¿Qué es lo que todavía nos hace neandertales?The genomic landscape of Neanderthal ancestry in present-day humans

La evolución humana ha sido más compleja de lo que se pensaba y, en momentos en los que coexistieron diferentes especies de homínidos, se dieron hibridaciones entre linajes que fueron clave en el desarrollo de los humanos modernos). La evidencia genética nos ha demostrado que el Homo neanderthalensis (H. neanderthalensis) y el Homo sapiens (H. sapiens) se cruzaron, y que los humanos de hoy (excepto los africanos), somos el producto de esta mezcla.

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El neandertal, descubierto por primera vez en 1856 en el Valle de Neander (Alemania), fue considerado como “tonto” y “bruto”, pero lo cierto es que eran capaces de fabricar herramientas, enterraban a sus muertos, cuidaban a sus enfermos y controlaban el fuego, cualidades similares a las de los humanos modernos.

Human evolution has been more complex than previously thought and, at times when different hominid species coexisted, interbreeding between lineages would have occurred. These studies suggest that, when Homo sapiens left Africa, instead of simply replacing archaic human species such as Homo neanderthalensis in other parts of the world, they would have been interbred with them. Taking into account this hypothesis, modern humans (except Africans) would be the product of this mixture.

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Neanderthals, the closest evolutionary relatives of present-day humans, lived in large parts of Europe and western Asia before disappearing 30.000 years ago. They lived in nuclear families. Though sometimes thought of as dumb brutes, scientists have discovered that they used tools, buried their dead and controlled fire. Discoveries of elderly or deformed Neanderthal skeletons suggest that they took care of their sick and those who could not care for themselves. They typically lived to be about 30 years old. Neanderthals were primarily carnivorous, and the harsh climate caused them to resort occasionally to cannibalism.

Durante años los científicos debatieron sobre el origen de los humanos modernos. Si bien al principio la hipótesis que se barajó se basaba en que los H. sapiens reemplazarían a otras especies humanas arcaicas al salir de África, (hipótesis soportada por la investigación del genoma mitocondrial), gracias a los estudios genómicos hoy sabemos que, cuando el H. sapiens dejó África, en vez de simplemente reemplazar a otras especies humanas arcaicas en otras partes del mundo, tuvo contacto y fue capaz de hibridar con ellas, dando como resultado la transferencia de información genética de una especie a otra.

Las dos hibridaciones conocidas tuvieron lugar hace respectivamente 80.000 y 40.000 años. La primera de ellas tuvo lugar entre el H. neanderthalensis y el H. sapiens después de la divergencia entre africanos y no africanos de este último, mientras que la segunda de ellas tuvo lugar entre los homínidos de Denisova y los papuanos de Oceanía. Una tercera hibridación, que todavía está siendo investigada, podría habría tenido lugar entre los neandertales y los homínidos de Denisova.

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El intercambio genético entre los neandertales y los humanos modernos habría ocurrido antes de la divergencia de europeos, asiáticos del este y papuanos. Este escenario sería compatible con el registro arqueológico, que muestra que los humanos modernos aparecieron en Oriente Medio hace 100.000 años, mientras que los neandertales estuvieron en esa misma región hasta hace 30.000 años. Figura adaptada de New Scientist.

Las primeras evidencias de la hibridación entre el H. sapiens y el H. neanderthalensis surgieron cuando el equipo de Erik Trinhaus, profesor de Antropología Física de la Universidad de Washington, encontró en 1999 (y posteriormente en 2006) cráneos que combinaban rasgos de neandertales y humanos modernos. Fue entonces cuando los investigadores ambicionaron secuenciar el genoma de neandertal, reto conseguido por el equipo del reconocido antropólogo sueco Svante Päabo a partir de tres muestras óseas en 2010.

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Figuras. Los descubrimientos del esqueleto de Abrigo do Lagar Velho (Portugal) en 1999 (izquierda) y del cráneo de la cueva de Muierii (Rumanía) en 2006 (derecha) permitieron observar por primera vez mosaicos morfológicos que combinaban caracterísiticas del neandertal y del humano moderno.

Gracias a los avances moleculares y tecnológicos de las últimas décadas, fue posible secuenciar el genoma de neandertal y estimar la divergencia por base de DNA entre el genoma de neandertal y el del humano moderno. Así es como determinaron que entre el 1.0 y el 4.5% de nuestro genoma es de herencia neandertal. Dado que la hibridación ocurrió fuera de África, ello explicaría por qué los africanos son Homo sapiens puros, es decir, que su genoma es 100% Homo sapiens.

Pero vayamos a lo que nos interesa. Una vez se confirmó la hipótesis del intercambio genético entre el H. sapiens y el H. neanderthalensis, el siguiente paso fue inferir las regiones genómicas derivadas de neandertal. Para ello, los investigadores analizaron SNPs y regiones que estaban presentes en los no africanos de hoy y en los neandertales, y ausentes en los africanos (recordemos que son H.sapiens puros).

¿Qué es lo interesante de estas investigaciones? Pues en primer lugar, el descubrimiento de los alelos derivados de herencia neandertal, como por ejemplo alelos de la proteína queratina, que se encuentra en el pelo y la piel, y que presumiblemente nos habría ayudado a adaptarnos a ambientes más fríos al salir de África, pero también algunos alelos asociados a enfermedades como el lupus, la cirrosis biliar o la diabetes de tipo II, además de alelos un tanto “curiosos”, como alelos asociados al vicio de fumar.

Además, también descubrieron alelos ausentes en los neandertales y que pertenecerían únicamente a la especie de H. sapiens, como los alelos asociados a las enfermedades del Síndrome de Down o la esquizofrenia, pero también alelos que codifican para proteínas del axonema, la estructura responsable del movimiento flagelar del esperma, o también alelos que codifican para proteínas implicadas en la cicatrización de las heridas. ¿Serían estos alelos clave en el éxito del Homo sapiens como especie dominante a partir de entonces?

Lo que sí parece claro es que la hibridación con el H. neanderthalensis y el intercambio genético se habría visto condicionado por una selección positiva que habría actuado sobre aquellos alelos neandertales ventajosos, lo que habría permitido que el H. sapiens adquiriera alelos que le ayudasen a adaptarse a nuevas áreas geográficas y distinta climatología, muy diferentes a las del África donde surgieron, y que todavía hoy conservamos.

Referencias

  1. A draft sequence of the Neanderthal genome. Richard E. Green, et al. DOI: 10.1126/science.1188021. Science 328, 710 (2010);
  2. The genomic landscape of Neanderthal ancestry in present-day humans. Sankararaman et al. doi:10.1038/nature12961
  3. The early Upper Paleolithic human skeleton from the Abrigo do Lagar Velho (Portugal) and modern human emergence in Ibera. Duarte et. Al. 1999.Proc. Nat. Acad. Scie. USA. Vol. 966, pp. 7604-7609.
  4. Early modern humans from the Pestera Muierii, Baia de Fier, Romania. Trinkhaus et al. 17196-17201. PNAS. Vol. 103. no.46

For years, scientists debated the origin of modern humans. Although initially the hypothesis was based on a replacement of the other archaic human species by the H. sapiens, (hypothesis supported by the mitochondrial genome research), the nuclear genomic studies have shown that when the H. sapiens left Africa, rather than simply replacing other archaic human species elsewhere in the world, they would have been interbred with them, resulting in the transfer of genetic information from one species to another (introgression hypothesis).

The two known interbreeding processes occurred 80.000 and 40.000 years ago respectively. The first one took place between H. neanderthalensis and H. sapiens after the divergence between Africans and non-Africans, while the second one took place between Denisovans and Papuans. A third hybridization, which is still being investigated, could have taken place between Neanderthals and the Denisova hominid.

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The gene flow between Neanderthals and modern humans that they detect most likely occurred before the divergence of Europeans, East Asians and Papuans. This scenario is compatible with the archaeological record, which shows that modern humans appeared in the Middle East before 100.000 years ago whereas the Neanderthals existed in the same region after this time, probably until 50.000 years ago.

The first evidence of interbreed between H. sapiens and H. neanderthalensis emerged when the team of Erik Trinkaus, professor of physical anthropology at the University of Washington, found in 1999 (and later in 2006), skulls combining features of  Neanderthals and modern human (Yes! they found hybrids). This pointed out the ambition of sequencing the Neanderthal genome. The renowned Swedish anthropologist Svante Paabo succeeded with it in 2010.

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The discovery of the skeleton of Abrigo do Lagar Velho (Portugal) in 1999 (left) and the skull in cave Muierii (Romania) in 2006 (right) allowed to observe first mosaics combining morphological characteristics of Neanderthal and modern humans.

The molecular advances of recent decades made possible the sequencing of Neanderthal genome and the estimation of the sequence divergence between the Neanderthal genome and the modern human genome. The research showed that between 1.0-4.5% of our genome is from Neanderthal heritage. Since hybridization occurred outside Africa, it would explain why Africans are “pure” Homo sapiens: their genome is 100% Homo sapiens.

Once they confirmed the introgression hypothesis, the next step was to discover the genomic regions and genes that were the strongest candidates that would have been derived from Neanderthals. Researchers found that positive selection probably had acted on those Neanderthals alleles that conferred an advantage to adapt to new environments. Thus, Neanderthals alleles that affect skin and hair may have helped modern humans to adapt to non-African environments (for instance, keratin alleles would have helped us to adapt to coldest regions), but we also inherited alleles associated with diseases such as lupus, biliary cirrhosis or Crohn’s disease. Even smoking is thought to be from Neanderthal inheritance!

Other discovery that was of special interest were the alleles found in all-present-day humans and absent in Neanderthals.  Alleles associated with diseases such as Down syndrome, schizophrenia and autism were found. However, it seems that the appearance of some alleles would have allowed the Homo sapiens survival, like those ones involved in wound healing, in the beating of the sperm flagellum or in sweating processes.

Summarizing, what does seem clear is that the gene flow between Neanderthals and modern humans occurred before the divergence of Europeans, East Asians and Papuans. The genetic exchange would have been influenced by positive selection, which would have acted on those Neanderthal advantageous alleles that would have allowed the H. sapiens to adapt to new geographical areas and different climate, very different from the continent where they emerged.

References

  • A draft sequence of the Neanderthal genome. Richard E. Green, et al. DOI: 10.1126/science.1188021. Science 328, 710 (2010);
  • The genomic landscape of Neanderthal ancestry in present-day humans. Sankararaman et al. doi:10.1038/nature12961
  • The early Upper Paleolithic human skeleton from the Abrigo do Lagar Velho (Portugal) and modern human emergence in Ibera. Duarte et. Al. 1999.Proc. Nat. Acad. Scie. USA. Vol. 966, pp. 7604-7609.
  • Early modern humans from the Pestera Muierii, Baia de Fier, Romania. Trinkhaus et al. 17196-17201. PNAS. Vol. 103. no.46

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