Co víme o původu psa na základě analýzy DNA

Co víme o původu psa na základě analýzy DNA

RNDr. Pavel Lízal, Ph.D. Přírodovědecká fakulta MU Ústav experimentální biologie Oddělení genetiky a molekulární biologie [email protected]

Co víme o původu psa podle DNA? Přednáška představí výsledky studia genetické rozmanitosti

PODOBNOST / ODLIŠNOST

Využití: • • • •

identifikace pachatele zločinu, obětí katastrof paternity identifikace historických osobností studium historie a původu organizmů a populací

Co víme o původu psa podle DNA? Proč pes? • jediný domestikovaný velký masožravec • intenzivně šlechtěný živočich – obrovská rozmanitost plemen • lovecká, pastevecká, hlídačská, ale i okrasná

Co víme o původu psa podle DNA? 1) Metody studia historie a původu populací 2) Hypotéza o domestikaci 3) Analýza mtDNA u žijících psů 4) Analýza chromozomu Y u žijících psů 5) Rozšířená analýza o mtDNA pravěkých psů 6) Celogenomová analýza 7) Původ amerických psů 8) Původ psa Dingo a polynéských psů

Co víme o původu psa podle DNA?

Metody studia historie a původu populací Jak vzniká rozmanitost 1) Mutace

A

a

• nové varianty genů • dědičné změny v DNA • vznikají náhodně • nezbytné v evoluci

2) Pohlavní rozmnožování

• rozmanitost gamet • nové kombinace • crossing-over • splývání gamet • evoluční výhoda


Metody studia historie a původu populací Jak velká je genetická rozmanitost Příklad: Vznik odlišných gamet u heterozygotů homozygoti heterozygot

AA nebo aa Aa

• člověk má asi 6,7 % genů v heterozygotních sestavách • tj. asi 1 575 genů

• teoreticky tedy může vzniknout 21575 druhů gamet • to je asi 10480 (uvádí se, že celkový počet protonů a neutronů na Zemi je odhadem 1076)

• člověk může za život uplatnit jen nepatrné množství gamet • tolik druhů gamet ještě nemohlo ani vzniknout za dobu existence člověka na Zemi


Metody studia historie a původu populací • doposud žádné dvě gamety nemohou být úplně shodné = žádní dva lidé z celého počtu žijících lidí v současnosti, minulosti či vzdálené budoucnosti nemohou být geneticky shodní (vyjma jednovaječných dvojčat)

= rozmanitost jen v kódujících sekvencích (kolem 5 % naši DNA) = nevyčerpatelný zdroj rozmanitosti


Metody studia historie a původu populací

• při studiu historie populací vycházíme z předpokladu, že geneticky podobnější populace jsou si příbuznější a naopak


Metody studia historie a původu populací

Rozmanitost na molekulární úrovni • dnes nejvýznamnější a nejpoužívanější

Nekódující DNA – 90 až 95 % genomu

Kódující DNA 5 až 10 % genomu


Metody studia historie a původu populací Lze ji studovat:

1) na chromozomu Y nebo v mtDNA mtDNA • uložena v mitochondriích v cytoplazmě buňky • dědí se výhradně v mateřské linii – přenos z matky na dcery i syny, synové však dál nepředávají

chromozom Y • součástí jaderné DNA, rozhoduje o mužském pohlaví • dědí se výhradně v otcovské linii – přenos pouze z otců na syny


Recept na polévku aneb jak studujeme historii v DNA • představme si prastarou vesnici (populace), kde žije deset rodin • každá má svůj vlastní recept na polévku a předává jej ústně z generace na generaci • postupem času jednotlivé rodiny zanikají, až zůstane rodina poslední jejíž recept (DNA) na polévku se zachová • tento recept lze tedy vystopovat zpětně až k této rodině • ve skutečnosti však při předávání vznikají chyby nebo si ji každá generace příchutí podle své chuti a dostupného koření (mutace) a recept se tak mírně pozměňuje • v současné vesnici tak máme obrovskou různorodost receptů (rozmanitost) a všechny je můžeme vysledovat až k jedinému společnému předchůdci, rodině, která přežila nejdéle z těch 10 původních rodin a jejíž recept se tak přenášel dál 1 2 3 4 5 . . 10

1

1

3 4 5

3

10

10

1 3a 3b

5

10

1 3a 3b 3c

3d 3a 3b 3c 3e

• impala, černý pepř, hořčice, sýr, oregano • impala, sůl, ostružiny, arašídy, chilli papriky • impala, černý pepř, hořčice, škeble, bazalka • impala, černý pepř, krabí maso, jalovec • impala, sůl, tymián, petržel, vepřové


Metody studia historie a původu populací Lze ji studovat: 1) na chromozomu Y nebo v mtDNA • sledujeme sestavy mutací: – haplotypy – typická sestava mutací – haploskupiny – podobné haplotypy mající společný původ • v dané rodové linii se dědí stejná sestava mutací

• impala, černý pepř, hořčice, sýr, oregano • impala, sůl, ostružiny, arašídy, chilli papriky • impala, černý pepř, hořčice, škeble, bazalka • impala, černý pepř, krabí maso, jalovec • impala, sůl, tymián, petržel, vepřové

• jednotlivé recepty jsou haplotypy – typické je pro ně konkrétní sestava mutací - koření

• soubor receptů na impalí polévky (podobné haplotypy) se pak sdružují do kuchařek (haploskupin) větší příbuznost

menší příbuznost Impalí polévky

Recept na polévku aneb jak studujeme historii v DNA • konkrétní mutace a sestavy mutací vznikly na určitém místě = určují pak místo původu • například u našeho receptu na impalí polévku = můžeme zjistit, kde žila rodina, jejíž recept přežil do současnosti a to na základě složení surovin • představme si, že se zachovalo např. 5 receptů na impalí polévku • impala, černý pepř, hořčice, sýr, oregano • impala, sůl, ostružiny, arašídy, chilli papriky • impala, černý pepř, hořčice, škeble, bazalka • impala, černý pepř, krabí maso, jalovec • impala, sůl, tymián, petržel, vepřové

Impalí polévky

Čím se budeme zabývat?

4) Správný vědecký úhel pohledu

Recept na polévku aneb jak studujeme historii v DNA • impala, černý pepř, hořčice, sýr, oregano • impala, sůl, ostružiny, arašídy, chilli papriky • impala, černý pepř, hořčice, škeble, bazalka • impala, černý pepř, krabí maso, jalovec • impala, sůl, tymián, petržel, vepřové

Impalí polévky

• všechny polévky obsahují impalu = zcela původní polévka tedy také obsahovala impalu • některé recepty obsahují černý pepř, jiné zase sůl – to jsou tedy suroviny přidané druhé v pořadí • dále dva recepty spojuje hořčice = další přísada po pepři • máme pořadí přísad – impala, sůl/pepř, hořčice (v pepřové linii) • to, že se hořčice neobjevuje např. v receptu se solí je dáno tím, že používané přísady jsou typické pro nějakou geografickou oblast, kde je běžná a naopak vzácná či nevyskytující se jinde (viz třeba také škeble nebo krabí maso) • z uvedeného lze tedy odvodit, že recept má původ v Africe a další přísady, typické pro určité oblasti, nám napovídají o geografickém původu dalších populací • pokud víme, s jakou rychlostí ke změnám dochází, můžeme dokonce vypočítat i to, kdy tato rodina žila a kdy recept vznikl

4) Správný vědecký úhel pohledu

Čím se budeme zabývat?

Recept na polévku aneb jak studujeme historii v DNA • největší rozmanitost receptů (haplotypů) a kuchařek (haploskupin) pak ukazuje na populaci, ve které všechny kuchařky vznikly

Impalí polévky


Metody studia historie a původu populací Lze ji studovat: 2) v rámci celého genomu

SNP • jednonukleotidový polymorfizmus • pravděpodobně asi nejrozmanitější znak

• např. u člověka změna může nastat v každém z 3,5 x 109 nukleotidů • velikost genomu psa je 2,4 x 109 nukleotidů (39 párů chromozomů, 20 439 genů, 5 % genomu)



Hypotéza – pes vzniknul zdomácněním vlka


Hypotéza – pes vzniknul zdomácněním vlka

• vlk obecný byl dominantním predátorem Eurasie a Severní Ameriky • člověk s ním přichází do kontaktu po rozšíření z Afriky do Eurasie • prvním společníkem člověka, jediný domestikovaný velký masožravec • první fosilní nálezy ostatků podobných psovitým šelmám – Sibiř, stáří 33 000 let • je to výsledek neúspěšné domestikace nebo už předek moderního psa? • geografický původ psa – možná domestikační centra v jihovýchodní Asii, na Blízkém Východě a Evropě = souvisí domestikace se zemědělstvím?

Vlk obecný



Analýza mtDNA 2009 • zjištěno - všichni psi sdílí společnou sestavu genů = mají společnou historii • popsáno 10 hlavních haploskupin mtDNA • největší genetická rozmanitost a všech 10 haploskupin pouze v jihovýchodní Asii, jižně od řeky Jang-c’-ťiang • tato rozmanitost postupně klesá směrem na západ např. 7 haploskupin ve střední Číně, 5 v severní Číně a jihozápadní Asii a 4 v Evropě

4

5

7

5 10


Analýza mtDNA 2009

• nejstaršího haplotyp - 5 400 až 16 300 let starý • zakladatelkami bylo nejméně 51 vlčic Závěry

• pes má původ v jižní Číně před maximálně 16 300 lety v populaci vlků čítající několik stovek jedinců • místo i čas se shodují s místem vzniku zemědělství (především pěstování rýže) • to naznačuje, že psi mohou mít původ buď v usednutých populacích lovců a sběračů nebo v populacích prvních zemědělců •

větší množství zakladatelských linií pak ukazuje, že zkrocení vlka mohlo být specifickým kulturním znakem

• datování společného předka ukazuje, že ve stejnou dobu se Starým světem šířily tři skupiny psů



Analýza chromozomu Y 2011

• analyzována část chromozomu Y u 151 psů z celého světa • • • •

nalezeno 28 haplotypů tvořících 5 haploskupin z toho 2 haploskupiny se vyskytují u 46 % všech psů 2 další haploskupiny jsou omezeny pouze na oblast východní Asie jižně od řeky Jang-c’-ťiang nalezena také největší genetická rozmanitost

• původ zkoumaných psů - ve 13 až 24 vlčích zakladatelích

• nic nenasvědčuje postdomestikačnímu křížení vlka a psa


mtDNA + chromozom Y • mtDNA i chromozom Y podávají stejný obrázek o původu a historii psa • všichni psi sdílí zhruba 50 % genofondu • největší rozmanitost je v oblasti Asie jižně od řeky Jang-c’-ťiang • potvrzuje to předpoklad, že je to hlavní a možná jediný region, kde došlo k mnoha domestikačním událostem vlka • následné křížení mezi psem a vlkem nepřispělo do genového fondu psa nijak významným způsobem



Rozšířená analýza o mtDNA pravěkých psů 2013

Potvrdí datování a místo domestikace ve východní Asii?

• analyzována částečná mtDNA 18 pravěkých psů • porovnána s kompletní mtDNA • 49 současných vlků • 77 žijících psů (včetně odlišných plemen jako Basenjí a Dingo) • 4 sekvencemi kojota Proč Basenji a Dingo? • dvě geograficky oddělené linie = nedocházelo mezi nimi navzájem ke křížení a ani k prokřížení s vlky v nedávné minulosti • Basenji zastupuje historii loveckého psa západní Afriky • Dingo je volně žijícím polodivokým psem Austrálie

Basenji (Afrika)

Dingo (Austrálie)

Vlk

Kojot


Rozšířená analýza o mtDNA pravěkých psů

Analýza 1 • jednoznačně systematicky zařazené pozůstatky pravěkého psa se znaky domestikace pocházejí z Blízkého Východu a také Východní Asie – stáří zhruba 13 000 let



Analýza 2 • existují i starší nálezy z Evropy a Sibiře • nelze je však jednoznačně označit za psy - avšak mají již některé psí znaky – archaická psovitá šelma, prapes, protopes Evropa – jeskyně Goyet v Belgii, nalezeny pozůstatky staré 36 000 let Analýza mtDNA • patří do vývojové linie psa • jsou spíše sesterskou skupinou ke všem moderním psům i vlkům Závěry • • • • •

nejsou tedy přímým předkem dnešních psů domestikace psa mohla začít už mnohem dříve před asi 18 800 až 32 100 lety v Evropě tato domestikační linie však v čase zanikla domestikace může být mnohem staršího data a mohla probíhat na více místech



Analýza 3 Sibiř – nález Razboinichya z altajské jeskyně v Rusku - stáří 33 000 let Analýza mtDNA • mají geneticky mnohem blíže k dnešním moderním psům a ostatním pravěkým nálezům

• menší příbuznost k současným vlkům • vysoká příbuznost také k prehistorickým psovitým šelmám z Nového světa – souhlasí s poznatky o osídlení Ameriky lidmi



Analýza 3 Sibiř – nález Razboinichya z altajské jeskyně v Rusku - stáří 33 000 let

Závěry • i v tomto případě se jedná o zaniklou domestikační událost • pravděpodobně v důsledku klimatických a kulturních změn v souvislosti s poslední velkou dobou ledovou (před 26 500 až 19 000 lety)



Závěry • obě naleziště jsou časově a hlavně vzdáleností několik tisíc kilometrů od sebe • domestikace psa byla multiregionální záležitostí • za první domestikační centrum lze považovat Evropu (díky analýze pravěkých nálezů)

• avšak tato domestikace nebyla pravděpodobně úspěšná (více prozradí další nálezy)



Celogenomová analýza 2014 Analyzována DNA (celkem 10 milionů míst, tzv. SNP) • tří zástupců vlka obecného (po jednom z každého předpokládaného centra domestikace) • Evropa (2013*) – Chorvatsko • Blízký Východ (2010) – Izrael • Východní/Jihovýchodní Asie (2009-2011) - Čína • dvou prastarých linií psa - Basenji a Dingo (vs. moderní boxer) • šakala obecného (jako kontrola, společný původ)

Basenji

Dingo

Vlk obecný * rok stanovení oblasti za možné domestikační centrum

Šakal obecný


Celogenomová analýza Výsledky:

• u vlka i psa došlo v minulosti k významnému zmenšení velikosti populace (tzv. bottleneck) • liší se však velikostí bottlenecku a dobou, kdy nastal • u psů bottleneck v průběhu domestikace • u vlka bottleneck mnohem dříve, mnohem větší než ten pozdější u psa

Závěr: • vlk a současný pes nesdílí společnou historii

šakal vlk pes


Celogenomová analýza Výsledky:

• u vlka i psa došlo v minulosti k významnému zmenšení velikosti populace (tzv. bottleneck) • liší se však velikostí bottlenecku a dobou, kdy nastal • u psů bottleneck v průběhu domestikace • u vlka bottleneck mnohem dříve, mnohem větší než ten pozdější u psa

• genový tok (křížení – viz zelené úsečky v grafu) • v době před nebo v průběhu domestikace (Basenji a Dingo žijí v oblastech, kde se vlk nevyskytuje a navzájem jsou odděleni geograficky – Afrika a Austrálie = křížení proběhlo již někde v Asii)

šakal vlk pes


Závěry:

Celogenomová analýza

• vlk a současný pes nesdílí společnou historii (viz bottlenecky) • pes vzniká vedle linií vlka, pravděpodobně domestikací společného předchůdce dnešního vlka a moderního psa (viz genový tok) mohla to být prastará linie vlka, která: • zanikla jako následek expanze člověka do Eurasie • může být společným předkem vlka a psa, z něhož domestikací pes vzniká (s domestikací zaniká = přemění se v psa a dnešního vlka)

• prokáží až analýzy dalších kosterních pozůstatků pravěkých psů šakal vlk pes


Celogenomová analýza Další závěry: • žádná z existujících linií vlka z domnělých domestikačních center není více příbuzná se psem = nelze stanovit domestikační centrum

• navíc všechny 3 analyzované linie vlka jsou z genetického hlediska samostatné genetické linie (v „sesterském“ vztahu) šakal vlk pes


Celogenomová analýza Další výsledky a závěry: • počátek domestikace – před 11 000 až 16 000 lety (dle molekulárních hodin) • zasahuje do období před zemědělstvím = pes už v době lovců-sběračů • potvrzuje i gen pro amylázu • souvisí s adaptací na stravu bohatou na škrob • adaptace se nevyskytuje u psů z nezemědělských oblastí např. Dingo nebo Husky



Původ amerických psů • psi se v Americe vyskytovali již v předkolumbovském období - pravděpodobně přišli s prvními migranty moderního člověka z Asie • nejstarší archeologické důkazy první přítomnost psa před 10 000 až 8 500 lety • dřívější studie volně žijících a pouličních psů však ukázala na téměř úplné nahrazení těchto původních psů psy z Evropy • pozdější analýza původu psích plemen Severní a Jižní Ameriky a arktických oblastí - původ amerických psů je mnohem složitější


Původ amerických psů • analyzována a porovnána byla mtDNA: • arktických plemen psů Inuitů, Eskymáků a obyvatel Grónska • plemen psů jako je Aljašský malamut, Čivava, xoloitzcuintli (Mexický naháč) a Perro sı'n pelo del Peru (Peruánský naháč) • psů východní Asie, Evropy • vymřelých předkolumbovských linií


Původ amerických psů Výsledky a závěry: Předkolumbovský původ • psí plemena původních obyvatel Ameriky • mají především předkolumbovskou mtDNA • naproti tomu dnešní volně žijící psi z venkovských oblastí a pouliční psi • malý nebo žádný předkolumbovský původ • avšak i u nich existují některé populace s přetrvávajícím předkolumbovským domorodým původem

psi indiánů = předkolumbovský původ

ostatní = malý nebo žádný předkolumbovský původ


Původ amerických psů Výsledky a závěry: Evropská příměs • jako důsledek prokřížení se psy z Evropy přivezenými v post-kolumbovském období • u plemen psů původních obyvatel Severní a především Jižní Ameriky - zhruba 30% příměs evropských samičích linií mtDNA v jejich genofondu

0%

~ 30 %

• u volně žijících psů Jižní Ameriky - původ téměř zcela evropský = jsou potomky psů (fen) přivezených z Evropy (možná s malou příměsí původních amerických psů)

~ 30 %

• u arktických plemen psů Inuitů, Eskymáků a grónských psů – příměs nenalezena původní volně žijící

arktická

~ 99 %


Původ amerických psů Výsledky a závěry: Pozoruhodná Čivava a Dingo • mexická Čivava je: • geneticky propojena se starověkými mexickými plemeny - má tedy prastarý původ • geneticky spřízněna s Peruánským naháčem • a dokonce i se sibiřskými psy • americký Dingo, který je volně žijícím americkým psem, má starobylý asijský původ


Původ amerických psů Výsledky a závěry:

Původ amerických arktických psů • pravděpodobně představují dvě vývojově oddělené genetické linie První linie – zástupcem je Aljašský malamut • je geneticky propojen s asijskými psy (východoasijskými psy, sibiřským Husky a tažným čukčijským psem)  to ukazuje na významné genetické propojení mezi východní Asií, Sibiří a arktickou Amerikou • geneticky je také spojen s archaickými pozůstatky z Aljašky  to naznačuje starobylý předkolumbovský původ Aljašského malamuta Druhá linie – ostatní moderní arktičtí psi Inuitů, Eskymáků a populací Grónska • geneticky spřízněni s tažným psem předchůdců dnešních Inuitů


Původ amerických psů Výsledky a závěry: • genetické údaje populací amerických psů • podporují hypotézu o počáteční migraci moderního člověka nejdříve na sever a dále na jih amerického kontinentu s následnými migračními vlnami do Arktických oblastí • docházelo přitom ke křížení mezi plemeny psů, které člověka provázely

• historie amerických psů je jak vidno velmi složitá a je pravděpodobně výsledkem několika migračních vln z Asie v předkolumbovské éře s následnou evropskou příměsí



Původ psa Dingo a polynéských psů Porovnána byla část mtDNA: • australských psů Dingo • s mtDNA psů ze všech kontinentů • s mtDNA euroasijských vlků • a dále byl analyzován také úsek mtDNA z prehistorických pozůstatků polynéských psů


Původ psa Dingo a polynéských psů • Dingo má jednoznačný původ ve východní Asii (v mtDNA vykázaly vysokou podobnost se zdomácnělými psy východní Asie a arktické Ameriky) • mtDNA Dinga se od těchto populací začala odlišovat před zhruba 5 000 lety

• Dingo má tedy původ v domestikovaných psech z východní Asie • a do Austrálie se rozšířil v rámci druhé vlny osídlení Austrálie přes ostrovy jihovýchodní Asie pravděpodobně pouze v jediné migrační vlně


Původ psa Dingo a polynéských psů • analýza mtDNA prastarých polynéských psů • nejen australský Dingo, ale i polynéští psi migrovali do oblasti v době před 4 600 až 18 300 lety z Indonésie přes jihovýchodní Asii a nikoliv z Tchaj-wanu, jak se předpokládalo


Shrnutí k původu psa • k prvním domestikacím psa došlo už v době lovecko-sběračských populací dlouho před vznikem zemědělství před více než 30 000 lety v Evropě a v Asii • tyto linie primitivních psů však zanikly v důsledku klimatických změn mnohem dříve než se mohli vyvinout do podoby dnešních moderních psů • současní moderní psi tak mají původ mladší 11 000 až 16 000 let • jejich domestikace však začala ještě před vznikem zemědělství • předchůdcem těchto současných psů není vlk, ale společný prapředek vlka a psa – pravlk - který již v současnosti také nežije • pravděpodobně v důsledku prokřížení nelze určit konkrétní domestikační centrum, tedy kde domestikace současného psa začala • američtí psi mají prastarý asijský původ s větší či menší příměsí evropských sekvencí = v souladu s poznatky o osídlení Ameriky lidmi

• Dingo a polynéští psi mají původ v jihovýchodní Asii

DĚKUJI ZA POZORNOST

Co víme o původu psa na základě analýzy DNA

Recommend Documents