Masinis beveik 16 000 žmonių, gyvenančių Vakarų Eurazijoje daugiau nei 10 000 metų, DNR tyrimas atskleidžia, kad natūrali atranka suformavo šiuolaikinių žmonių genomus daug labiau nei manyta anksčiau.
Iki šiol senovės žmonių DNR tyrimai buvo nustatę tik apie 21 kryptingos atrankos atvejį – natūralios atrankos tipą, kuris įvyksta, kai viena geno versija, suteikianti kraštutinę bruožo formą, pavyzdžiui, laktozės toleranciją po kūdikystės, pasirodo esanti pakankamai palanki išgyvenimui ir dauginimuisi, kad būtų perduodama daugiau palikuonių nei mažiau palankios geno versijos ir sparčiai dažnėja visoje populiacijoje.
Įrodymų trūkumas leido manyti, kad kryptinga atranka buvo reta nuo tada, kai šiuolaikiniai žmonės atsirado Afrikoje maždaug prieš 300 000 metų ir pradėjo skirstytis į skirtingas populiacijos grupes visame pasaulyje.
Sujungus precedento neturintį kiekį senovinių genominių duomenų su naujais skaičiavimo metodais, naujoji analizė rodo, kad kryptinė atranka lėmė šimtų genų variantų plitimą arba nykimą Vakarų Eurazijoje nuo ledynmečio pabaigos ir kad atranka iš tikrųjų paspartėjo nuo tada, kai žmonės perėjo nuo medžioklės ir rinkimo prie žemdirbystės.
Šis darbas parodo senovės DNR tyrimų galią nušviesti žmogaus genetinę adaptaciją ir kitus pagrindinius evoliucinės biologijos principus.
Daugelis nustatytų genų variantų turi žinomų ryšių su sudėtingais fiziniais, psichologiniais ir socialiniais bruožais, įskaitant 2 tipo diabeto ir šizofrenijos riziką. Šių bruožų evoliucijos tyrinėjimas galėtų pagilinti elgesio, sveikatos ir ligų supratimą bei informuoti apie gydymo pastangas.
Tačiau tai, kaip šiandien apibrėžiame kai kuriuos bruožus, pavyzdžiui, namų ūkio pajamas, neatitinka priešistorinių kontekstų, o dabartinė analizė negali pasakyti, kas padarė variantą naudingą išlikimui, kai jis pirmą kartą atsirado.
Harvardo universiteto tyrėjų vadovaujami tyrimai paskelbti žurnale „Nature“. „Naudodamiesi šiais naujais metodais ir dideliu kiekiu senovinių genominių duomenų, dabar galime stebėti, kaip atranka formavo biologiją realiuoju laiku“, – teigė Ali Akbari, pirmasis tyrimo autorius ir vyresnysis Harvardo genetiko Davido Reicho laboratorijos mokslininkas. „Užuot ieškoję natūralios atrankos paliktų randų šiuolaikiniuose genomuose, naudodami paprastus modelius ir prielaidas, galime leisti duomenims kalbėti patiems už save.“
„Šis darbas leidžia mums priskirti vietą ir laiką jėgoms, kurios mus formavo“, – teigė Reichas, genetikos profesorius Harvardo medicinos mokyklos Blavatniko institute, žmogaus evoliucinės biologijos profesorius Harvardo universiteto Menų ir mokslų fakultete ir vyresnysis tyrimo autorius.
10 000 senovės genomų, nauji skaičiavimo metodai
Nuo 2010 m., kai iš senovės žmonių palaikų buvo gauti pirmieji viso genomo duomenys, senovės DNR tyrimai išplėtė supratimą apie žmonių, gyvenusių skirtingais laikotarpiais ir pasaulio regionuose, santykius.
Tačiau genetikai sunkiai sekėsi įgyvendinti technologijos pažadą nušviesti, kaip natūrali atranka formavo žmonių genetinę variaciją net per pastaruosius 10 000 metų, kai yra pakankamai gerai išsilaikiusios genetinės medžiagos, kad būtų galima atlikti didelio masto tyrimus.
Naujasis tyrimas peržengė šią kliūtį pasitelkdamas dvi inovacijas.
Pirma, Reicho laboratorija septynerius metus kūrė DNR sekų kolekciją iš senovės žmonių, gyvenusių Vakarų Eurazijoje – dabartinėje Europoje ir Artimųjų Rytų dalyse – kuri būtų pakankamai išsami savo dydžiu ir laikotarpiu, kad galėtų paremti darbą.
„Jei tikslas yra atskleisti genetinių variantų dažnio pokyčius per pastaruosius 10 tūkstantmečių, kurie yra didesni, nei galima tikėtis atsitiktinai, turime aptikti subtilius efektus, o tam reikia tūkstančių genomų, apimančių tą laikotarpį“, – aiškino Reichas, kuris taip pat yra MIT ir Harvardo Broad instituto narys ir Howardo Hugheso medicinos instituto tyrėjas.
Laboratorija bendradarbiavo su daugiau nei 250 archeologų ir antropologų, kad pateiktų naujus DNR duomenis iš 10 016 senovės individų iš Vakarų Eurazijos. Jie pridėjo šiuos duomenis prie dar 5820 paskelbtų senovės sekų ir 6438 šiuolaikinių sekų.
„Šis vienas straipsnis padvigubina senovės žmonių DNR literatūros apimtį“, – sakė Reichas. „Jis atspindi kryptingas pastangas užpildyti spragas, kurios ribojo ankstesnių tyrimų galią aptikti atranką.“
Antroji naujovė – ir dar svarbesnė tyrimo sėkmei, pasak Reicho, – buvo Ali Akbari sukurti skaičiavimo metodai, skirti atskirti kryptingos atrankos signalą nuo kitų genų dažnio pokyčių priežasčių, tokių kaip žmonių migracija, populiacijų maišymasis ir atsitiktiniai genetiniai svyravimai, atsirandantys mažose populiacijose.
„Ali sukūrė galingą techniką, kuri galėjo priartinti prie iš tikrųjų svarbių modelių“, – sakė Reichas.
Galiausiai Akbari aptiko tik silpną signalą. Komandos skaičiavimais, kryptinė atranka sudarė tik apie 2 % visų genų dažnio pokyčių.
Ką atrinko natūrali atranka?
Maždaug 2 % vis dar apima didelę dalį DNR. Akbari nustatė 479 genų versijas arba alelius, kurie buvo stipriai atrinkti teigiamai arba neigiamai Vakarų Eurazijos genomuose.
Jis ir jo kolegos sugebėjo nustatyti, kada ir kur kai kurie aleliai pradėjo plisti Vakarų Eurazijos genų fonde arba buvo išstumti iš jo. Jie taip pat apskaičiavo bendrą atrankos greitį ir aptiko šio greičio pokyčius.
Jie nustatė, kad atranka paspartėjo pradėjus ūkininkauti, o tai rodo, kaip skirtingi bruožai tapo pranašesni žmonėms pereinant prie žemės ūkio aplinkos ir elgesio.
Daugiau nei 60 % atskirų DNR variantų, kurie buvo pažymėti kaip stipriai atrinkti – dauguma jų – vieno nukleotido polimorfizmai arba SNP (single nucleotide polymorphisms) – turi dokumentuotų ryšių su šiuolaikiniais žmogaus bruožais, tokiais kaip:
- Šviesi odos spalva
- Rudi plaukai
- Celiakijos ir Krono ligos rizika
- Imunitetas ŽIV infekcijai ir atsparumas raupsams
- Mažesnė vyriško tipo plikimo tikimybė
- Mažesnė reumatoidinio artrito ir alkoholizmo rizika
- Raudonuosiuose kraujo kūneliuose esančių baltymų B versijos, kuri suteikia A, B ir O kraujo grupes ir daro įtaką atsparumui bakterijų ir virusų infekcijoms, turėjimas
Kai kuriais atvejais SNP grupės buvo atrenkamos kartu, siekiant paveikti poligeninius bruožus. Kai kurie pokyčiai padidino naudingų savybių dažnį, įskaitant kai kurias, kurios šiandien aiškinamos kaip:
- „Sveikatos apimties“ savybės, tokios kaip greitesnis ėjimo tempas
- Elgesio ir socialinės būklės ar kognityvinių funkcijų rodikliai, tokie kaip intelekto testų rezultatai, namų ūkio pajamos ir mokymosi metai
- Kiti pokyčiai sumažino žalingų savybių dažnį, pavyzdžiui, tų, kurios šiandien aiškinamos kaip:
- Sumažėjusi bipolinio sutrikimo ir šizofrenijos rizika
- Mažesnis kūno riebalų procentas, juosmens ir klubų santykis ir kūno masės indeksas
- Mažesnis polinkis rūkyti tabaką
Dar kiti SNP, pavyzdžiui, kai kurie, kurie šiandien siejami su polinkiu sirgti tuberkulioze ir išsėtine skleroze, iš pradžių per tūkstantmečius dažnėjo, o vėliau mažėjo, o tai rodo aplinkos spaudimo pokyčius ir savybes, kurios pasirodė esančios naudingos, nustatė komanda.
Kai kurios sąsajos atrodo logiškos, kitos – nelogiškos, pavyzdžiui, pagrindinis genetinis glitimo netoleravimo rizikos veiksnys, kuris smarkiai išaugo po to, kai žmonės pradėjo auginti kviečius.
Tačiau autoriai pabrėžia, kad prieš interpretuojant tokias SNP asociacijas, reikia suprasti keletą esminių veiksnių.
Pirma, tai, su kuo variantas siejamas dabar, nebūtinai reiškia, kodėl alelis paplito Vakarų Eurazijos genų fonde. To priežastys:
- Kai kurie požymiai, su kuriais SNP siejami šiuolaikinėse visuomenėse, senovės kontekstuose neegzistavo, todėl negali paaiškinti, kodėl alelis iš pradžių buvo naudingas ar žalingas. Variantas, kuris dabar koreliuoja su namų ūkio pajamomis ar mokymosi metais, akmens amžiuje turėjo reikšti kažką kita. Taigi šie rezultatai nereiškia, kad europiečiai išsivystė į protingesnius ar sveikesnius.
- Tai, kad alelis šiandien formuoja tam tikrą savybę, taip pat automatiškai nereiškia, kad ši savybė buvo svarbi praeityje. Galbūt rudi plaukai buvo naudingi prieš 4000 metų, o galbūt jie atsirado kartu su svarbesne savybe.
- Kai kurie SNP veikia kelis požymius, todėl tai, ką genominė duomenų bazė žymi kaip veikiantį SNP, nebūtinai atspindi viską, ką jis daro. Pavyzdžiui, šiandien žinome, kad tas pats geno variantas, kuris padidina pjautuvinės anemijos riziką, taip pat apsaugo žmones nuo maliarijos, todėl tai, kas atrodo kaip natūrali atranka vienai ligai, gali būti atranka prieš kitą.
- Gali būti, kad pažymėtas SNP iš tikrųjų yra gene šalia to, į kurį buvo nukreipta natūrali atranka – dar vienas būdas prisidėti prie šios ligos.
- Dabartiniai bruožai, kuriems įtakos turi SNP, dar gali būti nežinomi arba neįtraukti į komandos analizuotas duomenų bazes.
Antra, vien dėl to, kad alelis, SNP ar požymis per tą laiką pateko į Vakarų Euraziją arba iš jos išplito, nereiškia, kad tai įvyko tik Vakarų Eurazijoje.
Tyrėjai gali naudoti naujus skaičiavimo metodus, kad ieškotų kryptingos atrankos kitose populiacijose visame pasaulyje, turinčiose pakankamai senovinių DNR sekų, ir susidarytų aiškesnį vaizdą apie tai, kas būdinga skirtingoms grupėms ir kas apibendrinama visose populiacijose. Reichas tikisi, kad būsimi tyrimai parodys, jog bendras atrankos spaudimas veikė kai kuriuos tuos pačius pagrindinius bruožus įvairiose žmonių grupėse, net ir tada, kai tos grupės per dešimtis tūkstančių metų atsiskyrė ir migravo į skirtingas pasaulio dalis.
Kas toliau?
Komanda savo duomenis ir metodus padarė laisvai prieinamus, kad paskatintų naujus tyrimus.
Viena iš galimybių – ištirti kitus galimus duomenų signalus. Akbari teigė, kad jis ir jo kolegos nustatė daugiau nei 7600 genetinių vietų, kurios turi didesnę nei 50/50 tikimybę „būti tikrais kryptingos atrankos pavyzdžiais“ ir pateisina tolesnius tyrimus.
Naujų metodų naudojimas kitų grupių ir tolesnės praeities tyrimams yra įdomiausios Reicho galimybės.
„Kiek panašių modelių matysime Rytų Azijoje ar Rytų Afrikoje arba Amerikos indėnų tarpe Mezoamerikoje ir centriniuose Anduose?“ – klausė jis. „Jei negalime panaudoti senovės DNR, kad ištirtume svarbiausią žmogaus evoliucijos laikotarpį prieš 1–2 milijonus metų, tai bent jau galime ištirti atrankos spaudimą žmogaus genomams per naujesnius pokyčių laikotarpius ir sužinoti platesnius principus.“
Taip pat mokslininkams bus labai svarbu atlikti molekulinius tyrimus, kad geriau suprastų pasirinktų alelių poveikį sveikatai.
Gali būti, kad rezultatai gali nukreipti mokslininkus į naujus genetinius sveikatos ir ligų veiksnius, kurie pagerins ekspertų gebėjimą įvertinti ligų riziką, užkirsti kelią ligoms ir kurti naujus vaistus. Tyrėjai, kuriantys genų terapijas, galėtų apsvarstyti, ar genas, į kurį jie taikosi, tyrime buvo pažymėtas kaip naudingas, sakė Akbari.
Mokslininkai taip pat galėtų naudoti naujus metodus natūraliai atrankai kitose rūšyse tirti. Toks darbas galėtų atskleisti alelius, kurie galvijus ar vištas padarė gerai tinkamus prijaukinimui, pasiūlė Akbari, arba kurie padėjo gyvūnams prisitaikyti prie klimato pokyčių.
Šios galimybės vilioja giliau suprasti žmonių įvairovę, istoriją ir sveikatą, sakė Reichas.
„Šis straipsnis parodo, kokia sudėtinga gali būti atranka, ir suteikia galimybę apsvarstyti žmonių populiacijų įvairovės gausą“, – sakė jis.
Publication details
Ancient DNA reveals pervasive directional selection across West Eurasia, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10358-1
Journal information:Nature
Dr. C. Patinios: jei tikrai suprastume genomo redagavimą, jau būtume išgydę visas genetines ligas
Genomo redagavimas: kaip CRISPR-Cas technologija sukėlė proveržį moksle
Senovės DNR rodo, kad medžiotojai-rinkėjai Europos žemumose išliko iki 2500 m. pr. Kr.