DNA bevat het verhaal van onze voorouders – hoe we verwant zijn aan de bekende gezichten op familiereünies en meer oude zaken: hoe we verwant zijn aan onze naaste niet-menselijke familieleden, chimpansees; hoe Homo sapiens gepaard ging met Neanderthalers; en hoe mensen uit Afrika migreerden, zich aanpasten aan nieuwe omgevingen en levensstijlen langs de weg. Ons DNA bevat ook aanwijzingen over de timing van deze belangrijke gebeurtenissen in de menselijke evolutie.wanneer wetenschappers zeggen dat de moderne mens ongeveer 200.000 jaar geleden in Afrika is ontstaan en ongeveer 60.000 jaar geleden zijn wereldwijde verspreiding begon, hoe komen ze dan op die data? Traditioneel bouwden onderzoekers tijdlijnen van de menselijke prehistorie op basis van fossielen en artefacten, die direct kunnen worden gedateerd met methoden zoals koolstofdatering en kalium-argon datering. Deze methoden vereisen echter oude overblijfselen om bepaalde elementen of conserveringsvoorwaarden te hebben, en dat is niet altijd het geval. Bovendien zijn relevante fossielen of artefacten niet ontdekt voor alle mijlpalen in de menselijke evolutie.

het analyseren van DNA van het huidige en oude genomen biedt een complementaire benadering voor het dateren van evolutionaire gebeurtenissen. Omdat bepaalde genetische veranderingen zich met een constante snelheid per generatie voordoen, geven ze een schatting van de verstreken tijd. Deze veranderingen groeien als de teken op een stopwatch, het verstrekken van een ” moleculaire klok.”Door DNA-sequenties te vergelijken, kunnen genetici niet alleen relaties reconstrueren tussen verschillende populaties of soorten, maar ook evolutionaire geschiedenis afleiden over diepe tijdschalen.

moleculaire klokken worden steeds geavanceerder dankzij verbeterde DNA-sequencing, analytische instrumenten en een beter begrip van de biologische processen achter genetische veranderingen. Door deze methoden toe te passen op de steeds groeiende database van DNA van diverse populaties (zowel hedendaagse als oude), helpen genetici om een meer verfijnde tijdlijn van de menselijke evolutie op te bouwen.

hoe DNA veranderingen accumuleert

moleculaire klokken zijn gebaseerd op twee belangrijke biologische processen die de bron zijn van alle erfelijke variatie: mutatie en recombinatie.

mutaties zijn veranderingen in de letters van de genetische code van DNA – bijvoorbeeld, een nucleotide Guanine (G) wordt een Thymine (T). Deze veranderingen zullen worden geërfd door toekomstige generaties als ze zich voordoen in eieren, sperma of hun cellulaire voorlopers (de kiemlijn). De meeste zijn het gevolg van fouten wanneer DNA zichzelf kopieert tijdens de celdeling, hoewel andere soorten mutaties spontaan optreden of door blootstelling aan gevaren zoals straling en chemicaliën.

in een enkel menselijk genoom zijn er ongeveer 70 nucleotideveranderingen per generatie-minuscuul in een genoom dat bestaat uit zes miljard letters. Maar in totaal, over vele generaties heen, leiden deze veranderingen tot substantiële evolutionaire variatie.

wetenschappers kunnen mutaties gebruiken om de timing van takken in onze evolutionaire boom te schatten. Eerst vergelijken ze de DNA-sequenties van twee individuen of soorten, waarbij ze de neutrale verschillen tellen die de overlevingskansen en de voortplantingskansen niet veranderen. Dan, het kennen van de snelheid van deze veranderingen, kunnen ze berekenen de tijd die nodig is om te accumuleren dat veel verschillen. Dit vertelt hen hoe lang het geleden is dat de individuen voorouders deelden.

vergelijking van DNA tussen u en uw broer of zus zou relatief weinig mutatieverschillen laten zien omdat u voorouders deelt – mama en papa – slechts één generatie geleden. Er zijn echter miljoenen verschillen tussen mensen en chimpansees; onze laatste gemeenschappelijke voorouder leefde meer dan zes miljoen jaar geleden.

recombinatie, ook bekend als crossing-over, is de andere belangrijke manier waarop DNA veranderingen in de tijd accumuleert. Het leidt tot het schuifelen van de twee exemplaren van het genoom (één van elke ouder), die in chromosomen worden gebundeld. Tijdens recombinatie, de overeenkomstige (homologe) chromosomen line-up en uitwisseling segmenten, zodat het genoom dat u doorgeven aan uw kinderen is een mozaïek van het DNA van uw ouders.

bij mensen komen ongeveer 36 recombinatievoorvallen voor per generatie, één of twee per chromosoom. Als dit gebeurt elke generatie, segmenten geërfd van een bepaald individu krijgen opgesplitst in kleinere en kleinere brokken. Gebaseerd op de grootte van deze brokken en de frequentie van crossovers, kunnen genetici schatten hoe lang geleden dat individu je voorouder was.

tijdlijnen bouwen gebaseerd op veranderingen

genetische veranderingen door mutatie en recombinatie bieden twee verschillende klokken, elk geschikt voor datering van verschillende evolutionaire gebeurtenissen en tijdschalen.

omdat mutaties zich zo langzaam ophopen, werkt deze klok beter voor zeer oude gebeurtenissen, zoals evolutionaire splitsingen tussen soorten. De recombinatieklok daarentegen tikt met een snelheid die geschikt is voor data van de laatste 100.000 jaar. Deze” recente ” gebeurtenissen (in evolutionaire tijd) omvatten genstroom tussen verschillende menselijke populaties, de opkomst van gunstige aanpassingen of de opkomst van genetische ziekten.

het geval van Neanderthalers illustreert hoe de mutatie-en recombinatieklokken samen kunnen worden gebruikt om ons te helpen ingewikkelde voorouderlijke relaties te ontwarren. Genetici schatten dat er 1,5-2 miljoen mutatieverschillen zijn tussen Neanderthalers en moderne mensen. Het toepassen van de mutatieklok op deze telling suggereert dat de groepen aanvankelijk verdeeld waren tussen 750.000 en 550.000 jaar geleden.

op dat moment, een populatie – de gemeenschappelijke voorouders van beide menselijke groepen – gescheiden geografisch en genetisch. Sommige individuen van de groep migreerden naar Eurazië en evolueerden in de loop der tijd tot Neanderthalers. Degenen die in Afrika bleven werden anatomisch moderne mensen.

hun interacties waren echter niet voorbij: De moderne mens verspreidde zich uiteindelijk naar Eurazië en paarde met Neanderthalers. Door de recombinatieklok toe te passen op Neanderthaler-DNA dat in de huidige mens wordt bewaard, schatten onderzoekers dat de groepen tussen 54.000 en 40.000 jaar geleden met elkaar kruisten. Toen wetenschappers een Homo sapiens fossiel analyseerden, bekend als Oase 1, die ongeveer 40.000 jaar geleden leefde, vonden ze grote gebieden van Neanderthaler voorouders ingebed in het oase genoom, wat suggereert dat Oase een Neanderthaler voorouder had slechts vier tot zes generaties geleden. Met andere woorden, Oase ‘ s over-overgrootvader was een Neanderthaler.

de uitdagingen van onstabiele klokken

moleculaire klokken zijn een steunpilaar van evolutionaire berekeningen, niet alleen voor mensen, maar voor alle vormen van levende organismen. Maar er zijn een aantal complicerende factoren.

de belangrijkste uitdaging vloeit voort uit het feit dat de mutatie-en recombinatiesnelheden niet constant zijn gebleven gedurende de menselijke evolutie. De percentages zelf evolueren, dus ze variëren in de tijd en kunnen verschillen tussen soorten en zelfs tussen menselijke populaties, Zij het vrij langzaam. Het is alsof je tijd probeert te meten met een klok die op verschillende snelheden tikt onder verschillende omstandigheden.

een probleem heeft betrekking op een gen genaamd Prdm9, dat de locatie van die DNA crossover gebeurtenissen bepaalt. De variatie in dit gen in mensen, chimpansees en muizen is getoond om nieuwe combinatie hotspots – korte gebieden van hoge nieuwe combinatietarieven te veranderen. Als gevolg van de evolutie van Prdm9 en hotspots, verschillen de fijne recombinatiepercentages tussen mensen en chimpansees, en mogelijk ook tussen Afrikanen en Europeanen. Dit impliceert dat over verschillende tijdschalen en over populaties heen, de recombinatieklok tikt in iets verschillende snelheden als hotspots evolueren.

een ander probleem is dat de mutatiepercentages variëren naar geslacht en leeftijd. Als vaders ouder worden, geven ze per jaar een paar extra mutaties door aan hun nakomelingen. Het sperma van oudere vaders heeft meer rondes van celdeling ondergaan, dus meer mogelijkheden voor mutaties. Moeders, aan de andere kant, zenden minder mutaties (ongeveer 0,25 per jaar) als eitjes van een vrouwtje meestal worden gevormd allemaal op hetzelfde moment, voor haar eigen geboorte. Mutatiepercentages hangen ook af van factoren zoals het begin van de puberteit, de leeftijd bij de voortplanting en de snelheid van de spermaproductie. Deze levensgeschiedenis kenmerken variëren tussen levende primaten en waarschijnlijk ook verschilden tussen uitgestorven soorten van menselijke voorouders.

bijgevolg lijkt de gemiddelde mutatiesnelheid in de loop van de menselijke evolutie significant te zijn vertraagd. De gemiddelde snelheid over miljoenen jaren sinds de splitsing van mensen en chimpansees is geschat op ongeveer 1×10-mutations mutaties per site per jaar – of ongeveer zes veranderde DNA letters per jaar. Dit tarief wordt bepaald door het aantal nucleotideverschillen tussen mensen en andere apen te delen door de datum van hun evolutionaire splitsingen, zoals afgeleid uit fossielen. Het is alsof je je rijsnelheid berekent door de afgelegde afstand te delen door de verstreken tijd. Maar wanneer genetici direct nucleotide verschillen meten tussen levende ouders en kinderen (met behulp van menselijke stambomen), is het mutatiepercentage de helft van de andere schatting: ongeveer 0, 5×10⁻⁹ per plaats per jaar, of slechts ongeveer drie mutaties per jaar.

voor de divergentie tussen Neanderthalers en moderne mensen, geeft de tragere snelheid een schatting tussen 765.000-550.000 jaar geleden. Het snellere tarief suggereert echter de helft van die leeftijd, of 380.000-275.000 jaar geleden: een groot verschil.

om de vraag op te lossen welke percentages te gebruiken wanneer en op wie, hebben onderzoekers nieuwe moleculaire klokmethoden ontwikkeld, die de uitdagingen van evoluerende mutatie-en recombinatiesnelheden aanpakken.

nieuwe benaderingen voor betere datering

Eén benadering is om zich te concentreren op mutaties die zich met een constante snelheid voordoen, ongeacht geslacht, leeftijd en soort. Dit kan het geval zijn voor een speciaal type mutatie dat genetici CpG – overgangen noemen waardoor de C-nucelotiden spontaan T ‘ s worden. omdat CpG-overgangen meestal niet het gevolg zijn van DNA-kopieerfouten tijdens de celdeling, zouden hun tarieven voornamelijk onafhankelijk moeten zijn van levenshistorische variabelen-en vermoedelijk uniformer in de tijd.

gericht op CpG-overgangen, schatten genetici onlangs dat de splitsing tussen mens en chimpansee tussen 9,3 en 6,5 miljoen jaar geleden heeft plaatsgevonden, wat overeenkomt met de leeftijd die van fossielen wordt verwacht. Terwijl in vergelijkingen tussen soorten, deze mutaties lijken te gebeuren meer als uurwerk dan andere types, ze zijn nog steeds niet volledig stabiel.

een andere benadering is het ontwikkelen van modellen die de moleculaire kloksnelheden aanpassen op basis van geslacht en andere kenmerken van de levensgeschiedenis. Met behulp van deze methode, onderzoekers berekend een chimpansee-menselijke divergentie in overeenstemming met de CpG schatting en fossiele data. Het nadeel hier is dat, als het gaat om voorouderlijke soorten, we niet zeker kunnen zijn van de levensgeschiedenis kenmerken, zoals leeftijd op puberteit of generatie lengte, wat leidt tot enige onzekerheid in de schattingen.

de meest directe oplossing is afkomstig van analyses van oud DNA teruggevonden in fossielen. Omdat de fossiele exemplaren onafhankelijk worden gedateerd door geologische methoden, kunnen genetici ze gebruiken om de moleculaire klokken voor een bepaalde periode of populatie te kalibreren.deze strategie heeft onlangs het debat over de timing van onze DIVERGENTIE met de Neanderthalers opgelost. In 2016 haalden genetici oud DNA uit 430.000 jaar oude fossielen die Neanderthaler voorouders waren, nadat hun afstamming was gesplitst van Homo sapiens. Weten waar deze fossielen thuishoren in de evolutionaire boom, genetici konden bevestigen dat Voor deze periode van de menselijke evolutie, de langzamere moleculaire kloksnelheid van 0, 5×10⁻⁹ nauwkeurige data geeft. Dat zet de Neanderthaler-moderne menselijke splitsing tussen 765.000 tot 550.000 jaar geleden.naarmate genetici de fijne kneepjes van moleculaire klokken uitzoeken en meer genomen sequencen, zijn we klaar om meer dan ooit over de menselijke evolutie te leren, rechtstreeks vanuit ons DNA.