Neandertal-DNA-sekvenser kan vara vanligare hos moderna afrikaner än man tidigare trott, och olika icke-afrikanska populationer har nivåer av neandertalhärkomst som förvånansvärt liknar varandra, finner en studie publicerad 30 januari i tidskriften Cell . Forskare kom fram till dessa fynd genom att utveckla en ny statistisk metod, kallas IBDmix, att identifiera neandertalsekvenser i moderna människors genom. Resultaten tyder också på att afrikanska genom innehåller neandertalsekvenser delvis på grund av tillbakamigrering av förfäder till dagens européer.

"Vår studie är betydelsefull eftersom den ger viktiga nya insikter i mänsklighetens historia och mönster av neandertalars härkomst i globalt olika befolkningar, " säger senior studieförfattare Joshua Akey från Princeton University. "Våra resultat förfinar kataloger över genomiska regioner där neandertalsekvensen var skadlig och fördelaktig och visar att rester av neandertalgenom överlever i varje modern mänsklig population som har studerats hittills."

Tidigare studier har föreslagit att östasiater har ungefär 20 % fler neandertalhärkomster jämfört med européer. Men de nya fynden tyder på att dessa uppskattningar kan ha varit partiska på grund av metodologiska begränsningar. Tidigare utvecklade metoder, som S*, använd en modern referenspanel - vanligtvis en afrikansk befolkning som antas sakna neandertalaranor. Men om referenspanelen oväntat innehåller neandertalsekvenser, då kommer metoden att underskatta neandertalarnas härkomst hos moderna människor.

För att lösa detta problem, Akey och hans kollegor utvecklade IBDmix som en ny kategori av metoder för att upptäcka arkaiska anor. Istället för att använda en modern referenspanel, tillvägagångssättet beräknar sannolikheten att en individs genotyp delas identisk genom härkomst (IBD) med ett arkaiskt referensgenom. Jämfört med S*, IBDmix är ett mindre partiskt tillvägagångssätt eftersom det har högre statistisk kraft för att upptäcka delade arkaiska sekvenser och ger färre falska positiva resultat.

Forskarna tillämpade IBDmix på 2, 504 moderna individer från 1000 Genomes Project, som representerar geografiskt olika befolkningar, och använde Altai Neanderthal-referens för att identifiera Neanderthal-sekvensen hos dessa individer. De identifierade starkt regioner med neandertalhärkomst hos afrikaner för första gången, identifiera i genomsnitt 17 megabaser (Mb) neandertalsekvens per individ i de afrikanska proverna som analyserats (vilket motsvarar ungefär 0,3 % av genomet), jämfört med mindre än en megabas som rapporterats i tidigare studier. Mer än 94 % av neandertalsekvensen som identifierades i afrikanska prover delades med icke-afrikaner.

Forskarna observerade också nivåer av neandertalhärkomst hos européer (51 Mb/individ), östasiater (55 Mb/individ), och sydasiater (55 Mb/individ) som var förvånansvärt lika varandra. Slående, östasiater hade bara 8 % fler neandertalhärkomster jämfört med européer, till skillnad från tidigare rapporter på 20 %. "Detta tyder på att det mesta av neandertalarnas härkomst som individer har idag kan spåras tillbaka till en vanlig hybridiseringshändelse som involverar befolkningen som är förfäder för alla icke-afrikaner, inträffade kort efter utspriningen utanför Afrika, " säger Akey.

För att utforska potentiella förklaringar till den oväntat höga neandertalarens härkomst hos afrikaner, forskarna jämförde sedan de faktiska uppgifterna med simulerade genotypdata från olika demografiska modeller. Denna analys tog hänsyn till olika sekvensegenskaper, som längden på de delade arkaiska segmenten, frekvensen av dessa segment hos afrikaner, och mängden sekvens som delas exklusivt mellan afrikanska och icke-afrikanska populationer.

De fann att afrikaner uteslutande delar 7,2 % av neandertalsekvensen med européer, jämfört med endast 2 % med östasiater. Simuleringar visade att låga nivåer av tillbakamigrering kvarstår under de senaste 20, 000 år kan replikera egenskaper hos data och kan därför vara en möjlig förklaring till de observerade nivåerna av härkomst bland olika moderna populationer. Resultaten tyder på att tidigare utvecklade metoder som använder en afrikansk referenspopulation är partiska mot att underskatta neandertalarnas härkomst i större utsträckning hos européer jämfört med östasiater. "Kollektivt, dessa resultat visar att uppskattningar av neandertalhärstammar hos östasiater och européer var partiska på grund av oförklarade tillbakamigrationer från europeiska förfäder till Afrika, " säger Akey.

Men genflödet gick åt båda hållen. Uppgifterna tyder också på att det fanns en spridning av moderna människor från Afrika cirka 200, 000 år sedan, och denna grupp hybridiserade med neandertalare, införa modernt mänskligt DNA i neandertalarnas genom. Enligt författarna, både ut-ur-Afrika och in-Afrika spridningar måste beaktas vid tolkning av globala mönster av genomisk variation.

"Jag slås av det faktum att vi ofta föreställer mänsklig historia i mycket enkla termer, " Akey säger. "Till exempel, vi föreställer oss ofta att det var en enda spridning från Afrika som hände 60, 000 till 80, För 000 år sedan ledde det till världens folk. Dock, våra resultat visar att den här historien var mycket mer intressant och att det fanns många spridningsvågor från Afrika, varav några ledde till blandning mellan moderna människor och neandertalare som vi ser i genomen hos alla levande individer idag."

Använder IBDmix, forskarna identifierade också 51 högfrekventa neandertalhaplotyper – uppsättningar av DNA-variationer som tenderar att ärvas tillsammans – hos moderna människor, inklusive flera som var oupptäckta med tidigare utvecklade metoder. För första gången, de upptäckte högfrekventa neandertalhaplotyper hos afrikaner, och regioner som innehåller dessa haplotyper är berikade för gener involverade i immunfunktion och känslighet för ultraviolett strålning. Dessa haplotyper kan återspegla fall av fördelaktiga neandertalsekvenser som snabbt drivs till hög frekvens hos moderna människor genom en process som kallas adaptiv introgression. "Dessa nya fynd ger insikt i dessa populationers evolutionära historia, de selektiva påtryckningar de utsattes för, och nuvarande variation i hälsa och sjukdom, " säger Akey.

Författarna noterar flera begränsningar i deras tillvägagångssätt. Eftersom IBDmix kräver ett arkaiskt referensgenom, den är inte lämplig för att upptäcka sekvenser som delas mellan moderna människor och okända eller osekvenserade homininlinjer. Dessutom, metoden kräver sekvenserade genom från minst tio individer för robusta slutsatser. I framtida studier, Akey och hans team planerar att tillämpa sin strategi på ytterligare afrikanska befolkningar, funktionellt karakterisera neandertalsekvenser som kan vara fördelaktiga, och studera implikationerna av dessa arkaiska sekvenser i modern människors hälsa och sjukdomar.