Институт цитологии и генетки СО РАН Институт археологии и этнографии СО РАН Новосибирский государственный университет Национальный исследовательский центр. - презентация

1 Институт цитологии и генетки СО РАН Институт археологии и этнографии СО РАН Новосибирский государственный университет Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» Микро-РНК и эволюционное становление человека современного типа Н.А. Колчанов, К.В. Гунбин, Д.А. Афонников, А.П. Деревянко

2 Долина р. Ануй By A.P. Derevyanko and M.V. Shunkov, IAE SB RAS

3 В 2007 году ученые Института археологии и этнографии СО РАН под руководством профессора Деревянко нашли фрагменты тел денисовских людей, новых эволюционных родичей H. sapiens. Денисова пещера возле реки Ануй. Алтайские горы Возраст культурных слоев в Денисовой пещере около 80 тысяч лет. А.П.Деревянко и М.В.Шунков, ИАЭ СО РАН

4 Большое число артефактов, найденных в Денисовой пещере, свидетельствует о высоком уровне интеллекта и технических способностях H. denisova А.П.Деревянко и М.В.Шунков, ИАЭ СО РАН Что касается неандертальцев, то многочисленные археологические находки показывают, что они не были достаточно искусными, чтобы изготовлять сложные орудия или утонченные артефакты, особенно украшения.

5 Эволюционное дерево гоминид и H. denisova/H.neandartalensis (вымерших родичей H. Sapiens), чьи геномы секвенированы к настоящему времени миРНК: эволюция H.denisova и H. neandartalensis человек шимпанзе горилла орангутан H. denisova H. neandarthalensis ~6.2 MYA ~ MYA ~6.5 MYA ~0.8 MYA ~0.6 MYA макака (аутгруппа) Секвенирование ДНК из фрагментов тела древнего человека было проведено S. Paabo в Институте эволюционной антропологии общества Макса Планка в Лейпциге. Денисовцы близки к современным людям и к ныне вымершим неандертальцам, но все же отличаются от тех и других. Геномы ряда представителей современных этнических групп содержат ~ 5% ДНК денисовцев, что является убедительным доказательством скрещиваний между предками человека и денисовцами во время их сосуществования.

6 В отличие от большинства подходов, сосредоточенных на кодирующих участках генов, наш подход к анализу геномов человека, других гоминид, а также древних людей был обращен на регуляторные механизмы, управляющие экспрессией генов. Почему мы рассматриваем регуляторные механизмы, контролирующие экспрессию генов, а не кодирующие участки генов? Обширные данные, накопленные к настоящему времени, показывают, что: 1) самые быстрые и значительные эволюционные преобразования организмов связаны с изменениями в регуляторных системах и процессах и 2) мутации, оказывающие действие на регуляторные системы и процессы, могут иметь наиболее значительные фенотипические следствия в ходе эволюции.

7 Ген миРНК Транскрипция Пре-миРНК Ядро Пре-миРНК Экспортины Экспорт пре-миРНК в цитоплазму DROSHA Пре-миРНК DICERДуплекс пре-миРНК Расщепление пре-миРНК Подавление трансляции Созревание и функции миРНК Зрелая миРНК RISC Рибосома Разрушение мРНК мРНК-мишень RISC миРНК в комплексе с RISC белком может комплементарно взаимодействовать с мРНК-мишенями, подавляя их трансляцию или способствуя разрушению мРНК.

8 Каждая миРНК в геноме человека имеет от десятков до сотни мРНК-мишеней, являясь кассетным регулятором экспрессии определенной группы генов. Поэтому мутации, вызывающие серьезные структурные повреждения даже в нескольких миРНК, могут сильно влиять на трансляцию больших групп мРНК-мишеней. Таким образом, даже одиночная мутация в миРНК может привести к множественным фенотипическим проявлениям. миРНК мРНК

9 Трансгенные мыши: примеры множественных фенотипических проявлений, вызванных одиночными нуклеотидными заменами в генах пре-миРНК (PLoS ONE (2012) 7(1): e30737) миРНК Замены Фенотипические проявления mmu-miR-96A > TПотеря слуха (Lewis et al., 2009) mmu-miR- 717 A > G Истощение, поведение, биохимия крови, общий анализ крови, липиды крови, прочие свойства крови, строение тела, вес тела, рост и размеры, кости, мозг, характер дыхания, рак, сердечно-сосудистые проблемы, поражения клеток и тканей, уши, эндокринная система, желчный пузырь, иммунная система, пищевые предпочтения, почки, печень, мышцы, дыхание, синхронизация ощущений, селезенка (Kunej et al., 2010; Zorc et al., 2012)

10 Поиск генов пре-миРНК в геноме H. denisova Шаг 2. Полученный набор эволюционно консервативных генов миРНК человека и их положения на хромосомах Homo sapiens были использованы для идентификации ортологов пре-миРНК в геноме H. denisova. Шаг 3. Мы исключили из анализа все пре-миРНК с низким качеством секвенирования и неуникальные пре-миРНК (более 1 копии на геном), чтобы быть уверенными в функциональной значимости пре-миРНК у древних людей. H.d Шаг 1. ENSEMBL-выравнивания геномов шести видов приматов. Картирование 1523 экспериментально верифицированных человеческих пре-миРНК из miRBase на выравнивании. Отобраны эволюционно консервативные гены человеческих пре-миРНК (ортологи по крайней мере в одном виде приматов помимо человека). Шаг 2 Человек Pongo Pan Gorilla Macaca Шаг 1 H.d X H.s

11 Замены в этой пре-миРНК найдены в позициях, важных для процессинга и созревания Замены в этой пре-миРНК найдены на участке зрелой миРНК, взаимодействующем с мРНК-мишенью Всего в геноме H. denisova было найдено 1419 миРНК – ортологов человека Все эти миРНК подразделяются на две группы: нейтрально эволюционировавшие миРНК (большинство рассмотренных миРНК); миРНК с не нейтральными заменами, нарушающими их структуру и/или функцию. Всего было выявлено 29 таких пре-миРНК. Из них для 11 имеется экспериментальная информация по мишеням их ортологов у человека.

12 Идентификация мРНК-мишеней для ортологов миРНК человека из генома H. denisova Экспериментально доказанные мРНК-мишени (H.s.) Общее число аннотированных миРНК – 543; количество мРНК-мишеней для этих миРНК (т.е. в среднем 16 мРНК-мишеней на 1 миРНК); Количество аннотированных – мРНК-мишеней для 11 НЕНЕЙТРАЛЬНО эволюционировавших миРНК– 1102 (т.е. в среднем 100 мРНк на 1 миРНК, что в 6 раз выше чем для общего пула миРНК). Поэтому мы называем НЕНЕЙТРАЛЬНО эволюционировавшие миРНК кассетными МЕГАРЕГУЛЯТОРАМИ экспрессии генов. starBase ( stores information about tens of thousands of miRNA-targets in Human mRNAs. The mRNA/miRNA interactions were confirmed by: (1) CLIP-seq experiment(s) and (2) computer simulations Информация о числе потенциальных мРНК-мишеней для миРНК H. denisova была получена путем экстраполяции экспериментально установленных сайтов мРНК/миРНК взаимодействий, описанных в базе данных starBase для генома человека. Потенциальные мРНК-мишени (H.d) Humans H. Denisova

13 Для вычисления регуляторного потенциала ненейтрально эволюционирующих миРНК использовались экспериментальные данные о тканеспецифичной экспрессии человеческих мРНК в 131 тканях, содержащиеся в Gene Expression Barcode Database (

14 / Для вычисления регуляторного потенциала ненейтрально эволюционирующих миРНК использовались экспериментальные данные о тканеспецифичной экспрессии мРНК человека в 2200 структурах мозга, содержащиеся в Allen Human Brain Atlas: (

15 По всем тканям, описанным в этих базах данных, была проведена оценка величины регуляторного потенциала ненейтрально эволюционировавших миРНК RISC Рибосома мРНК-мишень миРНК

16 Регуляторный потенциал взаимодействий миРНК/мРНК для всех не нейтрально эволюционировавших миРНК в k-й ткани: – уровень j-й мРНК-мишени, регулируемой некоторой не нейтрально эволюционировавшей миРНК, в k-й ткани, оцененный согласно Gene Expression Barcode Database. P( ) симуляций случайных пулов мРНК JkJk -общее число мРНК, регулируемых не нейтрально эволюционировавшими миРНК, в k-й ткани.

17 ПРИМЕР 1: Тестирование вклада ненейтрально эволюционирующих миРНК в регуляцию экспрессии мРНК в энторинальной коре человека В случае энторинальной коры p= Вклад ненейтрально эволюционирующих миРНК в регуляцию экспрессии мРНК в энторинальной коре существенно выше случайного уровня для этой ткани. Данные по тканеспецифической экспрессии мРНК взяты из Gene Expression Barcode Database.

18 ПРИМЕР 2: Тестирование вклада ненейтрально эволюционирующих миРНК в регуляцию экспрессии мРНК в миндалинах человека В случае миндалины p= Вклад ненейтрально эволюционирующих миРНК в регуляцию экспрессии мРНК в миндалинах не отличается от случайного уровня для этой ткани. Данные по тканеспецифической экспрессии мРНК взяты из Gene Expression Barcode Database.

19 Ткань/орган (Barcode 2.0) Вероятность наблюдения суммы величин экспрессии (p) dorsal root ganglia 2.00E-05 hippocampus 6.00E-05 entorhinal cortex 8.00E-05 superior frontal gyrus cerebellum cervix 4.00E-05 fallopian tube epithelium 2.00E-05 myometrium ovary breast lobular cells cecum 6.00E-05 head and neck epithelial cells 4.00E-05 Gene Expression Barcode Database: объединение результатов по линиям человека и денисовца. Отобранные ткани-мишени с повышенным регуляторным потенциалом мРНК/миРНК взаимодействий, опосредованным ненейтрально эволюционирующими миРНК

20 Gene Expression Barcode Database Примеры структур человеческого мозга, ответственных за сложные интеллектуальные и познавательные функции, которые характеризуются повышенным потенциалом регуляторных взаимодействий, определяемым ненейтрально эволюционировавшими миРНК HIPPOCAMPUS (p = ) играет важную роль в консолидации информации из оперативной памяти в долговременную и в ориентировании; ENTORHINAL CORTEX (p = ) отвечает за память и ориентирование; UPPER FRONTAL GYRUS (p= ) ответственна за самоосознание; СEREBELLUS (p= ) ответственен за координацию движений.

21 Allen Human Brain Atlas: найдено 48 структур-мишеней мозга с повышенным регуляторным потенциалом взаимодействий мРНК с ненейтрально эволюционировавшими миРНК Макроструктура ID микроструктуры (Allen Human Brain Atlas) Микроструктура (Allen Human Brain Atlas) Вероятность наблюдения суммы величин экспрессии (p) Wernicke's area 4142, 4143middle temporal gyrus , 4136superior temporal gyrus , 4150, 4151inferior temporal gyrus planum polare Primary visual association areas 4193, 4194lingual gyrus , 4159, 4160fusiform gyrus , 4201occipito-temporal gyrus Limbic system 4244, 4245parahippocampal gyrus Head of Caudate Nucleus , 4224, 4230, 4231Cingulate gyrus Putamen Dentate gyrus Primary motor area 4073, 4074paracentral lobule , 4013, 4014, 4015precentral gyrus Primary somatosensory and Primary somatosensory association areas 4098, 4099supraparietal lobule , 4088, 4089, 4090postcentral gyrus Orbitofrontal cortex 4901inferior rostral gyrus Major association cortex 4113, 4114angular gyrus Middle frontal gyrus 4030, 4031middle frontal gyrus Superior frontal gyrus 4023, 4024superior frontal gyrus Precuneus 4120, 4121precuneus Primary visual cortex 4186, 4187cuneus

22 Примеры структур человеческого мозга, которые характеризуются повышенным потенциалом регуляторных взаимодействий с ненейтрально эволюционировавшими миРНК 1.Wernicke's area - один из двух основных участков коры головного мозга, связанных с речью ( участвует в понимании письменной и устной речи). 2.Major association cortex играет важную роль в абстрактном мышлении*) 3.Superior frontal gyrus участвует в самосознании и в координации работы сенсорных органов. 4.Middle frontal gyrus контролирует осознанные движения глаз, участвует в самосознании личности, обуславливает такие качества как проницательность и дальновидность. 5.Precuneus участвует в работе временной памяти, обрабатывает визуально- пространственную информацию, участвует в самосознании. 6.Limbic system контролирует питание, воспроизведение, борьбу и бегство, чувства, и память. Она включает в себя области, энторинальной коры. 7.Orbitofrontal cortex представляет собой основной центр обработки обонятельной информации *) Ширина этой зоны в мозге Эйнштейна (и ряда других гениев) на 15% (и более) превышает контрольные величины.

23 Найден ряд структур мозга, выполняющих важнейшие перцептивные, когнитивные и интеллектуальные функции, которые характеризуются достоверно высоким уровнем регуляторного потенциала, определяемого их взаимодействием с мРНК-мишенями RISC Рибосома мРНК-мишень миРНК

24 Структуры мозга, характеризующиеся увеличенным потенциалом регуляторных взаимодействий миРНК/мРНК, определяемые ненейтрально эволюционировавшими миРНК неандартальца НЕ НАЙДЕНЫ! человек шимпанзе горилла орангутан denisovian neanderthal Allen Human Brain Atlas: эволюционная ветвь H. neanderthalensis

25 Филогенетическое дерево шимпанзе, макаки и человека, построенное на основе последовательностей пре-микроРНК Ожидаемая длина человеческой ветви Реальная длина человеческой ветви Выявлено резкое увеличение скорости эволюции миРНК в человеческой ветви. Реальная длина этой ветви в шесть раз больше, чем можно ожидать из скоростей эволюции остальных двух видов [Hu HY et al., MicroRNA expression and regulation in human, chimpanzee, and macaque brains. PLoS Genet Oct;7(10):e Oct 13] МАКАКА ШИМПАНЗЕ

26 миРНК Homo sapiens Предковый нуклеотид реконструирован ный по геномам гоминид Замены в линиях Homo sapiens/ Homo denisova Усредненная скорость фиксации мутаций в год от точки дивергенции вида Пре-миРНК Homo sapiens Пре-миРНК Homo denisova Пре-миРНК гориллы Пре-миРНК шимпанзе Пре-миРНК орангутана miR-1178Hominida: 37GH.s.:37A 1.9* !! 1.3* !! 1.19* * *10-9 miR-1252Hominida:13GH.s.:13A miR-1269aHominida:79AH.s.:79G miR-1321Hominida:55GH.d.:55U miR-146aHominida:60GH.s.:60C miR-532Hominida:79G; 82G H.s.:79A; H.s.:82A miR-608Hominida:37G 72A H.s.:37C; H.d.:72G miR-609Hominida:17GH.d.:17A miR-662макака: 33U; 67G H.d.:33A; H.d.:67A miR-671Hominida:87CH.d.:87U miR-943Hominida:12G; 17AG; 27G H.s.:12A; H.s.:17-; H.s.:27A Скорость фиксации однонуклеотидных замен в генах ненейтрально эволюционирующих миРНК более чем на порядок превышает скорость эволюции ортологичных генов миРНК приматов

27 Местоположение гена, кодирующего миРНК-941 на выравнивании геномов высших приматов. Эта миРНК возникла из вставки фрагментов ДНК в геном предка денисовца и современного человека Возникновение гена пре-миРНК-941 датируется 1-5 млн.л. назад Вторичная структура пре- миРНК-941 эволюционно консервативна у человека и денисовца. Hu et al. Evolution of the human-specific microRNA miR-941. Nat Commun Oct 23;3:1145

28 Somel M и сотр. провели экспериментальное и биоинформационное исследование экспрессии мРНК в мозгах человека и шимпанзе на разных стадиях пре- и постнатального онтогенеза (MicroRNA-driven developmental remodeling in the brain distinguishes humans from other primates. PLoS Biol Dec;9(12):e Dec 6) RISC Ribosome ШИМПАНЗЕ: экспрессия мРНК наблюдается в последний месяц беременности Они нашли большую группу мРНК, регулируемых миРНК, экспрессирующихся в тканях мозга шимпанзе в последний месяц перед рождением. Экспрессия этих мРНК у человека длится три года после рождения. Именно эти три года важны для формирования человеческого мозга, обучения речи и овладения социальным общением. Somel и сотр. делают вывод, что существуют механизмы, направляющие реструктурирование мозга в ходе развития и направляемые микроРНК. Это отличает человека от других приматов. ЧЕЛОВЕК: экспрессия мРНК наблюдается в первые 3 года после рождения

29 Модель видообразования, основанная на представлениях классической популяционной генетики: последовательная фиксация адаптивных мутаций, каждая из которых приводит к возникновению отдельного адаптивного фенотипического признака. В этом случае формирование адаптивного комплекса фенотипических характеристик, необходимых для адаптации к новой экологической нише, требует исключительно больших промежутков времени Модель видообразования, основанная на фиксации мегамутаций, т.е. мутаций в локусах кассетных регуляторов молекулярно-генетических систем, приводящих к одновременному изменению функции больших групп регулируемых генов и, как следствие, возникновению адаптивных комплексов фенотипических характеристик Модель видообразования, основанная на фиксации мегамутаций, т.е. мутаций в локусах кассетных регуляторов молекулярно-генетических систем, приводящих к одновременному изменению функции больших групп регулируемых генов и, как следствие, возникновению адаптивных комплексов фенотипических характеристик P Возникновение мутаций Фиксация адаптивных мутаций Последовательная фиксация адаптивных признаков T P Кассетная фиксация адаптивных признаков T Возникнове ние мутаций Фиксация адаптивных мегамутаций КРИЗИС миРНК мРНК

30 Сетевая модель эволюционного возникновения человека современного типа (Stringer C. Evolution: What makes a modern human. Nature (7396):33-5.) Гибридизация между Ноmo sapiens и древними представателями рода Ноmo Неполное замещение аллелей при дивергенции линий древних людей от линии современного человека Reich D et al., Denisova admixture and the first modern human dispersals into Southeast Asia and Oceania. Am J Hum Genet (4): Hammer MF et al., Genetic evidence for archaic admixture in Africa. Proc Natl Acad Sci U S A (37): Eriksson A, Manica A. Effect of ancient population structure on the degree of polymorphism shared between modern human populations and ancient hominins. Proc Natl Acad Sci U S A (35): Sánchez-Quinto F et al., North African populations carry the signature of admixture with Neandertals. PLoS One (10):e47765.

31 Благодарю за внимание! Выражаем благодарность Российскому фонду фундаментальных исследований за финансовую поддержку работ.

32 Характеристики нуклеотидных замен, фиксировавшихся в 11 ненейтрально эволюционирующих миРНК, аннотированных в базе данных starBase 2.1 миРНК Homo sapiens Предковый нуклеотид реконструирован ный по геномам гоминид Замены в линиях Homo sapiens/ Homo denisova Известные полиморфизмы Homo sapiens совпадающие с замененными нуклеотидами в пре-миРНК, с указанием частот в популяции человека согласно данным базы данных dbSNP. miR-1178Hominida: 37GH.s.:37A37A(96.1)/G(3.8):rs miR-1252Hominida:13GH.s.:13A13A(99.2)/G(0.8):rs miR-1269aHominida:79AH.s.:79G79G( )/A( ):rs miR-146aHominida:60GH.s.:60C60C(23.1)/G(76.8):rs miR-532Hominida:79G; 82G H.s.:79A; H.s.:82A 79A/G:rs456615; 82A/G:rs miR-943Hominida:12G; 17AG; 27G H.s.:12A; H.s.:17-; H.s.:27A 12A(88.5)/G(11.5): rs ; -/AG:rs miR-608Hominida:37G 72A H.s.:37C; H.d.:72G 37C(82.0)/G(18.0):rs miR-1321Hominida:55GH.d.:55U- miR-609Hominida:17GH.d.:17A- miR-662макака: 33U; 67G H.d.:33A; H.d.:67A 33U(86.5)/A(13.5): rs ; 67G(92.6)/A(7.4):rs miR-671Hominida:87CH.d.:87U- человек денисовец 5 миРНК, 6 замен 7 миРНК, 10 замен общий предок

33 миРНК Homo sapiens Предковый нуклеотид реконструированн ый по геномам гоминид Замены в линиях Homo sapiens/ Homo denisova Известные полиморфизмы Homo sapiens совпадающие с замененными нуклеотидами в пре-миРНК, с указанием частот в популяции человека согласно данным базы данных dbSNP. miR-1178Hominids: 37GH.s.:37A37A(96.1)/G(3.8):rs miR-1252Hominids:13GH.s.:13A13A(99.2)/G(0.8):rs miR-146aHominids:60GH.s.:60C60C(23.1)/G(76.8):rs человек денисовец общий предок 60G 60C С (23.1) G(76.8) 60 В ПОПУЛЯЦИЯХ ЧЕЛОВЕКА 60G В ЛИНИИ ЧЕЛОВЕКА ИМЕЛО МЕСТО НЕПОЛНОЕ ВЫТЕСНЕНИЕ ПРЕДКОВОГО АЛЛЕЛЯ (Сравнение нуклеотидных замен, фиксировавшихся в ненейтрально эволюционирующих миРНК в линии человека, с полиморфизмами в популяциях человека, описанными в базе данных dbSNP) человек денисовец общий предок 37G 37A A (96.1) G(3.8) 37 В ПОПУЛЯЦИЯХ ЧЕЛОВЕКА 37G человек денисовец общий предок 13G13G 13A A (99.2) G(0.8) 13 В ПОПУЛЯЦИЯХ ЧЕЛОВЕКА 13G miR-1178 miR-1252 miR-146a

34 миРНК Homo sapiens Предковый нуклеотид реконструированн ый по геномам гоминид Замены в линиях Homo sapiens/ Homo denisova Известные полиморфизмы Homo sapiens совпадающие с замененными нуклеотидами в пре-миРНК, с указанием частот в популяции человека согласно данным базы данных dbSNP. miR-1321Hominids:55GH.d.:55U- miR-609Hominids:17GH.d.:17A- miR-671Hominids:87CH.d.:87U- В ЛИНИИ ДЕНИСОВЦА ПРОИЗШЛА ФИКСАЦИЯ НОВОГО АЛЛЕЛЬНОГО ВАРИАНТА. ПРИ ЭТОМ ПО ДАННЫМ БАЗЫ dbSNP, В СОВРЕМЕННЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ ЧЕЛОВЕКА «ДЕНИСОВСКИЙ АЛЛЕЛЬ» НЕ НАЙДЕН человек денисовец общий предок 87C U (~0) С(~100) 87 В ПОПУЛЯЦИЯХ ЧЕЛОВЕКА 87U человек денисовец общий предок 55G U (~0) G(~100) 55 В ПОПУЛЯЦИЯХ ЧЕЛОВЕКА 55U человек денисовец общий предок 17G A (~0) G(~100) 17 В ПОПУЛЯЦИЯХ ЧЕЛОВЕКА 17A miR-1321 miR-609 miR-671

35 Доказательство гибридизации человека и денисовца на основе сравнения нуклеотидных замен, фиксировавшихся в близко расположенных позициях миРНК, с полиморфизмами в популяциях человека миРНК Homo sapiens Предковый нуклеотид реконструированн ый по геномам гоминид Замены в линиях Homo sapiens/ Homo denisova Известные полиморфизмы Homo sapiens совпадающие с замененными нуклеотидами в пре-миРНК, с указанием частот в популяции человека согласно данным базы данных dbSNP. miR-662macaque: 33U; 67G H.d.:33A; H.d.:67A 33U(86.5)/A(13.5):rs ; 67G(92.6)/A(7.4):rs человек денисовец общий предок 33U;67G A (13.5) U(86.5) 33 В ПОПУЛЯЦИЯХ ЧЕЛОВЕКА 33A;67A miR-662 A (7.4) G(92.6) 67

36 Следы гибридизации человека и денисовца в ненейтрально эволюционирующих миРНК человека miR U67G 33A67A 33U67G 33A67A 33U 67G33A 67A 33U67G 33A67A Человек Денисовец Кроссинговер генов пре-миРНК-662 В современных популяциях человека представлены все четыре варианта продуктов кроссинговера генов пре- миРНК-662, что свидетельствует о гибридизации между денисовцем и человеком

37 Доказательство гибридизации человека и денисовца на основе сравнения нуклеотидных замен, фиксировавшихся в близко расположенных позициях миРНК, с полиморфизмами в популяциях человека миРНК Homo sapiens Предковый нуклеотид реконструированн ый по геномам гоминид Замены в линиях Homo sapiens/ Homo denisova Известные полиморфизмы Homo sapiens совпадающие с замененными нуклеотидами в пре-миРНК, с указанием частот в популяции человека согласно данным базы данных dbSNP. miR-608Hominida: 37G 72A H.s.:37C; H.d.:72G 37C(82.0)/G(18.0):rs человек денисовец общий предок 37G;72A 37C ;72A С (~100) G(~0) 37 В ПОПУЛЯЦИЯХ ЧЕЛОВЕКА 37G; 72G miR-608 G (18.0) A(82.0) 72

38 Следы гибридизации человека и денисовца в ненейтрально эволюционирующих миРНК человека miR C72A 37G72G 37C72A 37G72G 37C 72A37G 72G 37C72A 37G72G Человек Денисовец Кроссинговер генов пре-миРНК-608 В современных популяциях человека представлены два варианта продуктов кроссинговера генов пре-миРНК-608 (из четырех), что свидетельствует о гибридизации между денисовцем и человеком с последующей утратой двух вариантов

39 11 генов пре-миРНК общий предок Анализ генов пре-миРНК, выявил неполное замещение аллелей при дивергенции линий древних людей от линии современного человека, а также гибридизацию между Ноmo sapiens и древними представителями рода Ноmo. Эти факты дают обоснование гипотезе о сильно пересекающихся генофондах современного человека и денисовца (сетевая эволюция)

40 6 миРНК миРНК миРНК миРНК Среднее значение L i (rand)=11.66 L i (real)=31 L i (rand)=14 Случайные перестановки L i (rand)=10 Случайные перестановки Случайный выбор мРНК-мишеней: численный эксперимент Мишени миРНК k и их уровни экспрессии L i (rand)=11 Случайные перестановки Ткань i

41 миРНКОрган / ткань с высоким уровнем экспрессии миРНК miR-1178 матка, печень, желудочно-кишечный тракт miR-1252 центральная нервная система, мозг miR-1269a обонятельный эпителий, В-клетки крови, эмбриональные стволовые клетки miR-1321 центральная нервная система, тимус, матка, селезенка, сердце, ооциты miR-146a лимфоидная ткань, меланоциты miR-532 центральная нервная система, обонятельный эпителий, почка miR-608 мозг, селезенка, тимус, матка, молочные железы miR-609 центральная нервная система, плацента, молочные железы miR-662 матка, легкие miR-671 обонятельный эпителий, жировая ткань, лимфоидная ткань, кератиноциты miR-943 В-клетки крови, матка, кератиноциты Экспрессия миРНК в тканях мишенях - необходимое условие реализации их регуляторного потенциала. Согласно экспериментальным данным, представленным в базе данных miRGator 3.0 (Cho S et. al. Nucleic Acids Res :D252-7) все 11 ненентрально эволюционирующих миРНК экспрессируются в вывяленных нами тканях-мишенях.

42 миРНК Экспрессия миРНК в мозге Орган / ткань miR матка, печень, желудочно-кишечный тракт miR центральная нервная система, мозг miR-1269a + обонятельный эпителий, В-клетки крови, эмбриональные стволовые клетки miR центральная нервная система, тимус, матка, селезенка, сердце, ооциты miR-146a +/- лимфоидная ткань, меланоциты miR центральная нервная система, обонятельный эпителий, почка miR мозг, селезенка, тимус, матка, молочные железы miR центральная нервная система, плацента, молочные железы miR матка, легкие miR обонятельный эпителий, жировая ткань, лимфоидная ткань, кератиноциты miR-943 +/- В-клетки крови, матка, кератиноциты "+" экспрессия пре-миРНК четко отличается от фона, "+/-" экспрессия пре-миРНК слабо отличается от фона; "-" экспрессия пре-миРНК не отличается от фона. Экспрессия миРНК в структурах-мишенях мозга - необходимое условие реализации их регуляторного потенциала. Согласно экспериментальным данным, представленным в базе данных miRGator 3.0 (Cho S et. al. Nucleic Acids Res :D252-7), в мозге человека экспрессируются 10 из 11 ненентрально эволюционирующих миРНК.

43 Ткань/орган (Barcode 2.0) Вероятность наблюдения суммы величин экспрессии (p) dorsal root ganglia2.00E-05 hippocampus6.00E-05 entorhinal cortex8.00E-05 superior frontal gyrus cerebellum trigeminal ganglia postcentral gyrus cervix4.00E-05 fallopian tube epithelium2.00E-05 myometrium ovary vulva endometrial endothelial cell breast lobular cells cecum6.00E-05 head and neck epithelial cells4.00E-05 lung thyroid Gene Expression Barcode Database: общий пул – сетевая схема эволюции (11 миРНК) Отобранные ткани-мишени с повышенным регуляторным потенциалом мРНК/миРНК взаимодействий опосредованных ненейтрально эволюционирующими миРНК В схеме сетевой эволюции было выявлено 18 тканей- мишеней общий предок

44 Второй вариант исследования регуляторного потенциала ненейтрально эволюционирующих миРНК: раздельное рассмотрение 7 и 5 генов пре-миРНК, фиксировавших мутации в линиях человека и денисовца, соответственно. Денисовец 5 миРНК Человек 7 миРНК общий предок

45 Ткань/орган (Barcode 2.0) Вероятность наблюдения суммы величин экспрессии (p) cerebellum4.00E-05 hippocampus dorsal_root_ganglia posterior_cingulate entorhinal_cortex superior_frontal_gyrus primary_visual_cortex0.001 myometrium8.00E-05 ovary fallopian_tube_epithelium cervix breast_lobular_cells cecum stomach neutrophils head_and_neck_epithelial_cells Gene Expression Barcode Database: линия H. sapiens (7 миРНК) Отобранные ткани-мишени с повышенным регуляторным потенциалом мРНК/миРНК взаимодействий опосредованных ненейтрально эволюционирующими миРНК В линии H. Sapiens выявлено 16 тканей- мишеней общий предок

46 Ткань/орган (Barcode 2.0) Вероятность наблюдения суммы величин экспрессии (p) entorhinal_cortex hippocampus vagina6.00E-05 Gene Expression Barcode Database: линия H. denisova (5 миРНК) Отобранные ткани-мишени с повышенным регуляторным потенциалом мРНК/миРНК взаимодействий опосредованных ненейтрально эволюционирующими миРНК В линии H. denisova выявлено 3 ткани- мишени общий предок

47 В результате анализа были отобраны ткани-мишени миРНК, удовлетворяющие одному из двух условий: человек 16 тканей-мишеней денисовец 3 ткани-мишени общий пул – 18 тканей-мишеней Всего было отобрано 12 тканей-мишеней, удовлетворявших приведенным критериям (1)Ткани были выявлены при анализе как общего пула пре-миРНК, так и пула пре-миРНК человека; (2)Ткани были выявлены при анализе как общего пула пре-миРНК, так и пула пре-миРНК денисовца; Такие ткани (структуры)-мишени представляют первостепенный интерес в связи с их возможной ролью в эволюции рода Homo (H.s и H.d).