Out of Africa: mtDNA en Y chromosoom
Jean-Jacques Cassiman KuLeuven
12.05.2007
Kern DNA
CME ‘06
CME ‘06
CME ‘06
Start in 2007: twee zonen per generatie (25j) In 2258 (10 generaties of 250 jaar) zullen er ~1024 Y chromosomen in de populatie zijn
Human mtDNA control region Segment I
Segment II 16401
15996
29
405 bp
408
379 bp
mtDNA
CME ‘04
Mitochondriaal DNA (mtDNA)
mtDNA is 0.0006% van alle DNA in een cel
1 1 2 2 ....
1 1 2 2 ...
XY
XX
mtDNA
1 1 2 2 .... XY
mtDNA
1 1 2 2 .... XX
mtDNA CME ‘06
Oorzaken van variatie in samenstelling van het DNA (mutaties) • Indels: inserties of deleties • Duplicaties • Minisatellieten: Variable Number of Tandem Repeats (VNTR) • Microsatellieten: Short Tandem Repeats (STR) • SNP
Variatie in de samenstelling van DNA • • • •
…..wat was wat …………… normaal …..wat wsw at………………deletie …..wat waa swa t…………. insertie …..wat wes wat…………… SNP
DNA-profiel - termen • Allel – DNA-fragment • Genotype – combinatie van allelen • DNA-profiel – combinatie van genotypes
1000-1
D3S1358
vWA
FGA
D8S1179
D21S11
D18S51
D5S818
D13S317
D7S820
AMEL
14-16
18-19
22-25
10-14
28-30
12-13
11-12
11-12
10-11
XY
Copy Number Variation (CNV) Een gen Gen A
GenA
Gen A
Gen A
Gen A
Gen A
Gen A
Gen A
Gen A
Gen A
Gen A
Groepen genen ABCD ABCD
ABCD
ABCD
ABCD
CGH Array Species differences
Ontstaan van polymorfismen in verschillende bevolkingsgroepen • Mutaties • Selectie • Migratie (genetic drift)
Phylogenetisch netwerk voor 120 eiwitten polymorfismen
L. Cavalli-Sforza et al. Nature Genetics 33, 266-275, 2003
Haplogroep 1
Haplotype1
SNPs
Haplotype2
Haplogroep 2
Haplotype3
Haplotype4
A
A
X
X
B
F
Y
Y
C
C
Z
T
D
D
W
T
E
E
Q
Q
1
3
4
5
C
D
B
9
10
C
6
MtDNA MtDNA Haplotype Haplotype Groups: Groups: 11 2,3,6,8,11,13,15,16 2,3,6,8,11,13,15,16 4,9,10 4,9,10 55 77 12 12 14,17,18 14,17,18
7
B
11
C
B 2
A
B
B
E
12
B
15
8
13
B
F
16
14
17
B
G
G
18
G
Figure 10.2, J.M. Butler (2005) Forensic DNA Typing, 2nd Edition © 2005 Elsevier Academic Press
CME ‘06
De meest recente voorouder
Verleden
Tijd Generatie
Haplotype = mtDNA sequentie of een combinatie van STRs Haplogroep = groepering van haplotypes
Heden
Fylogenetische methoden •
Een fylogenetische boom is een grafische manier om het evolutionaire patroon voor te stellen van genetische diversiteit – DNA-sequenties – Haplotypes – Populaties
•
Grafische wijze om de evolutionaire verwantschap voor te stellen
•
Cladistiek
Coalescent Theory •
Berekening van het tijdstip waarop een nieuwe variant is ontstaan
• Berekening van de omvang van de oorspronkelijke bevolking
Population 1 Present
Time
Population 2
Population 3
TCGAGGTATTAAC TCTAGGTATTAAC TCGAGGCATTAAC TCTAGGTGTTAAC TCGAGGTATTAGC TCTAGGTATCAAC * ** * *
Most recent common ancestor (MRCA)
De origine van Homo sapiens •
2 verschillende theorieën betreffende de evolutie en verspreiding van de Homo sapiens populatie op de wereld – Het “multi-regionaal” model (Milford Wolpoff) – Het “Out-of-Africa Replacement” model (Chris Stringer)
Het “multi-regionaal” model •
•
•
De moderne mens evolueerde uit H. erectus in Azië, H. neanderthalensis in Europa en H. erectus/ergaster in Afrika “Gene flow” tussen deze populaties gecombineerd met natuurlijke selectie zorgde voor een modern complex van genen wereldwijd met genetische homogeniteit tussen de soorten Model heeft een beperkt aantal aanhangers (paleoantropolo-gen)
“Out-of-Africa Replacement” model • •
• •
De “wortels” van de moderne mens liggen in Afrika Mogelijkheid dat de archaïsche mens in andere werelddelen niet volledig vervangen werden Het aantal verspreidingen is niet gekend. Meer dan één ? De meeste paleoantropologen en populatie genetici onder-steunen dit model
“Out-of-Africa 2”
Verspreiding van Homo sapiens •
DNA studies tonen een origine in Afrika aan met een verspreiding naar de andere continenten vanaf ongeveer 80.000 jaar geleden – Expansie van populaties – laat-paleolithicum (45.000-10.000 jaar geleden) en neolithicum (10.000-4.000 jaar geleden) – Klimaatomstandigheden hebben een belangrijke invloed gehad op de verspreiding – 2 ijstijden: 70.000-55.000 en 23.000-14.000 jaar geleden
•
Verschillen in datering tussen mtDNA en Y chromosoom – in rekening brengen van “onzekerheid” (95% conf. int.) geeft overlappende dateringen
•
De resultaten van de DNA studies worden bevestigd door archeologische vondsten (fossielen en “moderne” cultuur)
Genetisch bewijs voor OOA2 •
Indien OOA2 correct is dan moet voldaan zijn aan de volgende eigenschappen – Het aantal voorouders moet beperkt zijn – Er zou “weinig” genetische variatie aanwezig zijn in de moderne mens – recente origine – De Afrikaanse populatie moet het meeste genetische variatie vertonen terwijl populaties in Azië en Europa slechts een subset van deze variatie bevat
• • •
Verschillende studies hebben een lage genetische diversiteit bevestigd – lage voorouder populatie grootte Er is een hogere genetische diversiteit in Afrika dan in de rest van de wereld Bewijs via mtDNA
Verspreiding van mtDNA haplogroepen
130.000 jaren geleden
80.000-60.000 jaren geleden
60.000-50.000 jaren geleden
50.000-40.000 jaren geleden
Verspreiding van mtDNA haplogroepen
50.000-30.000 jaren geleden
25.000 jaren geleden
25.000-18.000 jaren geleden
Verspreiding van mtDNA haplogroepen
25.000-18.000 jaren geleden
Laatste 10.000 jaren - Neolithicum
18.000-10.000 jaren geleden
Hoge resolutie fylogenetische boom • • •
• •
Identificatie van 160 SNPs op het Y chromosoom met behulp van dHPLC Analyse van ~1000 mannen uit representatieve populaties van verschillende continenten Een minderheid van de OostAfrikaanse en Khoisan popu-laties zijn de afstammelingen van de meest oude voorouder lijnen OOA2: 35.000 tot 89.000 jaren geleden Underhill P.A. et al. Y chromosome sequence variation and the history of human populations. Nature Genetics 26: 358-61 (2000)
Geografische distributie
Afrikaanse
Afrikaanse en niet-Afrikaanse
Underhill P.A. et al. The phylogeography of Y chromosome binary haplotypes and the origins of modern human populations. Annals of Human Genetics 65: 43-62 (2001)
Distributie van Y haplogroepen
Jobling M.A. and Tyler-Smith C. Nature Review Genetics (2004)
Verspreiding van Y chromosoom haplogroepen 130.000-70.000 jaren geleden
130.000-70.000 jaren geleden
50.000-45.000 jaren geleden
45.000-30.000 jaren geleden
Underhill P.A. et al. The phylogeography of Y chromosome binary haplotypes and the origins of modern human populations. Annals of Human Genetics 65: 43-62 (2001)
Verspreiding van Y chromosoom haplogroepen 30.000-20.000 jaren geleden
LGM - 18.000 jaren geleden
15.000-10.000 jaren geleden
Holoceen – laatste 11.000
Underhill P.A. et al. The phylogeography of Y chromosome binary haplotypes and the origins of modern human populations. Annals of Human Genetics 65: 43-62 (2001)
