DNA mitocondrial na Antropologia

DNA mitocondrial na Antropologia
Ana von Hafe Pérez
Manuel Lencastre Cardoso
Maria Ramalho Fontes
Pedro Leite Alves
O que é a mitocôndria?
•
É um organelo, notavelmente móvel e plástico, presente no citoplasma de
células eucarióticas;
•
É uma estrutura cilíndrica com, aproximadamente, 0.5 - 1 µm de diâmetro;
•
O conteúdo mitocondrial das nossas células é herdado apenas por via
materna;
•
É organizada em:
matriz
membrana interna
membrana externa
espaço intermembranar
•
Realiza a maior parte das oxidações celulares e produz a energia celular das
células animais:
- O piruvato e os ác.gordos são convertidos em acetil CoA, o qual é
oxidado a CO2 no ciclo de Krebs;
- Grandes quantidades de NADH E FADH2 são produzidas por estas
reacções de oxidação;
- A energia disponível, pela combinação do oxigénio com os electrões
levados pelo NADH e pelo FADH2, é regulada por uma cadeia transportadora
de electrões na membrana mitocondrial interna, denominada cadeia
respiratória.
Como terão surgido as mitocôndrias?
TEORIA AUTOGÉNICA
A célula eucariótica teria surgido através da especialização de membranas
internas, derivadas de invaginações da membrana plasmática.
TEORIA ENDOSSIMBIÓTICA
Teoria proposta por Lynn Margulis.
A célula eucariótica seria o resultado da associação de células procarióticas
simbióticas ( Bactéria Rickettsia prowazeki – Nature, 1998);
A simbiose entre estas células procarióticas teria evoluído para graus de
intimidade tais que algumas células envolveriam outras completamente,
embora as 1as ficassem intactas no interior do hospedeiro;
Factos que apoiam a teoria endossimbiótica
•
Material genético igual entre procariontes e eucariontes;
•
Simbiose é um processo muito comum no mundo vivo;
•
Tamanho dos cloroplastos e mitocôndrias muito semelhante ao dos
procariontes actuais;
•
Síntese proteica das mitocôndrias e cloroplastos é inibida por substâncias
inibidoras de procariontes (estreptomicina e cloranfenicol) mas não por
inibidores de eucariontes ( cicloheximida);
•
A.a iniciador da cadeia polipeptídica de uma mitocôndria ou cloroplasto é a
formil-metionina, como nas bactérias e não a metionina, como nos eucariontes.
O que é o DNA mitocondrial?
•
O DNAmt humano contém 16569 pares de bases - um dos mais pequenos
que se conhece.
•
Constituído, normalmente, por uma molécula circular de DNA em cadeia
dupla;
•
Localizado na matriz, por vezes ligado à membrana interna;
•
Todos os seus transcritos e os seus produtos de tradução ficam no organelo
– não há exportação de RNA ou proteínas.
•
O DNAmt codifica:
- 2 RNA ribossómicos
- 22 RNA de transferência
- 13 sequências codificantes de proteínas
Todos estes produtos de tradução foram identificados:
- 3 são subunidades do complexo cit c oxidase
- 2 são subunidades da ATPase
- 7 são subunidades do complexo NADH – CoQ reductase
- 1 (cit b) é a subunidade do complexo CoQ cit c reductase
Como terá evoluído o DNAmt?
•
Durante a evolução inicial das células eucarióticas, ocorreu, provavelmente,
uma transferência maciça de genes do organelo (mitocôndria) para o núcleo;
•
É possível que esta transferência tenha cessado antes de estar concluída;
•
Restaram ainda alguns genes na mitocôndria ( os outros passaram para o
núcleo) – DNA mitocondrial
Dados que apoiam a Antropologia
•
Paleontológicos - Fósseis
•
Genéticos – DNA mitocondrial
Cromossoma Y
DNA nuclear
Dados Paleontológicos
Porquê o DNA mitocondrial?
•
Cada célula humana tem um “segundo” genoma encontrado na
mitocôndria. Isto quererá dizer que o genoma mitocondrial está
altamente amplificado.
•
Enquanto cada célula contém apenas duas cópias de um dado
gene nuclear (1 de cada par de homólogos), há milhares de
cópias de um dado gene mitocondrial por célula.
•
Assim o DNA mitocondrial é o sistema genético adoptado em
casos onde o tecido da amostra estão muito velhos, são muito
pequenos ou foram degradados pelo calor ou humidade.
Porquê o DNA mitocondrial?
•
O DNA mitocondrial é o DNA humano mais fácil de
amplificar através de PCR. Este método examina uma
sequência de 440 nucleotídeos de uma região não
codificada do genoma mitocondrial.
•
O DNA mitocondrial não recombina. Há assim uma história
genealógica imutável.
•
DNA mitocondrial é herdado somente da mãe.
Herança materna do
DNA mitocondrial
•
A mitocôndria e o seu genoma são herdados da linha materna.
•
As crianças do sexo masculino partilham o genoma mitocondrial
com a sua mãe e parentes femininos.
•
Os pais não têm qualquer contribuição para o património
mitocondrial dos filhos.
•
O genoma mitocondrial é herdado intacto através de milhares de
gerações.
•
Embora algumas novas mutações apareçam ocasionalmente
numa linhagem são muito poucas e fáceis de identificar.
Herança materna do
DNA mitocondrial
Análise ao cromossoma Y
•
É o segundo sistema genético mais utilizado no estudo da
população humana.
•
Herdado pela linha paterna e assim complementa o
mtDNA.
•
97% não recombina (só recombinam as zonas I e II).
DNA nuclear
•
Maior amplitude genética.
•
No entanto sofre recombinação e possui mecanismos de
correcção mutacional.
“Where do we come from?”
Homo Erectus
•
Todos os cientistas estão de
acordo que há cerca de 1,7
milhão de anos houve uma
migração de uma espécie
de hominídios anterior ao
Homo Sapiens chamada
Homo Erectus que a partir
de África colonizou os
outros continentes.
•
Há 100 000 anos havia no
mundo vários hominídios
diferentes:
-Em África e no médio oriente » Homo Sapiens
-Na Ásia » Homo Erectus
-Na Europa » Homo Neanderthalensis
•
Há 30 000 anos toda essa
diversidade tinha já
desaparecido e todas as
populações eram então
constituídas por seres humanos
anatomicamente e
comportamentalmente
modernos.
Modelos
•
Modelo Multiregional ou de Continuidade
•
“Out of Africa” ou Modelo de Substituição
Modelo Multiregional
•
As primeiras referências a este modelo foram feitas por Franz
Weidenreich em 1943 mas ele foi largamente desenvolvido por
Milford Wolpoff e Alan Thorne
•
Esta modelo defende que depois da dispersão do Homo Erectus se
manteve um fluxo de genes suficiente para que surgisse o Homo
Sapiens de forma lenta e progressiva fruto das várias migrações
entre as populações de todo o mundo habitado, logo os Homo
Neanderthalensis não eram uma espécie mas uma população que
contribuiu geneticamente para a formação do homo sapiens;
•
Esse fluxo génico não permitiu a especiação das populações
dispersas (Wolpoff and Caspari,1997);
•
As variações regionais são fruto da selecção natural desde a
dispersão do Homo Erectus;
•
Esta teoria baseia-se essencialmente em argumentos
paleontológicos, sobretudo na continuidade encontrada em
caracteres de vários fosseis.
Alan Templeton e o modelo multiregional
•
•

1.
2.
Colectou todos os trabalhos previamente
feitos acerca do tema e tratou-os com
métodos diferentes (Programa de análise
estatística GEODIS) Deixou de dar tanto
ênfase às variações da ansa D do mtDNA,
dando-se mais importância a outras zonas
de sinal filogenético mais antigo);
Considerou no seu estudo:
–
Cromossoma Y;
–
2 regiões do cromossoma X;
–
6 regiões autossómicas
Templeton concluiu que:
Existe de facto um papel dominante de
África na modelagem de todo o património
genético através de pelo menos 2
expansões a partir do grupo inicial de
Homo Erectus;
Há ocorrência de fluxo genético entre
populações que levou a intercruzamentos
e não a substituição (Cann et al., 1987)
“Out of Africa”
•Em 1987 na revista nature Rebecca Cann
publicou um artigo com um modelo novo
baseado em argumentos essencialmente
genéticos;
•Eles defendem que depois da migração inicial
as populações de Homo Erectus dispersas
deram origem por radiação adaptativa a várias
espécies;
• o Homo Sapiens, surgido em África há 100 000
ou 200 000 anos, substituiu as populações
existentes em todo o mundo sem trocas
significativas de genes;
•As variações regionais são um fenómeno muito
recente;
• os autores desprezam os registos fosseis
afirmando que não são suficientemente
numerosos para serem estatisticamente válidos.
“Mitochondrial DNA and human evolution”
by Rebecca L. Cann, Mark Stoneking and Allan C. Wilson
•
Foram utilizados no estudo
145 amostras placentárias e
duas linhas celulares
segundo as seguintes
regiões:
–
–
–
–
–

África sub-Sahárica (20);
Ásia (34);
Europa, Norte de África e
Médio Oriente (46);
Austrália (21);
Papua Nova Guiné (26)
os autores fizeram mapas
de restrição dos DNAmt das
amostras especialmente na
zona da ansa D (D loop);
“Mitochondrial DNA and human evolution”
by Rebecca L. Cann, Mark Stoneking and Allan C. Wilson
•
As conclusões deste estudo
apresentam-se sob a forma de um
esquema que traduz uma possível
origem comum a todos os seres
humanos modernos :
1.
Existem então duas ramificações primárias;
uma composta inteiramente de Africanos e
outra incluindo todas as outras populações;
Cada população tem linhagens múltiplas que
contactam com a árvore em diferentes
posições;
2.
•
Na elaboração da Árvore de máxima
parcimónia assumiram-se duas
condições:
1.
Um modo de transmissão inteiramente
maternal de DNA mitocondrial;
Cada indivíduo possui um conjunto
homogéneo de múltiplos genomas
mitocôndriais;
2.
•
Conclui-se desta forma que a origem
dos modernos humanos se deu em
África à entre de há 90 000 a 180 000
anos atrás;
“Global Patterns of Linkage Desiquilibrium at the
CD4 Locus and Modern Human Origins”
Tishkoff et al,1996
•
Um estudo internacional recolheu 1600 amostras de DNA
cromossómico de 42 regiões geograficamente distintas. Da análise
ao locus CD4 do cromossoma 12 concluiu-se que todas as
populações excepto as sub-Saharianas apresentam delecção do
ALU e um único tipo de STRP (Small Tandem Repeats
Polymorphism). (Tishkoff et al,1996)
“Out of africa” vs. Multiregionalismo
Qual a mais correcta?
“Out of Africa” – Argumentos favoráveis
→ Muito do suporte desta teoria advém de estudos genéticos
nomeadamente do estudo do DNAmt
•
A análise das mutações neutras sofridas pelo DNAmt, nomeadamente
na região da D loop foi usada para determinar uma suposta origem de
toda a linhagem humana moderna (Cann et al,1987)
“Out of Africa” – Argumentos favoráveis
•
O estudo de DNA nuclear de 5 populações
geograficamente separadas actualmente
permitiu chegar à conclusão de que existe
maior variabilidade genética no continente
africano do que nos restantes o que pode
indiciar uma origem neste continente de toda a
linhagem humana moderna (Gibbons et
al,1992;)
“Out of Africa” – Argumentos favoráveis
•
Vários estudos apontam para uma transição de humanos arcaicos para
humanos modernos há cerca de 100 000-200 000 anos atrás:
1.
Estudos comparativos de polimorfismos em 30 microsatélites cromossómicos
levaram à conclusão da provável existência de uma população ancestral africana
nessa altura (Goldstein et al,1995)
1.
Um estudo genético analisou exaustivamente todas as 16 569 bp do DNAmt de
três humanos (1 africano, 1 europeu e 1 asiático) e 4 especímenes símios,
chegando à conclusão que a separação humana dos macacos ocorreu há 13
milhões de anos e a divisão da população africana e não-africana deu-se há 143
000 ± 18 000 anos (Horai et al, 1995)
1.
Análises a fósseis de humanos modernos datados de há 120 000 anos
encontrados na Etiópia e África do Sul (Gore et al,1997)
1.
A determinação do relógio molecular do DNA mitocondrial, ou seja, a taxa à qual
ocorreram mutações no DNAmt ao longo do tempo (Nei et al,1995)
“Out of Africa” – Argumentos favoráveis
•
Alguns cientistas afirmam que a população ancestral de Homo
Sapiens era diminuta, na ordem dos 5000-50000 indivíduos (Rogers
and Harpending, 1992; Harpending et al, 1993; Nei and Takahata,
1993; Harpending, 1994)
•
Novas espécies costumam surgir de pequenas e isoladas populações,
uma vez que o isolamento mantém e acentua a diversidade genética
das populações, podendo conduzir à especiação.
“Out of Africa” – Argumentos desfavoráveis
•
Crânios fósseis com características mistas de Homo Erectus e Homo
Sapiens foram encontrados no Sudeste Asiático indiciando um
possível intercruzamento (Wolpoff et al, 1992)
•
A descoberta recente em Portugal de um fóssil que reúne caracteres
de Neandertais e de Homo Sapiens veio abalar a crença na
substituição das populações de hominídeos na Europa (Duarte et
al,1999)
•
A descoberta de um fóssil no continente australiano que combina
caracteres de Homo Sapiens e de Homo Erectus nativos da ilha é
mais um argumento paleontológico que vem confirmar a ocorrência de
fluxo genético entre as duas populações
“Out of Africa” – Argumentos desfavoráveis
•
Não é cientificamente comprovável a existência de superioridade intelectual e
comportamental de Homo Sapiens sobre Homo Erectus (Wolpoff et al,1992)
•
O facto da variação genética ser maior no continente africano pode ser um
indicativo de um maior número de habitantes em comparação com as outras
regiões ao invés de maior antiguidade (Relethford, 2001)
•
Os dados utilizados por R. L. Cann e colaboradores para a elaboração de uma
árvore de máxima parcimónia foram analisados por outros cientistas que
chegaram a diversas árvores revelando-se este método altamente subjectivo
(Templeton, 2002)
“Out of Africa” – Argumentos desfavoráveis
•
O ênfase na região D-loop veio a provar-se errónea uma vez que a
taxa de mutação é de tal maneira elevada que não apresenta valor
evolutivo para a determinação de uma história passada mas sim de
afinidades recentes:
–
“Back mutation”; locais em que ocorreram sucessivas mutações
que conduziram à sequência inicial de bases
–
“Parallel substitution”; mutações ocorrem no mesmo local para
linhagens diferentes
–
“Rate heterogeneity”; dentro da mesma região existem locais com
diferentes susceptibilidades a sofrerem mutações.
“Out of Africa” – Argumentos desfavoráveis
Análises feitas ao gene PDHA1 do cromossoma X através da sua taxa
e velocidade mutacional determinaram a existência de duas linhagens
evolutivas de Homo Sapiens ao invés de uma única (Hey et al,1999)
•
A existência de mutações no DNAmt pode ter levado à acção da selecção
natural sobre os indivíduos seus portadores, desafiando dessa forma a
validade do relógio molecular.
•
“Out of Africa” – Argumentos desfavoráveis
•
Estimativas da altura da coalescência baseadas em análises de
genes humanos de β-globina apontam para a data de há 800 000
anos atrás, contrariando assim a teoria da origem recente do Homem
(Fullerton et al,1997)
Teoria Multiregional –
Argumentos favoráveis
→ Utiliza essencialmente dados paleontológicos na sua
fundamentação


Descobertas de crânios com características mistas de Homo Erectus e Homo Sapiens no
sudeste asiático datados de há 100 000 anos representam uma das maiores provas de que
existiu fluxo genético entre estes dois grupos (Macintosh et al, 1974; Wolpoff et al, 1984)
A recente descoberta de um fóssil de uma
criança de 4 anos que reúne características
de Homo Neandertalensis e Homo Sapiens
em Portugal, no Abrigo do Lagar Velho
datada de há 24 500 anos está a gerar
grande controvérsia na comunidade
científica defensora da teoria da
substituição sendo até considerada como o
argumento mais credível para a existência
de fluxo genético (Trinkaus et al,1999)
Teoria Multiregional –
Argumentos favoráveis

A ocorrência de uma mutação de um gene específico para a anemia falciforme
ocorrida na Europa anteriormente à migração africana que se manteve até à
actualidade indicia que terá havido fluxo genético entre as populações
ancestrais europeias e as modernas africanas (Templeton, 2002)
Teoria Multiregional –
Argumentos favoráveis

A descoberta da “Eva mitocondrial” é interpretada pelos
multiregionalistas como um episódio relativamente frequente na altura
e que se difundiu pelo Velho Mundo não por competição mas por fluxo
genético;

Através de estudos cromossómicos, foi possível determinar que
ocorreram no mínimo 2 grandes migrações para fora de África depois
da migração original de Homo Erectus (Templeton,2002):

Há 840 000-420 000 anos (DNAmt e Cromossoma Y);

Há 150 000 anos (Regiões autossomais e “X-linked”)
Teoria Multiregional –
Argumentos favoráveis

Uma nova análise de DNA nuclear está a pôr em causa a
ideia de que uma pequena população de ancestrais africanos
deu origem a toda a variedade actual. O estudo de uma
região específica do cromossoma X (PDHA1) em grande
variedade populacional actual levou à conclusão da migração
de duas pequenas populações de Homo Sapiens para locais
geográficos diferentes do Velho Mundo ocorrendo coevolução através de fluxo genético entre esses dois grupos e
os ancestrais de cada zona (Hey and Harris,1999)
Teoria Multiregional –
Argumentos desfavoráveis

O registo fóssil é uma base argumentativa com algumas falhas:
–
–
–
–
–

Raros exemplares;
Fósseis em estado degradado;
Dificuldades de datação;
Não representam toda a variedade fenotípica da sua época;
O seu tratamento pode influenciar as suas informações.
O facto de ter ocorrido evolução paralela de diferentes raças que
acumularam certos traços distintos conforme o meio ambiente em que
vivem pode levar a interpretações racistas desta teoria, como
aconteceu na sua génese no período da Alemanha Nazi
Teoria Multiregional –
Argumentos desfavoráveis

A evolução paralela ocorrida em locais com diferentes
pressões ambientais como é defendida pelos multiregionalistas
é criticada pelos biólogos uma vez que colide com os princípios
de Darwin

É altamente improvável a não-ocorrência na evolução humana
de competição inter-específica com sobreposição de uma
espécie e consequente eliminação de outras, uma vez que este
fenómeno ocorre a todos os níveis da Natureza
CONCLUSÃO

O modelo mais aceite actualmente pela
comunidade científica é:
“Out of Africa”
Criticas aos métodos

Muitos dos argumentos que suportam quer uma teoria quer
outra são altamente subjectivos e falíveis pois os métodos
utilizados na sua análise encontram-se pouco desenvolvidos

Deste modo surgem agora novos avanços técnicos:
•
Métodos estatísticos fiáveis (Programa GEODIS,…)
•
Obtenção de amostras não contaminadas
•
Análises genéticas mais abrangentes e mais reprodutíveis
Terceiro modelo

Surgiu recentemente uma hipótese de terceiro modelo
explicativo que se baseia nas duas hipóteses anteriores;

Este terceiro modelo proposto por Triesman postula que:
–
–
–
Ocorreu uma mutação há 200 000 anos numa população africana
isolada originando um novo genoma mitocondrial;
Essa mutação tornou-se dominante ao mesmo tempo que essa
população se expandiu para fora de África;
Por migrações sucessivas (com fluxos genéticos significativos)
esse genótipo mitocondrial tornou-se dominante nas várias
populações do velho mundo;
Criticas a Triesman

Não conseguimos encontrar nenhum artigo cientifico
que rebatesse a teoria de Triesman;

Encontramos no entanto vários comentários de
notáveis cientistas conotados com um ou outro
modelo pré-existente que negam a possibilidade de
se ter passado qualquer outro cenário que não o
descrito por esses dois modelos…
“Com os dados actuais, qualquer biólogo que
estivesse e estudar a filogenia da drosophilla não
hesitaria sobre o modelo a aplicar, mas quando o
estudo incide sobre a nossa própria filogenia não
somos capazes de afastar completamente as
nossas tendências e emoções mais profundas…”
Tattersaull