Co víme o původu psa na základě analýzy DNA

Transkript

1 Co víme o původu psa na základě analýzy DNA RNDr. Pavel Lízal, Ph.D. Přírodovědecká fakulta MU Ústav experimentální biologie Oddělení genetiky a molekulární biologie lizal@sci.muni.cz

2 Přednáška představí výsledky studia genetické rozmanitosti PODOBNOST / ODLIŠNOST Využití: identifikace pachatele zločinu, obětí katastrof paternity identifikace historických osobností studium historie a původu organizmů a populací

3 Proč pes? jediný domestikovaný velký masožravec intenzivně šlechtěný živočich obrovská rozmanitost plemen lovecká, pastevecká, hlídačská, ale i okrasná

4 1) Metody studia historie a původu populací 2) Hypotéza o domestikaci 3) Analýza mtdna u žijících psů 4) Analýza chromozomu Y u žijících psů 5) Rozšířená analýza o mtdna pravěkých psů 6) Celogenomová analýza 7) Původ amerických psů 8) Původ psa Dingo a polynéských psů

5 Metody studia historie a původu populací Jak vzniká rozmanitost 1) Mutace A a nové varianty genů dědičné změny v DNA vznikají náhodně nezbytné v evoluci 2) Pohlavní rozmnožování rozmanitost gamet nové kombinace crossing-over splývání gamet evoluční výhoda

6 Metody studia historie a původu populací Jak velká je genetická rozmanitost Příklad: Vznik odlišných gamet u heterozygotů homozygoti heterozygot AA nebo aa Aa člověk má asi 6,7 % genů v heterozygotních sestavách tj. asi genů teoreticky tedy může vzniknout druhů gamet to je asi (uvádí se, že celkový počet protonů a neutronů na Zemi je odhadem ) člověk může za život uplatnit jen nepatrné množství gamet tolik druhů gamet ještě nemohlo ani vzniknout za dobu existence člověka na Zemi

7 Metody studia historie a původu populací doposud žádné dvě gamety nemohou být úplně shodné = žádní dva lidé z celého počtu žijících lidí v současnosti, minulosti či vzdálené budoucnosti nemohou být geneticky shodní (vyjma jednovaječných dvojčat) = rozmanitost jen v kódujících sekvencích (kolem 5 % naši DNA) = nevyčerpatelný zdroj rozmanitosti

8 Metody studia historie a původu populací při studiu historie populací vycházíme z předpokladu, že geneticky podobnější populace jsou si příbuznější a naopak

9 Metody studia historie a původu populací Rozmanitost na molekulární úrovni dnes nejvýznamnější a nejpoužívanější Nekódující DNA 90 až 95 % genomu Kódující DNA 5 až 10 % genomu

10 Metody studia historie a původu populací Lze ji studovat: 1) na chromozomu Y nebo v mtdna mtdna uložena v mitochondriích v cytoplazmě buňky dědí se výhradně v mateřské linii přenos z matky na dcery i syny, synové však dál nepředávají chromozom Y součástí jaderné DNA, rozhoduje o mužském pohlaví dědí se výhradně v otcovské linii přenos pouze z otců na syny

11 Recept na polévku aneb jak studujeme historii v DNA představme si prastarou vesnici (populace), kde žije deset rodin každá má svůj vlastní recept na polévku a předává jej ústně z generace na generaci postupem času jednotlivé rodiny zanikají, až zůstane rodina poslední jejíž recept (DNA) na polévku se zachová tento recept lze tedy vystopovat zpětně až k této rodině ve skutečnosti však při předávání vznikají chyby nebo si ji každá generace příchutí podle své chuti a dostupného koření (mutace) a recept se tak mírně pozměňuje v současné vesnici tak máme obrovskou různorodost receptů (rozmanitost) a všechny je můžeme vysledovat až k jedinému společnému předchůdci, rodině, která přežila nejdéle z těch 10 původních rodin a jejíž recept se tak přenášel dál a 3b a 3b 3c 3d 3a 3b 3c 3e impala, černý pepř, hořčice, sýr, oregano impala, sůl, ostružiny, arašídy, chilli papriky impala, černý pepř, hořčice, škeble, bazalka impala, černý pepř, krabí maso, jalovec impala, sůl, tymián, petržel, vepřové

12 Metody studia historie a původu populací Lze ji studovat: 1) na chromozomu Y nebo v mtdna sledujeme sestavy mutací: haplotypy typická sestava mutací haploskupiny podobné haplotypy mající společný původ v dané rodové linii se dědí stejná sestava mutací impala, černý pepř, hořčice, sýr, oregano impala, sůl, ostružiny, arašídy, chilli papriky impala, černý pepř, hořčice, škeble, bazalka impala, černý pepř, krabí maso, jalovec impala, sůl, tymián, petržel, vepřové jednotlivé recepty jsou haplotypy typické je pro ně konkrétní sestava mutací - koření větší příbuznost menší příbuznost soubor receptů na impalí polévky (podobné haplotypy) se pak sdružují do kuchařek (haploskupin) Impalí polévky

13 Recept na polévku aneb jak studujeme historii v DNA konkrétní mutace a sestavy mutací vznikly na určitém místě = určují pak místo původu například u našeho receptu na impalí polévku = můžeme zjistit, kde žila rodina, jejíž recept přežil do současnosti a to na základě složení surovin představme si, že se zachovalo např. 5 receptů na impalí polévku impala, černý pepř, hořčice, sýr, oregano impala, sůl, ostružiny, arašídy, chilli papriky impala, černý pepř, hořčice, škeble, bazalka impala, černý pepř, krabí maso, jalovec impala, sůl, tymián, petržel, vepřové Impalí polévky

14 4) Správný vědecký úhel pohledu Čím se budeme zabývat? Recept na polévku aneb jak studujeme historii v DNA impala, černý pepř, hořčice, sýr, oregano impala, sůl, ostružiny, arašídy, chilli papriky impala, černý pepř, hořčice, škeble, bazalka impala, černý pepř, krabí maso, jalovec impala, sůl, tymián, petržel, vepřové Impalí polévky všechny polévky obsahují impalu = zcela původní polévka tedy také obsahovala impalu některé recepty obsahují černý pepř, jiné zase sůl to jsou tedy suroviny přidané druhé v pořadí dále dva recepty spojuje hořčice = další přísada po pepři máme pořadí přísad impala, sůl/pepř, hořčice (v pepřové linii) to, že se hořčice neobjevuje např. v receptu se solí je dáno tím, že používané přísady jsou typické pro nějakou geografickou oblast, kde je běžná a naopak vzácná či nevyskytující se jinde (viz třeba také škeble nebo krabí maso) z uvedeného lze tedy odvodit, že recept má původ v Africe a další přísady, typické pro určité oblasti, nám napovídají o geografickém původu dalších populací pokud víme, s jakou rychlostí ke změnám dochází, můžeme dokonce vypočítat i to, kdy tato rodina žila a kdy recept vznikl

15 4) Správný vědecký úhel pohledu Čím se budeme zabývat? Recept na polévku aneb jak studujeme historii v DNA největší rozmanitost receptů (haplotypů) a kuchařek (haploskupin) pak ukazuje na populaci, ve které všechny kuchařky vznikly Impalí polévky

16 Metody studia historie a původu populací 2) v rámci celého genomu Lze ji studovat: SNP jednonukleotidový polymorfizmus pravděpodobně asi nejrozmanitější znak např. u člověka změna může nastat v každém z 3,5 x 10 9 nukleotidů velikost genomu psa je 2,4 x 10 9 nukleotidů (39 párů chromozomů, genů, 5 % genomu)

18 Hypotéza pes vzniknul zdomácněním vlka

19 Hypotéza pes vzniknul zdomácněním vlka vlk obecný byl dominantním predátorem Eurasie a Severní Ameriky člověk s ním přichází do kontaktu po rozšíření z Afriky do Eurasie prvním společníkem člověka, jediný domestikovaný velký masožravec první fosilní nálezy ostatků podobných psovitým šelmám Sibiř, stáří let je to výsledek neúspěšné domestikace nebo už předek moderního psa? geografický původ psa možná domestikační centra v jihovýchodní Asii, na Blízkém Východě a Evropě = souvisí domestikace se zemědělstvím? Vlk obecný

21 Analýza mtdna 2009 zjištěno - všichni psi sdílí společnou sestavu genů = mají společnou historii popsáno 10 hlavních haploskupin mtdna největší genetická rozmanitost a všech 10 haploskupin pouze v jihovýchodní Asii, jižně od řeky Jang-c -ťiang tato rozmanitost postupně klesá směrem na západ např. 7 haploskupin ve střední Číně, 5 v severní Číně a jihozápadní Asii a 4 v Evropě

22 Analýza mtdna 2009 nejstaršího haplotyp až let starý zakladatelkami bylo nejméně 51 vlčic Závěry pes má původ v jižní Číně před maximálně lety v populaci vlků čítající několik stovek jedinců místo i čas se shodují s místem vzniku zemědělství (především pěstování rýže) to naznačuje, že psi mohou mít původ buď v usednutých populacích lovců a sběračů nebo v populacích prvních zemědělců větší množství zakladatelských linií pak ukazuje, že zkrocení vlka mohlo být specifickým kulturním znakem datování společného předka ukazuje, že ve stejnou dobu se Starým světem šířily tři skupiny psů

24 2011 Analýza chromozomu Y analyzována část chromozomu Y u 151 psů z celého světa nalezeno 28 haplotypů tvořících 5 haploskupin z toho 2 haploskupiny se vyskytují u 46 % všech psů 2 další haploskupiny jsou omezeny pouze na oblast východní Asie jižně od řeky Jang-c -ťiang nalezena také největší genetická rozmanitost původ zkoumaných psů - ve 13 až 24 vlčích zakladatelích nic nenasvědčuje postdomestikačnímu křížení vlka a psa

25 mtdna + chromozom Y mtdna i chromozom Y podávají stejný obrázek o původu a historii psa všichni psi sdílí zhruba 50 % genofondu největší rozmanitost je v oblasti Asie jižně od řeky Jang-c -ťiang potvrzuje to předpoklad, že je to hlavní a možná jediný region, kde došlo k mnoha domestikačním událostem vlka následné křížení mezi psem a vlkem nepřispělo do genového fondu psa nijak významným způsobem

27 2013 Rozšířená analýza o mtdna pravěkých psů Potvrdí datování a místo domestikace ve východní Asii? analyzována částečná mtdna 18 pravěkých psů porovnána s kompletní mtdna 49 současných vlků 77 žijících psů (včetně odlišných plemen jako Basenjí a Dingo) 4 sekvencemi kojota Proč Basenji a Dingo? dvě geograficky oddělené linie = nedocházelo mezi nimi navzájem ke křížení a ani k prokřížení s vlky v nedávné minulosti Basenji zastupuje historii loveckého psa západní Afriky Dingo je volně žijícím polodivokým psem Austrálie Basenji (Afrika) Dingo (Austrálie) Vlk Kojot

28 Rozšířená analýza o mtdna pravěkých psů Analýza 1 jednoznačně systematicky zařazené pozůstatky pravěkého psa se znaky domestikace pocházejí z Blízkého Východu a také Východní Asie stáří zhruba let

29 Rozšířená analýza o mtdna pravěkých psů Analýza 2 existují i starší nálezy z Evropy a Sibiře nelze je však jednoznačně označit za psy - avšak mají již některé psí znaky archaická psovitá šelma, prapes, protopes Evropa jeskyně Goyet v Belgii, nalezeny pozůstatky staré let Analýza mtdna patří do vývojové linie psa jsou spíše sesterskou skupinou ke všem moderním psům i vlkům Závěry nejsou tedy přímým předkem dnešních psů domestikace psa mohla začít už mnohem dříve před asi až lety v Evropě tato domestikační linie však v čase zanikla domestikace může být mnohem staršího data a mohla probíhat na více místech

30 Rozšířená analýza o mtdna pravěkých psů Analýza 3 Sibiř nález Razboinichya z altajské jeskyně v Rusku - stáří let Analýza mtdna mají geneticky mnohem blíže k dnešním moderním psům a ostatním pravěkým nálezům menší příbuznost k současným vlkům vysoká příbuznost také k prehistorickým psovitým šelmám z Nového světa souhlasí s poznatky o osídlení Ameriky lidmi

31 Rozšířená analýza o mtdna pravěkých psů Analýza 3 Sibiř nález Razboinichya z altajské jeskyně v Rusku - stáří let Závěry i v tomto případě se jedná o zaniklou domestikační událost pravděpodobně v důsledku klimatických a kulturních změn v souvislosti s poslední velkou dobou ledovou (před až lety)

32 Rozšířená analýza o mtdna pravěkých psů Závěry obě naleziště jsou časově a hlavně vzdáleností několik tisíc kilometrů od sebe domestikace psa byla multiregionální záležitostí za první domestikační centrum lze považovat Evropu (díky analýze pravěkých nálezů) avšak tato domestikace nebyla pravděpodobně úspěšná (více prozradí další nálezy)

34 2014 Celogenomová analýza Analyzována DNA (celkem 10 milionů míst, tzv. SNP) tří zástupců vlka obecného (po jednom z každého předpokládaného centra domestikace) Evropa (2013*) Chorvatsko Blízký Východ (2010) Izrael Východní/Jihovýchodní Asie ( ) - Čína dvou prastarých linií psa - Basenji a Dingo (vs. moderní boxer) šakala obecného (jako kontrola, společný původ) Basenji Dingo Vlk obecný * rok stanovení oblasti za možné domestikační centrum Šakal obecný

35 Celogenomová analýza Výsledky: u vlka i psa došlo v minulosti k významnému zmenšení velikosti populace (tzv. bottleneck) liší se však velikostí bottlenecku a dobou, kdy nastal u psů bottleneck v průběhu domestikace u vlka bottleneck mnohem dříve, mnohem větší než ten pozdější u psa Závěr: vlk a současný pes nesdílí společnou historii šakal vlk pes

36 Celogenomová analýza Výsledky: u vlka i psa došlo v minulosti k významnému zmenšení velikosti populace (tzv. bottleneck) liší se však velikostí bottlenecku a dobou, kdy nastal u psů bottleneck v průběhu domestikace u vlka bottleneck mnohem dříve, mnohem větší než ten pozdější u psa genový tok (křížení viz zelené úsečky v grafu) v době před nebo v průběhu domestikace (Basenji a Dingo žijí v oblastech, kde se vlk nevyskytuje a navzájem jsou odděleni geograficky Afrika a Austrálie = křížení proběhlo již někde v Asii) šakal vlk pes

37 Závěry: Celogenomová analýza vlk a současný pes nesdílí společnou historii (viz bottlenecky) pes vzniká vedle linií vlka, pravděpodobně domestikací společného předchůdce dnešního vlka a moderního psa (viz genový tok) mohla to být prastará linie vlka, která: zanikla jako následek expanze člověka do Eurasie může být společným předkem vlka a psa, z něhož domestikací pes vzniká (s domestikací zaniká = přemění se v psa a dnešního vlka) prokáží až analýzy dalších kosterních pozůstatků pravěkých psů šakal vlk pes

38 Celogenomová analýza Další závěry: žádná z existujících linií vlka z domnělých domestikačních center není více příbuzná se psem = nelze stanovit domestikační centrum navíc všechny 3 analyzované linie vlka jsou z genetického hlediska samostatné genetické linie (v sesterském vztahu) šakal vlk pes

39 Celogenomová analýza Další výsledky a závěry: počátek domestikace před až lety (dle molekulárních hodin) zasahuje do období před zemědělstvím = pes už v době lovců-sběračů potvrzuje i gen pro amylázu souvisí s adaptací na stravu bohatou na škrob adaptace se nevyskytuje u psů z nezemědělských oblastí např. Dingo nebo Husky

41 Původ amerických psů psi se v Americe vyskytovali již v předkolumbovském období - pravděpodobně přišli s prvními migranty moderního člověka z Asie nejstarší archeologické důkazy první přítomnost psa před až lety dřívější studie volně žijících a pouličních psů však ukázala na téměř úplné nahrazení těchto původních psů psy z Evropy pozdější analýza původu psích plemen Severní a Jižní Ameriky a arktických oblastí - původ amerických psů je mnohem složitější

42 Původ amerických psů analyzována a porovnána byla mtdna: arktických plemen psů Inuitů, Eskymáků a obyvatel Grónska plemen psů jako je Aljašský malamut, Čivava, xoloitzcuintli (Mexický naháč) a Perro sı'n pelo del Peru (Peruánský naháč) psů východní Asie, Evropy vymřelých předkolumbovských linií

43 Původ amerických psů Výsledky a závěry: Předkolumbovský původ psí plemena původních obyvatel Ameriky mají především předkolumbovskou mtdna naproti tomu dnešní volně žijící psi z venkovských oblastí a pouliční psi malý nebo žádný předkolumbovský původ avšak i u nich existují některé populace s přetrvávajícím předkolumbovským domorodým původem psi indiánů = předkolumbovský původ ostatní = malý nebo žádný předkolumbovský původ

44 Původ amerických psů Výsledky a závěry: Evropská příměs jako důsledek prokřížení se psy z Evropy přivezenými v post-kolumbovském období u plemen psů původních obyvatel Severní a především Jižní Ameriky - zhruba 30% příměs evropských samičích linií mtdna v jejich genofondu u volně žijících psů Jižní Ameriky - původ téměř zcela evropský = jsou potomky psů (fen) přivezených z Evropy (možná s malou příměsí původních amerických psů) u arktických plemen psů Inuitů, Eskymáků a grónských psů příměs nenalezena 0 % ~ 30 % ~ 30 % ~ 99 % původní volně žijící arktická

45 Původ amerických psů Výsledky a závěry: Pozoruhodná Čivava a Dingo mexická Čivava je: geneticky propojena se starověkými mexickými plemeny - má tedy prastarý původ geneticky spřízněna s Peruánským naháčem a dokonce i se sibiřskými psy americký Dingo, který je volně žijícím americkým psem, má starobylý asijský původ

46 Původ amerických psů Výsledky a závěry: Původ amerických arktických psů pravděpodobně představují dvě vývojově oddělené genetické linie První linie zástupcem je Aljašský malamut je geneticky propojen s asijskými psy (východoasijskými psy, sibiřským Husky a tažným čukčijským psem) to ukazuje na významné genetické propojení mezi východní Asií, Sibiří a arktickou Amerikou geneticky je také spojen s archaickými pozůstatky z Aljašky to naznačuje starobylý předkolumbovský původ Aljašského malamuta Druhá linie ostatní moderní arktičtí psi Inuitů, Eskymáků a populací Grónska geneticky spřízněni s tažným psem předchůdců dnešních Inuitů

47 Původ amerických psů Výsledky a závěry: genetické údaje populací amerických psů podporují hypotézu o počáteční migraci moderního člověka nejdříve na sever a dále na jih amerického kontinentu s následnými migračními vlnami do Arktických oblastí docházelo přitom ke křížení mezi plemeny psů, které člověka provázely historie amerických psů je jak vidno velmi složitá a je pravděpodobně výsledkem několika migračních vln z Asie v předkolumbovské éře s následnou evropskou příměsí

49 Původ psa Dingo a polynéských psů Porovnána byla část mtdna: australských psů Dingo s mtdna psů ze všech kontinentů s mtdna euroasijských vlků a dále byl analyzován také úsek mtdna z prehistorických pozůstatků polynéských psů

50 Původ psa Dingo a polynéských psů Dingo má jednoznačný původ ve východní Asii (v mtdna vykázaly vysokou podobnost se zdomácnělými psy východní Asie a arktické Ameriky) mtdna Dinga se od těchto populací začala odlišovat před zhruba lety Dingo má tedy původ v domestikovaných psech z východní Asie a do Austrálie se rozšířil v rámci druhé vlny osídlení Austrálie přes ostrovy jihovýchodní Asie pravděpodobně pouze v jediné migrační vlně

51 Původ psa Dingo a polynéských psů analýza mtdna prastarých polynéských psů nejen australský Dingo, ale i polynéští psi migrovali do oblasti v době před až lety z Indonésie přes jihovýchodní Asii a nikoliv z Tchaj-wanu, jak se předpokládalo

52 Shrnutí k původu psa k prvním domestikacím psa došlo už v době lovecko-sběračských populací dlouho před vznikem zemědělství před více než lety v Evropě a v Asii tyto linie primitivních psů však zanikly v důsledku klimatických změn mnohem dříve než se mohli vyvinout do podoby dnešních moderních psů současní moderní psi tak mají původ mladší až let jejich domestikace však začala ještě před vznikem zemědělství předchůdcem těchto současných psů není vlk, ale společný prapředek vlka a psa pravlk - který již v současnosti také nežije pravděpodobně v důsledku prokřížení nelze určit konkrétní domestikační centrum, tedy kde domestikace současného psa začala američtí psi mají prastarý asijský původ s větší či menší příměsí evropských sekvencí = v souladu s poznatky o osídlení Ameriky lidmi Dingo a polynéští psi mají původ v jihovýchodní Asii

53 DĚKUJI ZA POZORNOST