il DNA contiene la storia dei nostri antenati – come siamo connessi ai volti familiari, riunioni di famiglia nonché la più antica affari: come siamo legati al nostro più vicino non umani parenti, gli scimpanzé; come Homo sapiens accoppiato con i Neanderthal; e come le persone migrato al di fuori dell’Africa, adattarsi a nuovi ambienti e stili di vita lungo la strada. E il nostro DNA contiene anche indizi sulla tempistica di questi eventi chiave nell’evoluzione umana.

Quando gli scienziati dicono che gli esseri umani moderni sono emersi in Africa circa 200.000 anni fa e hanno iniziato la loro diffusione globale circa 60.000 anni fa, come fanno a trovare quelle date? Tradizionalmente i ricercatori hanno costruito linee temporali della preistoria umana sulla base di fossili e manufatti, che possono essere direttamente datati con metodi come il radiocarbonio incontri e potassio-argon incontri. Tuttavia, questi metodi richiedono resti antichi per avere determinati elementi o condizioni di conservazione, e questo non è sempre il caso. Inoltre, fossili o manufatti rilevanti non sono stati scoperti per tutte le pietre miliari dell’evoluzione umana.

L’analisi del DNA dai genomi attuali e antichi fornisce un approccio complementare per la datazione degli eventi evolutivi. Poiché alcuni cambiamenti genetici si verificano a un ritmo costante per generazione, forniscono una stima del tempo trascorso. Questi cambiamenti maturano come le zecche su un cronometro, fornendo un ” orologio molecolare.”Confrontando le sequenze di DNA, i genetisti possono non solo ricostruire le relazioni tra diverse popolazioni o specie, ma anche dedurre la storia evolutiva su scale temporali profonde.

Gli orologi molecolari stanno diventando sempre più sofisticati, grazie al miglioramento del sequenziamento del DNA, agli strumenti analitici e ad una migliore comprensione dei processi biologici alla base dei cambiamenti genetici. Applicando questi metodi al database sempre crescente di DNA di diverse popolazioni (sia attuali che antiche), i genetisti stanno aiutando a costruire una linea temporale più raffinata dell’evoluzione umana.

Come il DNA si accumula cambia

Gli orologi molecolari si basano su due processi biologici chiave che sono la fonte di tutte le variazioni ereditabili: la mutazione e la ricombinazione.

Le mutazioni sono cambiamenti alle lettere del codice genetico del DNA – per esempio, una guanina nucleotidica (G) diventa una timina (T). Questi cambiamenti saranno ereditati dalle generazioni future se si verificano nelle uova, nello sperma o nei loro precursori cellulari (la linea germinale). La maggior parte deriva da errori quando il DNA si copia durante la divisione cellulare, anche se altri tipi di mutazioni si verificano spontaneamente o dall’esposizione a rischi come radiazioni e sostanze chimiche.

In un singolo genoma umano, ci sono circa 70 cambiamenti nucleotidici per generazione – minuscole in un genoma composto da sei miliardi di lettere. Ma nel complesso, nel corso di molte generazioni, questi cambiamenti portano a sostanziali variazioni evolutive.

Gli scienziati possono usare le mutazioni per stimare i tempi dei rami nel nostro albero evolutivo. Innanzitutto confrontano le sequenze di DNA di due individui o specie, contando le differenze neutre che non alterano le possibilità di sopravvivenza e riproduzione. Quindi, conoscendo il tasso di questi cambiamenti, possono calcolare il tempo necessario per accumulare molte differenze. Questo dice loro quanto tempo è passato da quando gli individui hanno condiviso gli antenati.

Il confronto del DNA tra te e tuo fratello mostrerebbe relativamente poche differenze mutazionali perché condividi gli antenati – mamma e papà – solo una generazione fa. Tuttavia, ci sono milioni di differenze tra umani e scimpanzé; il nostro ultimo antenato comune visse oltre sei milioni di anni fa.

La ricombinazione, nota anche come crossing-over, è l’altro modo principale in cui il DNA accumula i cambiamenti nel tempo. Porta a mischiare le due copie del genoma (una da ciascun genitore), che sono raggruppate in cromosomi. Durante la ricombinazione, i cromosomi corrispondenti (omologhi) si allineano e si scambiano segmenti, quindi il genoma che trasmetti ai tuoi figli è un mosaico del DNA dei tuoi genitori.

Nell’uomo si verificano circa 36 eventi di ricombinazione per generazione, uno o due per cromosoma. Poiché ciò accade ogni generazione, i segmenti ereditati da un particolare individuo vengono suddivisi in blocchi sempre più piccoli. In base alle dimensioni di questi blocchi e alla frequenza dei crossover, i genetisti possono stimare quanto tempo fa quell’individuo era il tuo antenato.

Costruire linee temporali basate sui cambiamenti

I cambiamenti genetici da mutazione e ricombinazione forniscono due orologi distinti, ciascuno adatto per datare diversi eventi evolutivi e tempi.

Poiché le mutazioni si accumulano così lentamente, questo orologio funziona meglio per eventi molto antichi, come le spaccature evolutive tra le specie. L’orologio di ricombinazione, d’altra parte, zecche ad un tasso appropriato per le date negli ultimi 100.000 anni. Questi eventi “recenti” (in tempo evolutivo) includono il flusso genico tra popolazioni umane distinte, l’aumento di adattamenti benefici o l’emergere di malattie genetiche.

Il caso dei Neanderthal illustra come gli orologi di mutazione e ricombinazione possono essere usati insieme per aiutarci a districare complicate relazioni ancestrali. I genetisti stimano che ci siano 1,5-2 milioni di differenze mutazionali tra i Neanderthal e gli esseri umani moderni. Applicando l’orologio mutazione a questo conteggio suggerisce i gruppi inizialmente divisi tra 750.000 e 550.000 anni fa.

A quel tempo, una popolazione – gli antenati comuni di entrambi i gruppi umani – si separava geograficamente e geneticamente. Alcuni individui del gruppo migrarono in Eurasia e nel tempo si evolsero in Neanderthal. Coloro che rimasero in Africa divennero umani anatomicamente moderni.

Tuttavia, le loro interazioni non erano finite: Gli esseri umani moderni alla fine si diffusero in Eurasia e si accoppiarono con i Neanderthal. Applicando l’orologio di ricombinazione al DNA di Neanderthal conservato negli esseri umani attuali, i ricercatori stimano che i gruppi si siano incrociati tra 54.000 e 40.000 anni fa. Quando gli scienziati hanno analizzato un fossile di Homo sapiens, noto come Oase 1, vissuto circa 40.000 anni fa, hanno trovato ampie regioni di ascendenza di Neanderthal incorporate nel genoma di Oase, suggerendo che Oase aveva un antenato di Neanderthal solo quattro o sei generazioni fa. In altre parole, il bis – bisnonno di Oase era un Neanderthal.

Le sfide degli orologi instabili

Gli orologi molecolari sono un pilastro dei calcoli evolutivi, non solo per gli esseri umani ma per tutte le forme di organismi viventi. Ma ci sono alcuni fattori complicanti.

La sfida principale deriva dal fatto che i tassi di mutazione e ricombinazione non sono rimasti costanti rispetto all’evoluzione umana. I tassi stessi si stanno evolvendo, quindi variano nel tempo e possono differire tra le specie e anche tra le popolazioni umane, anche se abbastanza lentamente. E ‘ come cercare di misurare il tempo con un orologio che zecche a velocità diverse in condizioni diverse.

Un problema riguarda un gene chiamato Prdm9, che determina la posizione di quegli eventi di crossover del DNA. Variazione di questo gene negli esseri umani, scimpanzé e topi ha dimostrato di alterare hotspot ricombinazione – brevi regioni di alti tassi di ricombinazione. A causa dell’evoluzione di Prdm9 e hotspot, i tassi di ricombinazione su scala fine differiscono tra umani e scimpanzé, e forse anche tra africani ed europei. Ciò implica che su diverse scale temporali e tra le popolazioni, l’orologio di ricombinazione zecche a tassi leggermente diversi come hotspot evolvono.

Un altro problema è che i tassi di mutazione variano in base al sesso e all’età. Man mano che i padri invecchiano, trasmettono un paio di mutazioni extra alla loro prole all’anno. Lo sperma dei padri più anziani ha subito più cicli di divisione cellulare, quindi più opportunità di mutazioni. Le madri, d’altra parte, trasmettono meno mutazioni (circa 0,25 all’anno) poiché le uova di una femmina si formano per lo più tutte allo stesso tempo, prima della sua nascita. I tassi di mutazione dipendono anche da fattori come l’inizio della pubertà, l’età alla riproduzione e il tasso di produzione di sperma. Questi tratti della storia della vita variano tra primati viventi e probabilmente differivano anche tra specie estinte di antenati umani.

Di conseguenza, nel corso dell’evoluzione umana, il tasso medio di mutazione sembra aver rallentato in modo significativo. Il tasso medio in milioni di anni dalla scissione di esseri umani e scimpanzé è stato stimato come circa 1×10⁻mutations mutazioni per sito all’anno – o circa sei lettere di DNA alterati all’anno. Questo tasso è determinato dividendo il numero di differenze nucleotidiche tra esseri umani e altre scimmie per la data delle loro spaccature evolutive, come dedotto dai fossili. È come calcolare la velocità di guida dividendo la distanza percorsa dal tempo passato. Ma quando i genetisti misurano direttamente le differenze nucleotidiche tra genitori e figli viventi (usando pedigree umani), il tasso di mutazione è la metà dell’altra stima: circa 0, 5×10⁻⁹ per sito all’anno, o solo circa tre mutazioni all’anno.

Per la divergenza tra gli uomini di Neanderthal e gli esseri umani moderni, il tasso più lento fornisce una stima tra 765.000-550.000 anni fa. Il tasso più veloce, tuttavia, suggerirebbe la metà di quell’età, o 380.000 – 275.000 anni fa: una grande differenza.

Per risolvere la questione di quali tassi utilizzare quando e su chi, i ricercatori hanno sviluppato nuovi metodi di orologio molecolare, che affrontano le sfide dell’evoluzione dei tassi di mutazione e ricombinazione.

Nuovi approcci per una migliore datazione

Un approccio è quello di concentrarsi sulle mutazioni che si presentano ad un ritmo costante indipendentemente dal sesso, età e specie. Questo può essere il caso di un tipo speciale di mutazione che i genetisti chiamano transizioni CpG con cui i nucelotidi C diventano spontaneamente T. Poiché le transizioni CpG per lo più non derivano da errori di copia del DNA durante la divisione cellulare, i loro tassi dovrebbero essere principalmente indipendenti dalle variabili della storia della vita – e presumibilmente più uniformi nel tempo.

Concentrandosi sulle transizioni CpG, i genetisti hanno recentemente stimato che la divisione tra umani e scimpanzé si sia verificata tra 9,3 e 6,5 milioni di anni fa, il che concorda con l’età prevista dai fossili. Mentre nei confronti tra le specie, queste mutazioni sembrano accadere più come un orologio rispetto ad altri tipi, non sono ancora completamente stabili.

Un altro approccio è quello di sviluppare modelli che regolano i tassi di clock molecolari in base al sesso e ad altri tratti della storia della vita. Usando questo metodo, i ricercatori hanno calcolato una divergenza scimpanzé-umana coerente con la stima CpG e le date fossili. Lo svantaggio qui è che, quando si tratta di specie ancestrali, non possiamo essere sicuri dei tratti della storia della vita, come l’età alla pubertà o la lunghezza della generazione, portando a qualche incertezza nelle stime.

La soluzione più diretta proviene dalle analisi di DNA antico recuperato dai fossili. Poiché gli esemplari fossili sono datati indipendentemente con metodi geologici, i genetisti possono usarli per calibrare gli orologi molecolari per un determinato periodo di tempo o popolazione.

Questa strategia ha recentemente risolto il dibattito sui tempi della nostra divergenza con i Neanderthal. Nel 2016, i genetisti hanno estratto DNA antico da fossili di 430.000 anni che erano antenati di Neanderthal, dopo che il loro lignaggio si era separato dall’Homo sapiens. Sapendo dove questi fossili appartengono nell’albero evolutivo, i genetisti potrebbero confermare che per questo periodo dell’evoluzione umana, la più lenta frequenza di clock molecolare di 0, 5×10⁻⁹ fornisce date accurate. Ciò pone la divisione umana Neanderthal-moderna tra 765.000 e 550.000 anni fa.

Mentre i genetisti risolvono la complessità degli orologi molecolari e sequenziano più genomi, siamo pronti a imparare più che mai sull’evoluzione umana, direttamente dal nostro DNA.