Facultatea de Medicină, Institutul de Biomedicină, Universitatea Finlandei de Est, Kuopio, Finlanda

Facultatea de Medicină, Institutul de Biomedicină, Universitatea Finlandei de Est, Kuopio, Finlanda

Corespondenţă

Carsten Carlberg, Facultatea de Medicină, Institutul de Biomedicină, Universitatea Finlandei de Est, POB 1627, FI - 70211 Kuopio, Finlanda.

Facultatea de Medicină, Institutul de Biomedicină, Universitatea Finlandei de Est, Kuopio, Finlanda

Facultatea de Medicină, Institutul de Biomedicină, Universitatea Finlandei de Est, Kuopio, Finlanda

Corespondenţă

Carsten Carlberg, Facultatea de Medicină, Institutul de Biomedicină, Universitatea Finlandei de Est, POB 1627, FI - 70211 Kuopio, Finlanda.

Informații de finanțare:

C.C. a fost finanțat de Academia Finlandei (subvenția nr. 267067).

Abstract

Homo sapiens a evoluat în Africa de Est și a avut pielea, părul și ochii întunecați, pentru a se proteja împotriva consecințelor dăunătoare ale radiațiilor UV intensive la latitudini ecuatoriale. S-a crezut că pigmentarea intensivă a pielii suportă riscul unei sinteze ineficiente a vitaminei D3 pe piele. Acest lucru a inițiat ipoteza că în ultimii 75.000 de ani, în care oamenii au migrat către latitudini superioare din Asia și Europa, nevoia de sinteză a vitaminei D3 a servit drept motor evolutiv pentru iluminarea pielii. În această revizuire, sintetizăm reconstrucția arheogenomică recentă a amestecului de populație din Europa și demonstrăm că iluminarea pielii s-a întâmplat până în urmă cu 5000 de ani prin imigrația populațiilor mai ușoare pigmentate din vestul Anatoliei și stepa rusă, dar nu în primul rând prin intermediul presiunea evolutivă pentru sinteza vitaminei D3. Arătăm că variațiile genelor care codifică proteinele fiind responsabile de transportul, metabolismul și semnalizarea vitaminei D oferă mecanisme alternative de adaptare la o viață din latitudinile nordice fără a suferi consecințele deficitului de vitamina D. Aceasta include ipoteze care explică diferențele în starea de vitamina D și indicele de răspuns al populațiilor europene.

Abrevieri

1. INTRODUCERE

Majoritatea proprietăților antropomorfe ale oamenilor, cum ar fi culoarea pielii, a părului și a ochilor, [1] se bazează pe genotipul indivizilor, care se bazează pe funcția și expresia genelor lor. În prezent, aceste trăsături variază foarte mult între populațiile umane, dar sunt rezultatul evoluției destul de recente a oamenilor anatomici moderni (homo sapiens). Pielea, părul și ochii erau întunecați, când acum 50-75 000 de ani homo sapiens și-a părăsit originea în Africa de Est ecuatorială și a migrat mai întâi în Asia și Oceania și mai târziu în Europa și America. [2, 3] În special în nordul Europei și Siberia, pielea și părul uman au devenit mai deschise și au apărut ochi albaștri, ducând în întreaga Europă la un gradient Nord-Sud în pigmentare. [4] Acest lucru duce la întrebarea dacă în medii geografice noi, cum ar fi regiunile cu latitudine destul de mare, au existat factori evolutivi pentru aceste modificări ale intensității pigmentării.

În această revizuire, contestăm ipoteza iluminării pielii datorată vitaminei D prin rezumarea datelor arheogenomice recente privind modificările culorii pielii, părului și ochilor la populațiile europene în ultimii 10.000 de ani. Mai mult, discutăm modificările frecvenței alelelor polimorfismelor cu nucleotide unice (SNP) în genele legate de metabolismul și funcția vitaminei D prin compararea populațiilor europene actuale cu africani și asiatici de est. În acest context, vă prezentăm propriile ipoteze care explică diferențele în starea vitaminei D și indicele de răspuns al indivizilor.

2 MELANINA ȘI MODULAREA SINTEZEI

culoarea

Pe scurt, câteva variații ale genelor implicate în melanogeneză explică bine diferențele de pigmentare a pielii, părului și ochilor, în special la populațiile europene.

3 SINTEZA VITAMINEI D3 ȘI A METABOLITELOR LUI

Luată împreună, vitamina D și metaboliții săi sunt biomolecule importante, a căror sinteză suficientă este critică pentru o serie de funcții fiziologice ale corpului uman.

4 ISTORICUL ILUMINĂRII PIELEI ÎN EUROPENI

Deși studiile de asociere la nivel larg ale genomului au evidențiat culoarea pielii ca o trăsătură extrem de poligenică, [20, 61, 62] dovezi pentru selectarea variantelor de pigmentare la europenii actuali au fost găsite doar pentru un număr limitat de variante cu efect mare, primele două dintre care s-au dovedit a fi locurile genelor SLC24A5 și SLC45A2. [24, 63] Astfel, culoarea deschisă a pielii europenilor de astăzi se bazează în principal pe SNP-uri non-sinonime ale genelor SLC24A5 și SLC45A2, a cărei origine geografică este Asia de Vest și Orientul Apropiat [48] (Figura 2). Estimările inițiale bazate pe diversitatea haplotipului de microsateliți la oamenii moderni au sugerat că alelele derivate ale acestor SNP erau comune la europeni deja cu aproximativ 11.000 - 19.000 de ani în urmă. [64, 65] Cu toate acestea, analiza arheogenomică recentă, adică secvențierea genomului întreg al ADN-ului antic, a permis o descriere mai precisă a evoluției și a momentului modificărilor trăsăturilor în cadrul populațiilor europene. [48, 56, 57, 65-70]

SNP rs1426654 în cadrul SLC24A5 gena are cel mai mare efect asupra iluminării pielii a tuturor variantelor genetice identificate până în prezent. [66] Se află într-un bloc de haplotip mare (78 kb) C11 împărțit de practic toți purtătorii acestei alele, inclusiv vânătorii-culegători antici scandinavi, estici și din Caucaz, [48] sugerând că această variantă de piele ușoară derivă dintr-un singur purtător. care a trăit acum 22 000-28 000 de ani [48, 71] în Orientul Mijlociu. [72] În mod similar, analiza haplotip a SNP rs16891982 din SLC45A2 gena a concluzionat că această mutație de iluminare a pielii a apărut o singură dată în strămoșii caucazienilor. [48, 73] Migrațiile din Caucaz și Europa de Est ar fi adus ambele alele în Scandinavia, spre deosebire de sudul și centrul Europei, unde au fost introduse de fermierii din vestul Anatoliei [48] extinzându-se în urmă cu 8500 până la 5000 de ani [3] ( Figura 2, dreapta). Acesta a fost începutul revoluției neolitice în aceste regiuni, caracterizat printr-un stil de viață mai sedentar și domesticirea anumitor specii de animale și plante. [3]

Fermierii anatolieni aveau o statură corporală destul de scurtă și ochi predominant căprui, ceea ce explică trăsăturile antropomorfe cheie ale sud-europenilor de astăzi, spre deosebire de Yamnayas, care avea o înălțime corporală ridicată și s-au stabilit preferențial în nordul Europei. [3, 74] Mai mult, acești păstori de stepă au adus calul, roata și limbile indo-europene. [66, 74-76] În mod interesant, populațiile antice derivate din nordul Eurasiatiei, cum ar fi vânătorii-culegători din est și Yamnayas, purtau alela părului blond rs12821256 din KITLG genă către Europa. [66] Primele sale dovezi au fost descrise într-un vechi 18.000 de ani vechi nord-eurasiatic la vest de lacul Baikal (Figura 2, dreapta). Este important de remarcat faptul că cele patru mari populații fondatoare ale eurasiaticilor, care erau fermieri ai Semilunii Fertile (inclusiv vestul Anatoliei), fermieri ai Iranului, vânători-culegători din Europa Centrală și de Vest, precum și din Europa de Est (Figura 2, dreapta ), diferă genetic unul de celălalt probabil la fel de mult ca europenii de astăzi față de asiaticii de est. [77] Astfel, fenotipul clasic al luminii europenilor a devenit frecvent doar în ultimii 5000 de ani [3, 56, 70] și își datorează originea migranților din Orientul Apropiat și Asia de Vest. [48]

Pe scurt, nu există dovezi convingătoare ale unui efect evolutiv direct al vitaminei D asupra iluminării pielii europenilor.

5 VARIANTE GENETICE ASOCIATE CU VITAMINA D METABOLISM ȘI SEMNALIZARE

Luate împreună, în ultimii 40.000 de ani de la prezența homo sapiens în Europa, populațiile au fost selectate pentru variantele genetice care au permis să facă față prin intermediul diferite mecanisme cu niveluri mai scăzute de circulație 25 (OH) D3.

6 SITUAȚIA ȘI INDICE DE RĂSPUNS A VITAMINEI D

Pe scurt, analiza indicelui de răspuns la vitamina D poate fi cel mai bun parametru pentru descrierea necesităților de vitamina D decât referirea la starea vitaminei D.

7 HIPOTESE DE ADAPTARE A VITAMINEI D EVOLUTIVE

A treia ipoteză sugerează că populațiile de la latitudini superioare au reușit să trăiască cu un statut mai scăzut de vitamina D, deoarece sistemul lor de vitamina D (enzime, transportor și receptor) a dezvoltat o afinitate mai mare pentru vitamina D3 și metaboliții săi, astfel încât să poată fi activată de o starea mai scăzută a vitaminei D (Figura 4, dreapta). Acest concept are avantajul că indivizii nu ar trebui să vizeze un statut ridicat de vitamina D. Cu toate acestea, deși adaptări similare de afinitate sunt cunoscute din diferite sisteme biologice, cum ar fi detectarea glucozei sau adaptarea la temperatura rece, [105] nu există până acum nicio dovadă experimentală pentru această ipoteză.

Întrucât pentru persoanele care răspund la un nivel ridicat de vitamina D, un statut destul de scăzut al vitaminei D este încă suficient pentru a activa toate genele țintă ale vitaminei D [38], s-ar putea să fi existat o selecție pentru persoanele care răspund cu un nivel ridicat de vitamina D în nordul Europei. În consecință, ipoteza 4 presupune că strămoșii Yamnaya (inclusiv strămoșii de la vânătorii-culegători siberieni) au avut un efect dominant asupra fenotipului nord-europenilor [3, 106], care este împreună cu alte trăsături Yamnaya au adus, de asemenea, o sensibilitate ridicată la vitamina D în Europa, care poate să fi provenit predominant din vechile nord-eurasiatice (Figura 4, dreapta). Într-un gradient nord-sud, persoanele cu strămoși din vânătorii-culegători din vestul Europei pot prezenta o reacție intermediară la vitamina D, iar cele cu fermieri anatolieni cel mai scăzut. Baza mecanicistă pentru procesele din spatele ipotezelor 3 și 4 sunt probabil SNP-urile discutate în contextul ipotezei 2. Astfel, ipotezele 3 și 4 sunt strâns legate de ipoteza 2 și pot fi prezentate ca un concept.

Luat împreună, conceptul de creștere a frecvenței SNP-urilor care afectează sistemul de vitamina D poate servi ca înlocuitor al pielii - ipoteza de luminare.

8 CONCLUZIE

Proiectul 1000 genomi [107] a indicat faptul că oamenii de la nivel european decent au o serie de variante în genomul lor care au efecte importante asupra trăsăturilor care formează fenotipul lor. Exemplul principal al acestor trăsături este toleranța la lactoză, care se datorează SNP-urilor dintr-un amplificator care reglementează LCT adulții genei sunt capabili să digere zahărul din lapte. Mai mult, trăsăturile antropomorfe, cum ar fi pielea, părul și culoarea ochilor, sunt acum bine înțelese pe baza SNP-urilor care afectează genele SLC24A5, SLC45A2, OCA2, KITLG si altii. Ipoteza de iluminare a pielii a lui Jablonski [8] a fost formulată în urmă cu 20 de ani și a presupus că necesitatea unei sinteze eficiente a vitaminei D a acționat ca un motor evolutiv pentru iluminarea pielii la populațiile care trăiesc la latitudini înalte. Cu toate acestea, datele arheogenomice au indicat faptul că europenii au devenit palizi ca culoare predominantă a pielii cu doar aproximativ 5000 de ani în urmă, prin încrucișarea cu populațiile migratoare originare din Anatolia și stepa rusă. Populațiile din urmă au acumulat probabil alele ușoare ale pielii prin intermediul deriva genetică [24] mai degrabă decât printr-un efect al vitaminei D.

În această revizuire, am oferit explicații alternative pentru adaptarea sistemului de vitamina D în timpul migrării homo sapiens la regiuni geografice cu producție de vitamina D3 endogenă scăzută sau deloc în timpul iernii. Aceste concepte se bazează pe SNP-uri care afectează funcția genelor implicate în sinteza vitaminei D, transportul, metabolismul, legarea receptorilor și eficiența genei țintă. În concluzie, populațiile europene antice s-au ocupat în primul rând de „problema vitaminei D” prin intermediul sensibilitate mai mare pentru vitamina D3 și metaboliții săi, dar mai puțin probabil prin obținerea pielii mai deschise.

Mulțumiri

Autorii ar dori să mulțumească lui Jani Miettinen pentru îndrumări în programarea R și Juha Kekäläinen și Teemu Kuulasmaa pentru sprijin bioinformatic, precum și lui Mauro Scaravilli pentru discuții valoroase.