Uma perspectiva genética das origens humanas

Matthew Williams ; João Teixeira https://doi.org/10.1042/BIO04201006

Ancestral comum humano

 

” Você só precisa voltar em média nove gerações para encontrar ancestrais biológicos dos quais não herdou nenhuma informação genética”

Resumo: Do ponto de vista científico, que abordamos no presente artigo, a questão das origens humanas ficou profundamente entrelaçada com a teoria da evolução de Charles Darwin no final do século XIX. Isso levou ao desenvolvimento de cientistas de campos omo  paleoantropologia , que analisa restos fósseis, ferramentas de pedra e artefatos culturais juntar o nosso passado. Recentemente, no entanto, a possibilidade de avaliar informações genéticas de milhares de indivíduos em todo o mundo e, mais importante, obter DNA de amostras que viveu milhares de anos no passado (as chamadas análises antigas de DNA [aDNA]) está se transformando rapidamente crenças antigas sobre nossas origens. Como tal, nunca estivemos em melhor posição para perguntar o que nossas os genomas precisam nos contar de onde viemos. Em última análise, no entanto, eles podem nos dizer quem somos?

Nas disciplinas científicas, existe uma relação complexa entre a lâmina de Occam, que afirma que a explicação mais simples é a melhor, e o paradoxo de Bonini, elegantemente colocado pelo filósofo e poeta Paul Valéry: ‘Tudo que é simples é falso. Tudo complexo é inutilizável ‘. Isto é particularmente verdadeiro para a pesquisa do DNA. Como pesquisadores, não estamos simplesmente tentando inferir eventos demográficos incomensuravelmente complexos a partir de quantidades relativamente pequenas de dados incompletos, mas também eventos históricos. Para entender a história de nossa espécie, os estudos de DNA se baseiam em sintetizar a teoria da genética de populações e modelar com reconstruções de registros fósseis arqueológicos e paleoantropológicos.

Por necessidade, os modelos genéticos são caricaturas excessivamente simples da demografia humana e não capturam completamente a complexidade da estrutura da sociedade humana ao longo do tempo. Portanto, é dever do pesquisador e da comunidade científica em geral entender como as violações desses modelos afetam a interpretação dos resultados genéticos. Além disso, é de crescente importância comunicar efetivamente que, embora reconstruamos o passado usando modelos genéticos simplistas, esses modelos não devem ser interpretados de maneira simplista.

Modelos de evolução humana

A visão predominante entre paleoantropólogos até meados do século XX foi dominada por uma interpretação imperialista do registro fóssil, segundo a qual as classificações filogenéticas da variação fóssil humana seguiu as teorias raciais prevalecentes sobre as populações humanas. Por esse motivo, esse período foi dominado por uma  visão poligenista evolucionária  das origens humanas, que afirmou, na época, que populações humanas geograficamente dispersas haviam evoluído separadamente de diferentes espécies em diferentes momentos evolutivos. No entanto, quando o conceito de raças humanas perdeu sua validade científica durante a segunda metade do século XX, o poligenismo evolucionário foi abandonado como uma hipótese científica válida e substituído por dois modelos contrastantes (e concorrentes) de evolução humana:  evolução multirregional  e  fora da África. O desenvolvimento desses dois modelos tem sido historicamente associado à análise e interpretação do registro fóssil, com um foco particular na variação geográfica e na continuidade (ou falta dela) de características morfológicas ao longo do tempo.

A evolução multirregional  afirma que a variação geográfica observada no registro fóssil a partir do Pleistoceno inicial deve ser interpretada como diversidade intraespecífica existente no gênero  Homo , que define a espécie humana. A teoria baseia-se fortemente no modelo de Franz Weidenreich de uma intrincada rede de evolução humana em uma ampla área geográfica que abrange o Velho Mundo. O multiregionalismo sustenta que, enquanto a maioria da população humana viveu na África durante todo o Pleistoceno, havia uma rede contínua (no tempo e no espaço) de genes entre populações humanas que viviam em relativo isolamento umas das outras. Esse processo permite um isolamento relativo, mas nunca completo, de grupos humanos em diferentes partes do Velho Mundo,

Ancestral comum humano

Figura 1. Evolução humana durante o final do Pleistoceno. Antes de as populações humanas migrarem para fora da África e para diferentes partes do mundo, a Eurásia era ocupada por vários grupos humanos “arcaicos”, como os neandertais no oeste (azul) e os denisovanos no leste (vermelho). Estudos genéticos mostraram que um grupo inicial de seres humanos se mudou da África ~ 100.000 anos atrás e misturou-se com os neandertais; Denisovanos e neandertais se conheceram e cruzaram na Sibéria ~ 90.000 anos atrás; um grupo divergente desconhecido misturado com denisovanos, provavelmente no leste da Ásia / Sibéria. Esses eventos são representados por setas cor de rosa e ocorreram antes da migração de populações humanas para fora da África, 60 a 50.000 anos atrás. As rotas potenciais adotadas pela migração de populações humanas são mostradas em setas pretas e devem ser interpretadas com cautela, pois permanecem especulativas. Antes de deixar a África, populações humanas provavelmente misturadas com uma população humana “arcaica” desconhecida (círculo U roxo). Outros eventos de mistura ocorreram logo após os seres humanos saírem da África: com os neandertais cerca de 60 a 50.000 anos atrás no Oriente Médio (círculo N azul); com outro grupo “arcaico” no sul da Ásia (círculo U roxo); e com os denisovanos no leste da Ásia, ilha do sudeste asiático e Filipinas ~ 50.000 anos atrás (círculos D vermelhos),  pelo qual os seres humanos eram uma espécie politípica. O processo de genes mediado por migrações contínuas pela paisagem, principalmente da África para diferentes partes da Eurásia, em um processo denominado centro e borda, promoveu a disseminação e a disseminação de características vantajosas em toda a rede, em que nenhum lugar geográfico para a  modernidade  pode ser facilmente atribuído.

Em nítido contraste, a  teoria Fora da África  considera que a espécie humana,  Homo sapiens , surgiu há cerca de 250.000 anos em algum lugar do leste / sul da África, muito mais recentemente do que o proposto pela evolução multirregional. Uma posição / posição chave  do modelo Fora da África  é que as características da  modernidade  surgiram primeiro na África nessa época e depois se espalharam pelo resto do mundo ~ 60–50.000

anos atrás, através de uma grande expansão de  humanos anatomicamente modernos  na Eurásia. A expansão dos humanos modernos em todo o planeta resultou na substituição de formas arcaicas  (chamadas) existentes  na Eurásia, como os neandertais da Europa.

Genética populacional e ancestralidade pessoal

Os debates sobre as origens humanas modernas, à luz desses dois modelos concorrentes, coincidiram com a crescente disponibilidade de informações genéticas entre as populações ao redor do mundo. A vantagem de usar o DNA para traçar a história de nossa espécie ao longo do tempo é que sabemos, desde a redescoberta do trabalho de

DNA antigo

Gregor Mendel, como a informação genética é transmitida dos pais para os filhos. Mais importante, também podemos estimar a taxa de mutação do DNA, ou seja, quantos erros ocorrem em média na cópia do DNA em cada geração. Portanto, contrastando o número de diferenças entre duas cópias de DNA, podemos estimar o tempo até o ancestral comum mais recente entre elas.

Os primeiros estudos genéticos que abordam a questão das origens humanas fizeram uso do DNA mitocondrial (mtDNA), um pequeno fragmento de DNA presente nas mitocôndrias, organelas celulares que funcionam como fontes de energia para cada uma das células do nosso corpo. Como existem milhares de mitocôndrias em cada célula, o mtDNA é altamente abundante e fácil de obter. É importante ressaltar que cada um de nós herda o mtDNA por meio de nossa mãe, pelo que o mtDNA é uma fonte direta para desvendar a história de nossa ancestralidade materna. Em um artigo de alto impacto, publicado em 1987, Cann, Stoneking e Wilson demonstraram que toda a diversidade de mtDNA encontrada nas populações humanas contemporâneas emergiu de uma única linhagem de mtDNA que surgiu na África ~ 200.000 anos atrás. Esta descoberta apoia fortemente o  Out of Africa teoria e até mesmo uma variação extrema do modelo, conhecida como  teoria de Eva , como uma alusão aos relatos bíblicos da criação. É importante ressaltar que, como o mtDNA é transmitido apenas pelo lado materno, ele não contém informações sobre a ancestralidade paterna das populações humanas. No entanto, existe outro marcador genético, o cromossomo Y, que só é transmitido de pai para filho e contém os genes responsáveis ​​pela determinação genética dos machos. Como o cromossomo Y tem um padrão de herança oposto ao mtDNA, oferece a possibilidade de investigar a história de nossa ancestralidade paterna. Curiosamente, os resultados obtidos para o cromossomo Y corroboram uma origem africana recente para a espécie humana e, da mesma forma, favorecem fortemente a  teoria Fora da África  .

No entanto, as coisas ficam mais complicadas, pois o mtDNA e o cromossomo Y representam um minuto

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fração de ascendência genética em cada indivíduo humano. Se considerarmos apenas duas gerações no passado, nenhum desses marcadores oferece informações sobre o avô materno nem a avó paterna de um determinado indivíduo e, como conseqüência, de nenhum de seus ancestrais. De fato, quanto mais tempo voltarmos no tempo, mais informações genéticas ancestrais deixaremos de incluir em nossa própria árvore genealógica, a uma taxa exponencial.

Então, como avaliamos as informações genéticas transmitidas por milênios a partir de nossa vasta árvore genealógica? A resposta está no núcleo da célula. Como sabem os leitores do  Bioquímico  , os humanos têm 22 pares de cromossomos autossômicos, um de cada um herdado de cada um de nossos pais, além dos cromossomos sexuais. O genoma nuclear contém a esmagadora maioria dos genes que codificam a maioria das funções biológicas em nosso corpo, do crescimento ao metabolismo e imunidade. Devido à natureza recortada e colada da recombinação durante a gametogênese, essa informação genética é herdada de toda a nossa árvore genealógica de maneira semelhante a um mosaico. Por exemplo, a cópia do cromossomo 1 que a pessoa  herda da mãe (ou seja, a cópia materna, mas a mesma lógica se aplica à cópia paterna) é uma variedade completamente nova das duas cópias do cromossomo 1 que ela herdou de seus próprios pais (ou seja, os avós da pessoa  X ) . De fato, esse processo de recombinação foi repetido em todos os ancestrais maternos da pessoa  X , de modo que sua cópia do cromossomo 1 capta uma quantidade exponencialmente decrescente do cromossomo 1 de cada um de seus ancestrais cada vez mais distantes.

ADNAD e a nossa árvore genealógica alargada

Então, o que as informações contidas em nosso genoma nuclear dizem sobre a origem de nossa espécie? As análises de dados genômicos nas populações humanas contemporâneas ao redor do mundo confirmam que a maioria de nossa ancestralidade genética remonta à África. É importante ressaltar que as populações que vivem atualmente fora da África são descendentes de uma migração de pessoas da África há 60 a 50.000 anos atrás e representam coletivamente apenas um subconjunto da variação genética observada na África. Novamente, essas observações favorecem o  modelo Out of Africa  da recente evolução humana.

No entanto, uma recente revolução no campo da biologia evolutiva, a partir do século 21, tornou possível obter seqüências de DNA de restos antigos e estabeleceu o campo do aDNA. A disponibilidade de genomas antigos nos permitiu descobrir capítulos anteriormente ocultos na história de nossa espécie, nomeadamente migrações populacionais notáveis ​​e eventos de mistura. Em um artigo inovador publicado em 2010, Svante Pääbo e colegas sequenciaram o primeiro genoma neandertal completo. Para o espanto de muitos paleoantropólogos, comparando o

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8 de fevereiro de 2020 © The Authors. Publicado por Portland Press Limited sob a Licença de Atribuição Creative Commons 4.0 (CC  BY-NC-ND)

DNA antigo

Genoma dos neandertais aos das populações humanas contemporâneas, Pääbo e colegas mostraram que os neandertais haviam contribuído com ~ 2% para a ancestralidade genética das populações humanas atuais que vivem fora da África. Juntamente com a observação de que a grande maioria de nossos ancestrais remonta à África, esses achados revelaram que as populações humanas que descobriram o continente ~ 60–50.000 anos atrás se encontrou e cruzou com os neandertais logo após chegar à Eurásia, provavelmente em algum lugar do Oriente Médio. É importante ressaltar que essa observação inclui diretamente os neandertais na árvore genealógica humana coletiva. Mas as descobertas incríveis do grupo de Pääbo em 2010 foram ainda mais longe. A equipe obteve DNA de uma falange de dedo descoberta na Caverna Denisova, na Sibéria, que pertencia a um grupo humano completamente diferente, desconhecido pela antropologia, que a equipe nomeou Denisova homem. Surpreendentemente, a pesquisa descobriu que os denisovanos contribuíram com ~ 4% para a ancestralidade genética das populações australianas de Papua e Aborígine, além de quantidades menores nas populações asiáticas e do Novo Mundo. Trabalhos posteriores na última década demonstraram que neandertais e denisovanos cruzaram na Sibéria ~ 90.000 anos atrás; que os denisovanos provavelmente cruzaram com um grupo humano ainda mais divergente que vive na Ásia; e que potenciais eventos múltiplos de cruzamento entre denisovanos e humanos ocorreram na ilha do sudeste asiático, quando migrantes fora da África estavam viajando para a Nova Guiné e a Austrália há cerca de 50.000 anos. Portanto, o aDNA está fornecendo informações incríveis sobre a história recente da população humana e, embora seja certo que a maior parte de nossa ancestralidade genética deriva da África ~ 200.000 anos atrás, grupos arcaicos  à composição genética contemporânea das populações humanas (veja a Figura 1).

Genética populacional e ancestralidade pessoal

Os avanços na pesquisa genética revolucionaram nossas concepções da história de nossa espécie; apresentando-nos a grupos desconhecidos, como os denisovanos e revelando o lugar dos neandertais em nossa árvore genealógica. Assim, podemos esperar que a pesquisa genética, juntamente com as ciências paleo e arqueológicas, nos levará muito longe ao responder à segunda das três perguntas que colocamos no início deste artigo – ‘de onde viemos?’ No entanto, a questão das origens humanas é tanto pessoal quanto acadêmica, e respondendo às duas perguntas restantes: ‘quem somos?’ e ‘por que estamos aqui?’ – exigirá modelos estatísticos mais do que robustos sobre a demografia humana. Em uma época em que mais de 26 milhões de kits de DNA de ancestralidade foram vendidos (de acordo com o relatório da MIT Technology Review) muitos ainda são le ??? perguntando: ‘onde está o  meu herança genética dentro da nossa história humana mais ampla? Exceto em circunstâncias muito específicas, é desnecessário usar genética estatística sofisticada e de alta potência para responder perguntas sobre nossa ancestralidade imediata, e uma discussão superficial em uma reunião de família provavelmente revelará uma resposta aproximada. Em vez disso, nosso desejo de descobrir nossa herança genética distante (temporal e geograficamente), ligada à curiosidade de saber com quem a compartilha, é o que as empresas de ‘genômica do consumidor’ utilizaram. No entanto, ao tentar separar nossas ancestrais mais profundas, as coisas se tornam um pouco pouco intuitivas.

Como discutido acima, o processo de recombinação mostra os cromossomos. Os indivíduos têm duas cópias de cada cromossomo autossômico, mas apenas transmitem uma única cópia mista à sua progênie, deixando para trás uma das regiões genômicas homólogas. Como conseqüência, para cada geração em sua árvore genealógica, a quantidade de informação genética que você herda desse ancestral específico é reduzida pela metade. Em outras palavras, quanto mais você voltar, menor será a informação genética que qualquer ancestral contribuiu diretamente para você. Isso nos leva ao fato surpreendente de que existem ancestrais genealógicos em sua árvore genealógica que não são seus ancestrais genéticos. Você só precisa voltar em média nove gerações para encontrar ancestrais biológicos dos quais não herdou nenhuma informação genética,

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February 2020 © The Authors. Published by Portland Press Limited under the Creative Commons Attribution License 4.0 (CC BY-NC-ND) 9

Ancient DNA

Alongside this rather paradoxical concept is an equally obscure thought. During the 1st century BCE it is estimated that the global population numbered approximately 300 million people. If we take a generation time of 25 years, there are 80 or so generations between the present day and the 1st century BCE. If we then assume that for someone living today their ancestors were all unique individual people extending back to the 1st century BCE, they would have 1.2 ⋅ 1024 ancestors; notably that is 4 ⋅ 1015 more ancestors than there were people alive at that time. ￿is over-representation of ancestors occurs because whilst in theory the number of ancestors for any one individual grows exponentially into the past, we know there is a certain amount of ‘doubling over’ of everyone’s ancestors, meaning that some appear more than once in your family history. Thus, it is a mathematical certainty that we all have some levels of ‘inbreeding’ in our genealogy. ￿e vastness of our genealogical family tree, both temporally and

Further reading

geographically, has led to surprising results suggesting that the most recent genealogical ancestor of all present- day humans lived only a few thousand years ago. Further work by Ralph and Coop in 2013 looking at present-day European genetic ancestry found that within only 1500 years, individuals from across Europe have hundreds of genetic ancestors in common.

So, on these seemingly contradictory paradoxes; the exponential increase in the number of ancestors with the simultaneous reduction in genetic contribution by any single ancestor, emerges one of the most powerful and unifying propositions of population genetics, that “no matter the languages we speak or the colour of our skin, we share (genealogical) ancestors who planted rice on the banks of the Yangtze, who ￿rst domesticated horses on the steppes of the Ukraine, who hunted giant sloths in the forests of North and South America, and who laboured to build the Great Pyramid of Khufu” (Rohde, Olson and Chang, 2004). 

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Wolpo￿, M.H., Wu, X. and Thorne, A.G. (1984) Modern Homo sapiens origins: a general theory of hominid evolution

involving the fossil evidence from East Asia. In: The Origins of Modern Humans: A Worm Survey of the Fossil Evidence (Smith, F.H. and Spencer, F. eds) pp. 411–483, New York, Alan R. Liss.

Cann, R.L., Stoneking, M. and Wilson, A.C. (1987) Mitochondrial DNA and human evolution. Nature 325, 31–36

Stringer, C.B. and Andrews, P. (1988) Genetic and fossil evidence for the origin of modern humans. Science 239, 1263–1268

Green R.E., Krause, J., Briggs, A.W. et al. (2010) A draft sequence of the Neanderthal genome. Science 328, 710–722

Reich, D., Green, R.E., Kircher, M. et al. (2010) Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia. Nature 468, 1053–1060

Ralph, P. and Coop, G. (2013) The geography of recent genetic ancestry across Europe. PLOS Biology 11, e1001555

Graham Coop blog GCbias https://gcbias.org/ (Accessed 26/11/19)

MIT Technology Review Report: https://www.technologyreview.com/s/612880/more-than-26-million-people-have- taken-an-at-home-ancestry-test (Accessed 26/11/19)

Rohde, D.L.T., Olson, S. and Chang, J.T. (2004) Modelling the recent common ancestry of all living humans. Nature 431, 562–566

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Matthew P. Williams is an archaeogenetics PhD candidate at the Australian Centre for Ancient DNA, University of Adelaide. Matthew obtained a bachelor’s degree in Ancient Near Eastern History from Macquarie University, Sydney, and his

master’s in gical Science from the Australian National University, Canberra. Matthew’s doctoral research focuses on reconstructing the demographic history of ancient Near Eastern and indigenous Australian populations by synthesizing historiographical and archaeological research with population genetic models and ancient DNA. Email: matthew.williams01@ adelaide.edu.au

João C. Teixeira is a population geneticist based at the Australian Centre for Ancient DNA at the University of Adelaide. Before moving to Australia, João obtained his PhD in Evolutionary Genetics at the Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology,

in Leipzig, Germany, supervised by Dr Aida Andrés and Professor Svante Pääbo. João’s research combines population genetics and comparative genomics to understand how demography and natural selection in￿uence the evolution of human populations and closely related species. João is particularly interested in Pleistocene human evolution, human population adaptation to environmental change and historical human migrations in Europe. Email: joao.teixeira@adelaide.edu.au

10February 2020 © The Authors. Published by Portland Press Limited under the Creative Commons Attribution License 4.0 (CC BY-NC-ND)

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