в слюнката, което вероятно ще позволи по-ефективно смилане на храни, богати на нишесте 1, 7. Въпреки това, по-широкият фенотипичен ефект на амилазата върху CNV все още се разбира погрешно, тъй като първоначалните съобщения за връзката на броя на копията на AMY1 с индекса на телесна маса и риска от затлъстяване 7, 8 не успяват да повторят 4 .

Усилването на номер на копие на амилаза може да е започнало в началото на еволюционната история на човека, по време на плейстоцена. Тъй като ефективността на слюнчената амилаза значително се увеличава при усвояването на варени, а не на сурови нишесте 12, се предполага, че разпространението на гени на амилаза би станало избирателно изгодно като енергиен източник за поддържане на нарастващия размер на мозъка само след като готвенето се разшири. Въпреки че най-ранното използване на огън от хоминини беше предсказано на 1, 9 MYA 13, най-ранните доказателства за последователно и многократно използване на камини са по-нови и започват да се появяват в средния плейстоцен, само около 300 KYA 14. Връзката между готвената храна и размера на мозъка на хоминин е обект на обширни антропологични изследвания 13, 15, 16, 17. Предвид наличните към момента археологически, антропологични и генетични доказателства, Hardy et al. 9 хипотезира, че разширяването на готвенето на богати на нишесте клубени в комбинация с печалбата от повече AMY1 копия от нашите предшественици може да улесни бързия растеж на размера на мозъка в ранния среден плейстоцен на около 800 KYA преди разделянето на съвременните хора. и неандерталци.

Моделите на генетични вариации, натрупани в AMY локуса и неговите флангове, открити в различни човешки популации, могат да бъдат информативни за справяне с тези различни възможности. Докато предишни проучвания 1, 3, 4 ни предоставиха първата информация за глобалното разпространение на CNV в AMY, данните все още са достатъчно покрити от големи региони като Сибир, Югоизточна Азия и Америка. В това проучване използваме данни за последователността с голямо покритие от 480 индивида в проби от цял ​​свят, за да търсим доказателства за скорошни или стари сигнали за положителна селекция на мястото на амилазата. Ние потвърждаваме надеждността на оценката на броя на копията на гените AMY1, AMY2A и AMY2B от данните за дълбочината на четене, като генотипизираме подмножество от 68 проби с тестове за съотношение на паралог и методи за микросателитно тестване. Чрез оценка на разнообразието, възрастта и афинитета на хаплотиповете, свързани с високи и ниски номера на копия на AMY1 към архаични хора, ние изследваме дали хаплотиповете, свързани с текущия брой на копията на предците, могат да бъдат обяснени със задържане на хаплотип на предците, интрогресия от архаични хомини поради сближаване в място.

резултатът

За да хвърлим допълнителна светлина върху въпроса дали локусът на AMY е бил обект на скорошна положителна селекция от човека, първо разгледахме степента на генетична диференциация на човешките популации в локуса на AMY в контекста на други генетични локуси в глобалния набор от данни 480 генома с голямо покритие 19 (Таблица S1). Сравнихме максималните Fst стойности на SNP в 200 kb области, непосредствено заобикалящи AMY локуса, с разпределението на подобни стойности, получени от данните за целия геном, и установихме, че геномните области, фланкиращи амилазните гени, се характеризират в световен мащаб със значителни –Тест, p 1, който би предсказал високи стойности на F st сред нашите групи от Югоизточна Азия и Североизток Сибир, и нито една от анкетираните популации не показва сигнал за скорошна положителна селекция в

"AMY сайт" се отнася до данни от три съседни 200 kb сегмента от региона Chr1: 103 800 000 - 104 400 000. Разпределението на максималните F ST резултати от 200 kb области е показано в кошница 0,05. Само 5% значими (червена точка) линия) оценката F ST за локуса AMY идва от сравнение на Африка и североизточен Сибир в сегмента Chr1: 104 000 000 - 104 200 000.

Изображение в пълен размер

Маса в пълен размер

На оста y е сумата от получената честота на алела при всички полиморфни локуси в африканските данни за 1000 генома, изчислена на 50 000 bp от непокриващи се сегменти на хромозома 1, по отношение на отклонението на човешката референтна последователност от последователност на предците (определя се с консенсус на 6 примати). Червената пунктирана линия показва прага от 1% по отношение на емпиричното разпределение в целия геном. Бяха взети предвид само онези 50 000 bp сегмента, които съдържаха повече от 90% от сайтовете в човешките данни, Altai Neanderthal и Denisovan.

Изображение в пълен размер

Анализите бяха ограничени до би-алелни варианти на SNPs от LD-66 kb дългия регион (Chr1: 104, 303, 310-104, 369, 301), който е надолу по веригата от (центромерния) ген AMY1C (Фигура S1). Оценките за времето на коалесценция са дадени в близост до точките на разклонение и се приема скорост на мутация от 5,5 х 10-10 на bp годишно 34. BSP - байесова панорамна графика; дебелата кафява линия показва средните оценки на ефективния размер на популацията (N e) x поколение (ос y) във времето (ос x)), изчислени от данните за площта

66 kb в глобална извадка от 480 индивида. Сивата зона, оцветена около кафявата линия, показва 95% интервали от плътността на гърба на оценката на BSP с 95%. Пунктираната синя стрелка подчертава клон от човешка филогения, който е бил вероятно източник на интрогресия на парчета.

16 kb (Chr1: 104, 350, 432-104, 366, 871) в генома на алтайския неандерталец.

Изображение в пълен размер

Маса в пълен размер

Изображение в пълен размер

Маса в пълен размер

Маса в пълен размер

дискусия

В заключение откриваме доказателства за необичайно ниско разнообразие от последователности в регионите, ограничаващи локуса на броя на амилазните копия в глобална популация от човешки популации. Значително отрицателните резултати на Tajima D при африканците, наличието на фиксирани разлики между съвременните и архаични хора и младата коалесцентна дата в съвременната човешка линия предполагат, че локусът на амилазата е подложен на селективна намеса след отделяне на хората от неандерталците. Вероятно това селективно размножаване, което фиксира множество копия на гена AMY1 в съвременните човешки линии, е свързано с диетични промени и обработка на обработващи последователности за богати на нишесте клубени, включително, например, смилане, излугване и готвене.

методи

За да изчислим възрастта на хаплотипите, свързани с родословието на копията на гените AMY1, AMY2A и AMY2B, използвахме данни за високо фазово покритие за 480 пълни геномни последователности, определени с помощта на платформата Complete Genomics 19. Първо разгледахме моделите на дисбаланс на свързване, използвайки статистиката D '(Фигура S1), в региона

100 kb нагоре и извън сайта на AMY, за да се определят границите на региона с изключително висок дисбаланс на обвързване в нашите глобални данни. комплект за допълнителни анализи на базата на хаплотипове. Статистиката D 'е изчислена за Bilelic SNP, които имат MAF> 0,1 в нашата глобална извадка. Тези анализи идентифицираха зона с

66 kb (Chr1: 104, 303, 310-104, 369, 301) надолу по веригата на AMY с висока средна (D '= 0,992) LD сред SNP. Особено SNP в района

66 kb също показват относително висока средна стойност (D '= 0,839) LD с SNP от 150 kb региона (Chr1: 104 000 001 - 104 150 000) преди променливия локус на броя на копията на AMY, което показва силна връзка на големи разстояния. Използвайки BEAST версия 1.8 33, ние определихме филогенетичните връзки и възрастта на оригиналните хаплотипове в района

66 kb. За всички изчисления на възрастта използвахме скорост на мутация от 5,5 х 10 х 10/bp/година 34 с освободени логаритни часовници и линеен модел на Байесов Skyline с 10 групи. Дървета, най-вероятно получени от RAxML в. 7.8.6 35. Бяха извършени осем независими BEAST анализа за 100 милиона повторения, като се вземат проби на всеки 5000 стъпки. След преглеждане в Tracer v1.6 33, резултатите от независими експерименти бяха комбинирани, използвайки LogCombiner v1.8.0 с изгаряне от 20%. Тогава Байесовите парцели на Skyline бяха реконструирани в Traceri, което потвърди, че стойностите на ESS са над 200.

За да извлечем броя на копията на гените AMY1, AMY2A и AMY2B, използвахме данни за последователност с голямо покритие за 480 индивида от 125 популации от световни проби19. Подгрупа от 68 ДНК проби от Сибир, Югоизточна Азия и Андите бяха допълнително подложени на анализ на съотношението на паралог и микросателитни анализи, за да се определи промяната на броя на копията в локуса на AMY, използвайки методи, описани на друго място 3. Получено е информирано съгласие от всички тествани тук хора и геномната работа върху тяхната ДНК е одобрена от комитетите по етика на Института по биологични проблеми на Северноруската академия на науките в Магадан (Декларация № 001)./011 от 21 януари 2011 г.) и Комитета по етика за изследване на етиката на AMIS-UPS, Университет в Тулуза, Пол Сабатие (Етично одобрение № 005/011). Всички генетични анализи и манипулации с данни са извършени в съответствие със съответните насоки, одобрени от Cambridge Ethics Research Ethics Research Commission (HBREC.2011.01).

Използвахме показателя „относително покритие“ (R), даден в CG, за да определим броя на копията на AMY1, AMY2A и AMY2B от данните за дълбочината на четене. Поради факта, че референтният геном съдържа три хаплоидни копия на гените AMY1 (AMY1A, AMY1B, AMY1C), комбинираният брой копия на AMY1 на диплоиден геном беше определен с помощта на (R AMY1A/R AMY2B) × 6. Този метод даде на Pearson's коефициент на корелация r = 0, 92 с резултати, базирани на теста за съотношение на паралог AMY1. Всички 68 тествани проби са имали по две копия на AMY2B чрез съотношения на дълбочина на четене и съотношение на паралог. Номерата на копията на AMY2A, получени от изхода на CG, показват коефициент на корелация на Pearson r = 0.85 с резултатите от теста.

За да открием хаплотипове, срещу които настъпва делеция на AMY2A (Таблица 3), определихме фазата на делеции на AMY2A в контекста на поетапни данни за 891 бинарни SNP в региона Chr1: 104, 303, 310-104, 369, 301 (hg19 ). Първо оценихме генотипа на изтриването на AMY2A за всеки секвениран човек, като извадихме изведения номер на копие AMY2B от дълбочината на четене от номера на копие на AMY2A. Пробите с еднакъв или по-голям брой копия на AMY2A бяха назначени като хомозиготни носители на делеция, индивиди само с една разлика като хетерозиготи и индивиди с две допълнителни копия на AMY2B като хомозиготи за делеция. Beagle 4.1 36 се използва за фазиране на хетерозиготни проби и за имитиране на проби с липсваща информация за AMY2A .

Повече информация

Как да цитирам тази статия: Inchley, CE et al. Следва селективно почистване на човешки амилазни гени след разцепване на неандерталци. Sci. Представител. 6, 37198; doi: 10, 1038/srep37198 (2016).

Забележка на издателя: Springer Nature остава неутрален от претенциите за юрисдикция в публикувани карти и институционални асоциации.