Message: Linajes mayores del genoma mitocondrial trazan antiguas expansiones humanas
El ADN mitocondrial humano esta formado por moléculas no recombinantes de herencia materna y generalmente haploides (célula, estructura u organismo que tiene un solo conjunto de cromosomas). Las diferencias entre las secuencias del ADN mitocondrial se deben solamente a las mutaciones. Con el paso del tiempo, las mutaciones se acumulan secuencialmente a lo largo de moléculas mas o menos relacionadas que constituyen linajes independientes conocidos como haplotipos. Las relaciones entre los linajes pueden ser estimadas a través de las cadenas filogenéticas.[1] Donde las mutaciones son clasificadas en niveles jerárquicos. Las mutaciones básicas son compartidas por grupos de linajes, definidos como haplogrupos, mientras que aquellas que están en los extremos caracterizan a los individuos. Los haplogrupos principales [2] son específicamente continentales o étnicos. Tres de ellos (L1, L2, y L3) agrupan a todos los linajes del Africa Subsahariana, nueve (H, I, J, K, T, U, V, W y X) abarcan casi todo el ADN mitocondrial de los caucasoides de Europa, Nor África y Asia occidental. Finalmente, los haplogrupos A, B, C, D, E, F, G y M abrazan la mayoría de los linajes descritos para Asia, Oceanía y los nativos americanos. La distribución geográfica de las ramificaciones derivadas de estos haplogrupos ayuda a esclarecer aspectos cruciales de la historia humana, tales como el posible origen y la fecha aproximada de las migraciones hacia el Nuevo mundo [3] y Polinesia [4,5], la estimación cuantitativa de la contribución Paleolítica y Neolítica a la diversidad existente en el ADN mitocondrial europeo.[2] En el otro extremo del árbol filogenético, la incorporación (o unión) final de todos los linajes mundiales del ADN mitocondrial en África que ha favorecido, desde el principio, la hipótesis africana del origen de todos los seres humanos modernos[6]. Los análisis de las secuencias completas del ADN mitocondrial de 53 grupos humanos de diversos orígenes [7] han agregado un soporte estadístico a esta hipótesis. Sin embargo, la definición actual de los haplogrupos principales no se basa en secuencias genomicas totales, todavía no hay una clara resolución sobre sus relaciones básicas. Esta reconstrucción genomica y filogenética es necesaria para deducir las antiguas rutas humanas que sucedieron luego del éxodo africano. Presentamos la cadena filogenética de 42 secuencias completas del ADN mitocondrial incluyendo las representativas de los haplogrupos mas importantes. Basados en su relativo agrupamiento y edades de fusión (o incorporación) proponemos un modelo tentativo sobre la forma en que fue colonizado el viejo mundo por los humanos modernos.
Materiales y Métodos
Linajes
Hemos secuenciado manualmente 33 genomas de ADNmt de muestras disponibles que habían sido asignadas previamente a los haplogrupos principales. Para incluir a los haplogrupos ausentes hemos adherido 9 secuencias publicadas a los análisis (Tabla 1).
Secuencias completas de ADNmt
El ADNmt completo fue amplificado en 32 fragmentos con cebadores y condiciones PCR descritas en la Tabla 2. Los mismos cebadores fueron utilizados directamente para secuenciar ambas cadenas de los fragmentos usando el Sistema de secuenciación cíclica de ADN Promega fmol® y los equipos de secuenciación cíclica Usb Thermo Sequenase Radiolabelled Terminator.
Análisis estadísticos
Las secuencias fueron alineadas manualmente. Las relaciones filogenéticas fueron estimadas usando cadenas de unión promedio [32] como son implementadas en Network 2.0d http://www.fluxus-engineering.com y refinadas a mano. Fue obtenida la misma topología usando el metodo de unión-vecinal [33]. Fue agregada una secuencia de chimpancé (GenBank accession n° D38113) a la raíz de las cadenas. La importancia estadística de las ramificaciones fue lograda a través del muestreo bootstrap con 1000 repeticiones (PHYLIP Package 3.5c, http://evolution.genetics.washington.edu/phylip.html). Las estimaciones mínimas de las edades de unión, y los intervalos de 95% de confianza, estuvieron basadas sobre la divergencia promedio entre los linajes para la región codificadora y fue deducida una tasa constante evolutiva de 1.7 × 10-8 por sirio cada año para la región sobre la base de 53 secuencias completas de ADNmt [7].
Números de acceso
Las secuencias estan disponibles en GenBank (accession nos. AF381981-AF382013)
Resultados y Discusión
La cadena filogenética de las 42 secuencias (Fig.1) del ADN mitocondrial estaba libre de reticulaciones cuando las mutaciones [8] 150, 152, 303i y 16519 fueron omitidas al momento de su construcción. La topología del árbol era la misma que une al árbol de acoplamiento vecinal. Detectamos 35 substituciones paralelas de 124 posiciones variables (28%) en la región no codificada (1,122 bp de longitud), y 45 de 409 (11%) en la región codificada (15,447 bp de longitud). Hay mutaciones compartidas en ramas básicas de 3 haplogrupos relacionados, no obstante, las mutaciones paralelas deberían ser omitidas en sus afiliaciones globales. Como se puede esperar de los haplotipos que son parte de haplogrupos muy diferenciados, la mayoría de la mutaciones están en las ramas externas, incluyendo a aquellas que los definen [2]. Sin embargo, es muy bien conocido que en poblaciones estudiadas estos linajes principales brotan en varios sub-grupos con interesante localización geográfica, en los casos donde ademas representantes de estos sub-grupos han sido analizados es evidente que los subgrupos africanos tienen el mismo grado de divergencia que los haplogrupos no africanos. Es necesaria mas información sobre la estructura del grupo en Africa. En haplogrupos no-africanos, dos haplotipos que pertenecen al subhaplogrupo U2 tienen una divergencia similar a la que se encuentra entre otros sub-grupos del haplogrupo caucásico U. Uno de ellos carece de las mutaciones 16129C y 15907, que están presentes en todos los representantes euroasiáticos, asemejándose a los haplotipos encontrados en la India [9]. Si lo propuesto sobre la inclusión del haplogrupo K dentro del haplogrupo U [10] es confirmado, la existencia de U7 esta posiblemente mas relacionada con el subgrupo. Los principales haplogrupos asiáticos pertenecen a dos supergrupos diferentes, mientras que A y B se originan de haplogrupos caucasoides, C, D, G y M constituyen un supergrupo monofilético. Del mismo modo, el haplogrupo africano L3 esta mas relacionado a los haplogrupos euroasiáticos que a los haplogrupos africanos mas divergentes: L1 y L2. Su arraigo en los chimpancé demuestra que el haplogrupo africano L1a es el linaje mas viejo existente en los humanos modernos. Ademas, los importantes valores bootstrap en profundas ramificaciones africanas refuerzan el apoyo estadístico a la hipótesis "Fuera de África" por medio de estudios genómicos y paralelos del ADN mitocondrial[7]. Hemos estimado una edad de inicio de 156.000 a 169.000 años atras para los linajes humanos modernos, las dos divisiones mas antiguas también ocurrieron dentro de África, originando a los haplogrupos L1b/c y L2 con edades aproximadas de 122.000 a 132.000 años atrás y 85.000 a 95.000 años de antigüedad, respectivamente. Estos tres haplogrupos aún tienen una abrumante presencia en el África subsahariana. La siguiente ramificación (Fig. 2), que esta estimada en 59.000 - 69.000 años atrás, también ocurrió en Africa y sus derivados (L3) generalmente se encuentran en ese continente. Hoy, L3 esta presente en casi todas las poblaciones africanas. Esta antigua dispersión dentro de África ha sido detectada directamente por las edades de varias expansiones de los subgrupos [11] y ha sido confirmada directamente a través de la mezcla genética, integrando a genes y alelos autosomicos arcaicos y modernos que solo son detectados en África [12]. La coexistencia de los linajes no recombinantes muy divergentes en las poblaciones africanas podría erróneamente viciar las estimaciones demográficas basadas en las diferencias de los pares base [11]. Han sido propuestas dos rutas hipotéticas para la colonización asiática [13],una a través de Asia Central y la otra a través del sur de Asia. Coincidencialmente, detectamos al menos dos linajes independientes extendiéndose fuera de África. Uno que comprende de todos los derivados de M, los cuales tienen una edad aproximada de 30.000-57.000 años atrás. Expansiones subsecuentes de este haplogrupo han sido encontradas en la India [9]y en Asia Oriental donde posiblemente se originaron y expandieron como los haplogrupos C, D, G y otros [14]. La radiación estrellada de estos tres haplogrupos sugiere que esta extensa colonización geográfica podría haber sucedido en un periodo de tiempo relativamente corto. Ha sido propuesto un soporte genético para esta expansión sureña de M a través de Etiopia y la Península Arábiga hasta el Sur de Asia debido a la presencia del subgrupo M1 en Africa Oriental [15]. Sin embargo, creemos que una explicacion mas creible de esto es que hubo un regreso posterior de esos linajes desde Asia a Africa porque la diversidad genetica de M es mucho mas grande en la India [9] que en Etiopia [15]. De hecho, M1 podría ser una ramificación del haplogrupo indio M ya que secuencias ancestrales del M1 africano son encontradas en los subgrupos indios M*, M3 y M4 [16].Además, uno de los haplotipos M3 mas derivados en India (10398, 10400, 16086, 16129, 16223, 16249, 16259, 16311) tiene todas las substituciones básicas que definen al grupo etiope, exceptuando la alta variable 16189 [9]. Esta supuesta expansión india hacia Occidente también alcanzo regiones al norte porque también han sido encontrados representantes de M4 en Asia Central [17]. Podríamos considerar la edad limite para este regreso a Africa en 25.000-47.000 años atrás, la edad calculada para M1 en Africa Oriental basada en las secuencias HVSI o en 33.000 - 63.000 años de edad usando RFLP [15].
La otra ramificacion importante que salio fuera de Africa para dar lugar a los linajes Caucasoides esta relacionada con una expansion sureña a través del Levante. Con un limite bajo de 43.000-53.000 años de edad, esta ramificación se extendió en al menos tres supergrupos mayores. Uno comprende los haplogrupos X y A con solo una mutación compartida entre ellos y diferentes distribuciones geográficas. Mientras que A esta extendido en Asia, X esta restringido mayormente a Europa. De forma bastante curiosa, representantes de ambos haplogrupos han sido detectados en los nativos americanos y esto crea la posibilidad de que algunos amerindios podrían tener ancestro europeo [18]. No obstante, han sido detectados haplotipos de X en Asia Central. Estos haplotipos X asiáticos no tienen la mutación 225A, como la mayoría de los haplotipos X americanos, lo que indica que esa región es la fuente mas probable de origen de los fundadores de las poblaciones del Nuevo mundo [19]. El segundo supergrupo agrupa a haplogrupos menores como W,I y N1b, los tres están presentes en Europa, Medio Oriente y el Caucaso, aunque en baja frecuencia. Solo I y N1b han sido detectados en Egipto y Arabia [2]. El ultimo supergrupo se expandió hace 39.000-52.000 atrás, dando lugar a al menos cuatro haplogrupos ancestrales. Uno de ellos origino el haplogrupo B que se expandió hacia Asia Oriental, alcanzando Japón y los archipiélagos del Pacifico sudeste [20,21]. En los estudios anteriores, este haplogrupo fue definido por la deleccion 9-bp COII-tRNALys pero después de que había sido encontrado con orígenes independientes sobre los antecedentes de otros haplogrupos [22-24]. En este estudio hemos detectado esta deleccion sobre un haplotipo ibérico que pertenece al haplogrupo I. Coincidencialmente, también fue encontrado en un haplotipo I italiano [25]. Sin embargo, la deleccion 9-bp estuvo ausente en un estudio que hicimos sobre los haplotipos I ibéricos y norafrícanos. La detección de haplotipos I con la deleccion 9-bp en dos poblaciones mediterráneas nos señala la evidencia de la existencia en esta región de un subgrupo de haplotipos I que comparten un ancestro común. Como sucede con A, el haplogrupo B no esta presente en el norte de la India [9] pero esta presente en Mongolia [26], lo que favorece una ruta centroasiática para la expansión de estos importantes haplogrupos asiáticos. Dos supergrupos adicionales unen a los haplogrupos J y T y a los haplogrupos H, V y HV respectivamente. En Europa, Norafrica, Asia Central e India son encontrados derivados de algunos de ellos, pero el origen mas probable para todas esas expansiones esta en la región Medio Oriental del Caucaso [2,17,27]. Finalmente, el haplogrupo U parece haber sufrido una expansión radial (Fig. 2), creando una subsecuente diversificación en diferentes áreas geográficas. Tres subhaplogrupos: U2, U5, y U6 se han expandido en la India, Europa y Norafrica respectivamente. U2 se subdividió en dos ramificaciones, una de ellas, caracterizada por las mutaciones 16129C y 15907, se esparció geográficamente desde Europa Occidental hasta Mongolia [2,26] pero no ha sido detectada en Norafrica. La otra llego a la India y dio origen a varios subgrupos con frecuencias globales de 10%, siendo ahora, después de su predecesor el haplogrupo M (53%), el segundo haplogrupo mas abundante en la India [9]. U7, quien tiene una presencia menor en Europa pero que es tercero en frecuencias en la India, [9] pero que tampoco ha sido detectado en Norafrica, podría haber tenido una expansión similar a la de U2. La radiación mas importante de U5 ocurrió en Europa. Se ha dicho que este linaje entro a Europa durante el Paleolítico Superior [2],probablemente desde la región del Medio Oriente y el Caucaso. La gran divergencia encontrada aquí en los dos representantes de U5 concuerda con la edad que ha sido propuesta para este haplogrupo. Finalmente, U6 traza el primer retorno Paleolítico de linajes caucasoides al Africa. Los cuales han sido encontrados mayormente en Norafrica oriental, con una edad estimada de 47.000 años [28] reflejando una vieja continuidad humana en esa región aislada. El hecho de que en Europa solo ha sido detectado en la Península Ibérica [29] elimina la posibilidad de una ruta europea. Por otro lado, su presencia en Norafrica oriental [30], aunque en bajas frecuencias, refuerza la idea de entro por una vía norafricana. Una tercera posibilidad podría ser que este linaje nunca salio de Africa pero su unión con grupos que se han expandido por Eurasia debilita esta opción. U3 también ha sido encontrado con una frecuencia comparativamente alta en Norafrica occidental [29] y podría haber seguido la misma ruta que U6, sin embargo, su expansión estrellada en el Caucaso ha sido datada en 33.000 años atrás, [30], así que probablemente alcanzo África en una expansión posterior. Esta hipotesis sobre expansiones fuera y de regreso a Africa también ha sido sugerida por los linajes del Cromosoma Y [31]. Otras expansiones neolíticas e históricas indudablemente han moldeado la composición genética humana en grandes áreas geográficas pero como flujos genéticos limitados, no como mestizaje entre poblaciones. Debido a esto, todavía puede ser detectado el origen continental de los haplogrupos mas importantes y pueden ser deducidas las antiguas migraciones humanas a través de ellos.
Conclusiones
Despues de que emigraron fuera de Africa, los humanos modernos primero llegaron a Asia a traves de dos rutas principales. 1. La sureña que esta representada por el haplogrupo M y tiene grupos relacionados que estan presentes mayoritariamente en la India y en Asia Oriental. 2. La norteña que dio lugar a una radiacion posterior, que, a traves de Asia Central, alcanzo una vez mas el Norte y Asia Central, llevando dentro si, a los prominentes linajes A y B. Las expansiones posteriores, pueden ser detectadas por la presencia de subgrupos del haplogrupo U en la India y en Europa. Tambien hubieron retornos de linajes al Africa, probablemente a través de las mismas dos rutas. El regreso a la India puede ser detectado por la presencia de derivados de M en Africa nororiental, y la llegada de los Caucasoides puede ser detectada por la existencia de un subgrupo del haplogrupo U, que, actualmente, esta confinado al Africa nororiental.
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