(PhysOrg.com) – Сравнение геномов 50 тибетцев и 40 китайцев хань показывает, что этнические тибетцы отделились от ханьцев менее 3000 лет назад и с тех пор быстро развили уникальную способность процветать на больших высотах и при низком уровне кислорода.
Полногеномное сравнение, проведенное биологами-эволюционистами из Калифорнийского университета в Беркли, выявило более 30 генов с мутациями ДНК, которые стали более распространенными у тибетцев, чем у китайцев хань, почти половина из которых связана с тем, как организм использует кислород. В частности, одна мутация распространилась от менее 10 процентов китайцев хань до почти 90 процентов всех тибетцев.
"Это самое быстрое генетическое изменение, которое когда-либо наблюдалось у людей," сказал Расмус Нильсен, профессор интегративной биологии Калифорнийского университета в Беркли, который руководил статистическим анализом. "Для такого очень сильного изменения многим людям пришлось бы умереть просто из-за того, что у них была неправильная версия гена."
Широко распространенная мутация у тибетцев связана с геном EPAS1, так называемым "ген супер атлета" идентифицированы несколько лет назад и названы, потому что некоторые варианты гена связаны с улучшением спортивных результатов, сказал Нильсен. Ген кодирует белок, отвечающий за определение уровня кислорода и, возможно, балансирование аэробного и анаэробного метаболизма.
Новые открытия могут направить ученых к неизвестным до сих пор генам, которые играют роль в том, как организм справляется с пониженным содержанием кислорода, и, возможно, объясняют некоторые заболевания, включая шизофрению и эпилепсию, связанные с кислородным голоданием в утробе матери, сказал он.
Нильсен и его коллеги из Китая и Европы сообщают о своих выводах в выпуске журнала Science от 2 июля.
Нильсен, компьютерный эволюционный биолог, добывает геномную информацию, чтобы обнаружить генетические изменения, вызванные естественным отбором, поскольку люди и животные адаптировались к новой среде. Изменения в частоте мутаций ДНК – одна из подсказок.
"Вы ищете быстрой эволюции генов, потому что в этом гене должно быть что-то важное, заставляющее его так быстро меняться," он сказал. "Новое открытие действительно является первым случаем, когда эволюционная информация помогла нам точно определить важную функцию гена у людей."
Адаптация к низкому уровню кислорода позволила многим народам от Анд до тибетцев жить на большой высоте. Когда люди из более низких высот перемещаются на высоту около 13000 футов, где уровень кислорода примерно на 40 процентов ниже, чем на уровне моря, они обычно легко устают, у них развиваются головные боли, рождаются дети с меньшим весом при рождении и выше уровень детской смертности. У тибетцев нет ни одной из этих проблем, несмотря на более низкое насыщение крови кислородом и более низкий уровень гемоглобина. Гемоглобин, придающий крови красный цвет, связывает и транспортирует кислород к тканям организма.
Nielsen использовал данные генома, предоставленные Пекинским институтом геномики (BGI) в Шэньчжэне, флагманском геномном центре Китая, чтобы выявить генетические изменения, связанные с этими физиологическими изменениями.
"Мы ищем следы прошлой селекции, чтобы найти что-то функциональное в нашем геноме," Нильсен сказал.
Исследователи BGI получили ДНК 50 тибетцев, проживающих в Тибетском автономном районе Китая, и 40 китайцев хань из Пекина. Тибетцы жили в двух деревнях, расположенных на высоте 4300 метров (14 100 футов) и 4600 метров (15 100 футов). Все сообщили, что по крайней мере три поколения предков жили на одном и том же месте. После получения информированного согласия китайские исследователи взяли образцы крови у участников и измерили сатурацию кислорода, концентрацию эритроцитов и содержание гемоглобина в их крови.
Вернувшись в лабораторию, команда BGI выделила только активные гены или экзоны от каждого человека, а затем использовала технологию секвенирования следующего поколения для секвенирования этих так называемых экзомов. Это включало разрезание ДНК на множество коротких фрагментов, секвенирование каждой примерно по 18 раз с помощью современных секвенирующих машин Illumina, а затем использование перекрытий, чтобы помочь собрать полный геном каждого человека. Этой работой руководил Юн Ван из BGI и Копенгагенского университета в Дании.
Нильсен и постдокторанты Джон Э. Пул, Эмилия-Уэрта Санчес и Николас Винкенбош провели анализ в Калифорнийском университете в Беркли, обнаружив все точечные мутации, называемые однонуклеотидными полиморфизмами (SNP), в 90 геномах, а затем сравнили тибетский и ханьский языки отдельно с контрольной группой из 100 европейцев (датчане). ).
Анализ показал, что общие предки тибетцев и ханьцев разделились на две популяции около 2750 лет назад, при этом большая группа перебралась на Тибетское плато. Эта группа в конечном итоге сократилась, в то время как население низинных ханьцев резко увеличилось. Сегодня ханьцы являются доминирующей этнической группой в материковом Китае. Тибетская ветвь либо слилась с людьми, уже населявшими Тибетское плато, либо заменила их.
"Мы не можем отличить перемешивание и замену," Нильсен сказал. "Китайцы хань и тибетцы настолько отличаются друг от друга, как если бы ханьцы полностью заменили тибетцев около 3000 лет назад."
Геномы тибетцев и ханьцев по существу идентичны с точки зрения частоты полиморфизмов примерно в 20000 генов, хотя около 30 генов выделяются из-за резких различий между тибетцами и ханьцами.
"Мы составили список генов, которые изменились больше всего," Нильсен сказал, "и что было увлекательно, так это то,!, в верхней части этого списка был ген, который очень сильно изменился, и он был связан с реакцией на кислород."
SNP с наиболее резким изменением частоты, с 9 процентов у ханьцев до 87 процентов у тибетцев, был связан с более низким количеством эритроцитов и более низким уровнем гемоглобина у тибетцев. Это изменение произошло рядом с геном EPAS1, который, как предполагают более ранние исследования, участвует в регуляции гемоглобина в крови в ответ на уровень кислорода. Мутация может быть в факторе транскрипции, который регулирует активность EPAS1.
Тибетцы, несущие только один аллель с этой мутацией, имели примерно такую же концентрацию гемоглобина, как ханьцы, но у тех, у кого были два мутированных аллеля, была значительно более низкая концентрация гемоглобина. Однако у всех них примерно одинаковая концентрация кислорода в крови. По какой-то причине люди с двумя копиями мутации хорошо себя чувствуют на большой высоте с относительно низкой концентрацией гемоглобина в крови. По словам Нильсена, мутация, по-видимому, обеспечивает альтернативный врожденный механизм борьбы с низким уровнем кислорода.
Другие тщательно отобранные варианты были рядом с генами фетальных и взрослых версий глобиновых генов, которые производят структурные белки гемоглобина.
Два других гена, показывающих резкое изменение частоты, были связаны с анемией, в то время как несколько других генов были связаны с заболеваниями, включая шизофрению и эпилепсию, возможно, вызванные низким уровнем кислорода в утробе матери.