Полные геномы койсана и банту из южной части Африки

Четыре коренных намибийских охотника-собирателя! Губи, G / aq'o, D # kgao и! Aî (именуемые здесь KB1, NB1, TK1 и MD8 соответственно), каждый из которых был старшим членом своего сообщества, были выбраны для секвенирования генома на основе их лингвистической группы, географического положения и гаплогруппы Y-хромосомы ( рисунок 1 а также Дополнительная таблица 1 ). Банту - архиепископ Десмонд Туту (АБТ), представляющий носителей сото-тсвана и нгуни (из широких языков Нигер-Конго), двух крупнейших групп южноафриканских банту. Рисунок 1: Карта южной части Африки.

На рисунке показаны этническая группировка и месторасположение участников исследования, KB1, NB1, TK1, MD8 и ABT ( a - e , соответственно), районы с засушливым и пустынным климатом и географическое распределение койсанского и нигерско-конгинского языков. 30 , Для койсанских языков характерны щелчки, обозначающие дополнительные согласные. ! нёбный щелчок; / является зубным щелчком; и # - альвеолярный щелчок 26 , Обратите внимание, что гаплогруппа Y-хромосомы ABT была определена с использованием данных генотипирования и секвенирования, полученных в этом исследовании.

Поскольку ожидается, что геномы участников нашего исследования будут отличаться от эталонного генома человека больше, чем общедоступные геномы Йорубана, Европы и Азии. 4 , 5 , 6 , 7 , 8 Мы стремились создать последовательность генома, которая обеспечила бы достаточное качество как для сопоставления с человеческим эталоном, так и сборкой de novo . Следовательно, геном KB1 секвенировали до 10,2-кратного охвата с использованием платформы Roche / 454 GS FLX с химией титана, что дало среднюю длину считывания 350 пар оснований (п.н.). Чтобы учесть аспекты структуры генома, дополнительные библиотеки длинных вставок для KB1 были секвенированы с использованием технологии парного конца Roche / 454 Titanium, с размерами вставок до 17 килобаз (кб) и 12,3-кратным покрытием излишних клонов. Геном NB1 был секвенирован с использованием той же платформы для двукратного охвата. Геном ABT был секвенирован до более чем 30-кратного охвата с использованием технологии краткого чтения Applied Biosystems, SOLiD 3.0. Кроме того, все пять геномов участников исследования были секвенированы, по крайней мере, в 16 раз в областях, кодирующих белки (экзомы), которые были обогащены захватом последовательности Nimblegen (массив 2,1 М) и впоследствии секвенированы на платформе Roche / 454 Titanium. (1,5–1,9 гигабазы ​​(Gb) последовательности на человека). Дополнительная таблица 2 сообщает объем полученных данных, тогда как Дополнительная таблица 3 дает статистику exome.

Данные о последовательностях были подтверждены различными методами, включая сравнение последовательностей всего генома и экзома, секвенирование всего генома на другой платформе (Illumina, 23,2-кратное для KB1 и 7,2-кратное для ABT), генотипирование с высокой плотностью ( Illumina 1 Million SNPs, сравнение информации о глубине считывания со сравнительными данными геномной гибридизации, а также валидация выбранных вариантов с использованием аллельной дискриминации TaqMan и / или секвенирования Сэнгера. Мы оцениваем ложноположительную частоту нашего окончательного однонуклеотидного полиморфизма (SNP) для KB1 как 0,0009, а ложноотрицательную - 0,09 (см. Дополнительная информация для деталей).

Мы создали сборку de novo генома KB1, используя ассемблер Phusion 9 , Общее количество собранных контигов составляет 2,79 Гб, а размер контига N50 - 5,5 кб. Общий размер лесов, включая предполагаемые зазоры, составляет 3,09 ГБ, а размер лесов N50 - 156 КБ. Самая большая эшафот в собранном виде охватывает 3,2 Мб. Зачастую данные о последовательностях Roche GS FLX приводили к контигам и каркасам, которые не сопоставляются с эталонным геномом человека. Многие из этих строительных лесов соответствовали пробелам в текущей эталонной сборке, включая пробелы длиной более 200 000 п.н. (см. Дополнительная информация ).

Однонуклеотидные различия от сборки человеческого эталонного генома (NCBI Build 36, также известный как hg18) были идентифицированы для пяти южноафриканских геномов и сравнены с таковыми из восьми доступных персональных геномов. 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , В дальнейшем термин «SNP» означает отличие одного нуклеотида от эталонной сборки человека, не включая вставки / делеции основания и без ограничений по частоте аллелей в популяции. SNP были вызваны с использованием программного обеспечения Newbler (для Roche / 454), Corona Lite (для SOLiD) и MAQ 10 (для Иллюмина).

В соответствии с мнением о том, что южноафриканцы относятся к числу самых разных человеческих популяций, мы выявили больше SNP в KB1 и в меньшей степени в ABT, чем в других отдельных геномах человека ( Рис. 2 а также Таблица 1 ), хотя часть различий в количестве SNP может проистекать из различий в технологии и уровнях охвата. Количество новых SNP (то есть, ранее не наблюдавшихся у других людей) намного выше для KB1 и ABT, чем для других отдельных целых геномов ( Таблица 1 ). Каждый из KB1 и ABT имеет приблизительно 1 миллион SNP, которые не используются ни совместно, ни с опубликованными полными геномами йорубского, азиатского или европейского языков. 4 , 5 , 6 , 7 , 8 ( Рис. 2 ). В 117 мегабазах (Мб) секвенированных интервалов, содержащих экзомы, средняя скорость нуклеотидных различий между парой бушменов составляла 1,2 на килобазу, по сравнению со средним значением 1,0 на килобазу, различающимся для индивидуума из Европы и Азии. Более высокий коэффициент SNP у бушменов отражается смещением красных и черных линий в Рис. 3б , Аутосомное разнообразие участников исследования отражается в разнообразии митохондриальных геномов. В то время как европейцы в среднем показывают примерно 20 отличий от эталонной последовательности Кембриджа (CRS) 11 наши южноафриканские участники показывают до 100 митохондриальных SNP относительно CRS ( Дополнительные таблицы 4 и 5 а также Дополнительные рисунки 1 и 2 ). Что еще более важно, несмотря на все митохондриальные последовательности, принадлежащие одной и той же гаплогруппе L0, наблюдается до 84 различий между парами участников митохондриальных геномов ( Дополнительная таблица 4 ).

SNP из KB1 сравниваются с таковыми из Yoruban NA19240 и ABT (левая панель), а также с американцем европейского происхождения (JC Venter) и китайцем (YH) (правая панель). Числа даны в тысячах. Позиции вариантов, которые появляются во всех восьми предыдущих геномах, были проигнорированы, что привело к несколько меньшему количеству общих SNP (например, 3 761 019 отличий от эталонной сборки для KB1 по сравнению с 4 053 781, если они включены) и меньшему количеству SNP в каждом трехстороннем пересечение. Подобные отношения обнаруживаются при рассмотрении других лиц из географических групп.

Таблица 1: Количество SNP в геноме и секвенированных экзом-содержащих областях.Рисунок 3: Изменение плотности SNP.

а , точка доступа SNP для KB1 и J. Watson на хромосоме 17; оба индивида гетерозиготны по 17q21.3 H2-гаплотипу. По обе стороны находятся повторяющиеся регионы, где SNP нельзя назвать (серые). Локальные скорости SNP делятся на частоту аутосом человека, поэтому ожидаемые значения равны 1,0 (горизонтальная пунктирная линия). KB1 имеет почти 2,5-кратное обогащение SNP для 650 000 баз. b , Распределение SNP из геномов бушменов (красная линия) и геномов, не относящихся к бушменам (черная линия), по сравнению с позициями нуклеосом (закрашенный серый график), что указывает на область без нуклеосом (NFR) и нуклеосомы –1 и +1. TSS, стартовый сайт транскрипции.

Чтобы определить, представляют ли новые SNP наследственные аллели или возникли после того, как бушмены отделены от других популяций, мы исследовали гомологичный нуклеотид в геноме шимпанзе. SNP, которые соответствуют геному шимпанзе, указывают на то, что различие является наследственным, тогда как различия с шимпанзе указывают на производный аллель. Из 743 714 новых SNP в KB1 человеческий эталонный геном совпадает с геномом шимпанзе для 87% из них, тогда как геном KB1 совпадает с шимпанзе только для 6%. Для оставшихся 7% нуклеотид шимпанзе не мог быть определен (6%) или отличался как от бушмена, так и от контрольного (1%). Эти фракции практически не изменились, если учесть приблизительно 3600 ложноположительных вызовов SNP (то есть 0,0009 из 4 миллионов), которые можно считать новыми вариантами. Таким образом, очень немногие из новых различий в геноме KB1 являются наследственными нуклеотидами, оставшимися у бушменов; вместо этого подавляющее большинство - это изменения, которые накопились с тех пор, как род бушменов расходился с другими группами населения.

Большое количество новых SNP вызывает обеспокоенность в отношении способности существующих массивов генотипирования эффективно отражать истинную степень генетического разнообразия и структуры гаплотипов, представленных в южной части Африки. Оценивая процентную гетерозиготность для 1 105 569 аутосомных SNP с использованием массивов Illumina с текущим содержанием, мы были удивлены, обнаружив более низкую гетерозиготность в KB1 по сравнению с сопоставимым по регионам европейским контролем ( Дополнительные данные а также Дополнительный рис. 3а, б ), потому что хорошо известно, что генетическое разнообразие является самым высоким в Африке. Однако анализ данных секвенирования всего генома для KB1 и ABT выявил высокий процент гетерозиготных SNP (59% и 60% соответственно), как и ожидалось. Это несоответствие подчеркивает неадекватность существующих массивов SNP для анализа популяций южной части Африки.

Локальная плотность SNP, идентифицированных в KB1, значительно варьируется по геному ( Дополнительный Рис. 4 ), и это изменение плотности также наблюдается в других отдельных геномах (данные не показаны). Некоторые из горячих точек являются общими для всех обследованных лиц, в то время как другие демонстрируют поразительные локальные различия среди индивидуумов, такие как статистически значимые ( P <10-5; см. Дополнительная информация ) Горячая точка KB1 показана на Рис. 3а , Этот регион соответствует инверсии 17q21.3 12 , который содержит несколько генов, включая гены, кодирующие CRHR1 (рецептор рилизинг-рилизинг-гормона) и MAPT (белок тау, связанный с микротрубочками). Анализ вариантов диагностической последовательности, а также прямое типирование инделя длиной 238 п.н. 13 ( Дополнительный Рис. 5 ) подтверждают, что KB1 является гетерозиготным по 17q21.3 H2-гаплотипу, что является удивительным открытием, поскольку аллель H2 обнаруживается с низкой частотой в неевропейских популяциях 12 , Глубина считывания и массив CGH указывают на то, что аллель H2, переносимый KB1, не содержит дупликации в 75 кб, присутствующего на всех проанализированных европейских аллелях H2 14 , 15 , 16 ( Дополнительный рис. 6а, б ). Гаплотип H2 KB1 может представлять наследственную последовательность и структуру гаплотипа H2, который присутствовал в африканских популяциях до его повышенной частоты в европейских и ближневосточных популяциях 12 ,

Мы также наблюдали тенденцию к общему геному для повышенных уровней SNP в промоторных регионах ( Рис. 3б ). Регуляторные элементы промотора, как правило, обогащаются вблизи границ нуклеосом, где мы наблюдали пиковые уровни SNP, особенно в сложных геномах бушменов. Возможно, что увеличение частоты SNP в этих геномных областях может привести к фенотипическим изменениям у людей.

Мы определили 27 641 различных аминокислотных замен среди наших пяти участников по сравнению с человеческой эталонной последовательностью, многие из которых встречаются более чем у одного человека. Из них 10 929 появляются в одном или нескольких ранее секвенированных личных геномах, рассмотренных здесь, еще 3566 находятся в открытых базах данных (см. Дополнительная информация ), а остальные 13 146 являются новыми и распределены среди 7 720 различных генов. Следующее обсуждение предполагаемых фенотипов для генотипов, обнаруженных у бушменов, предназначено для иллюстрации того, как присутствие наблюдаемых SNP и их предыдущая связь с фенотипами могут привести к проверяемым гипотезам. Это только кандидаты на предложенные функции, и для дальнейшего их изучения необходимо провести экспериментальные испытания.

Из 14 495 (то есть 10 929 + 3566) ранее идентифицированных аминокислотных SNP 621 были обнаружены в базах данных, предоставляющих ассоциации болезней или другую фенотипическую информацию. Некоторые из них легко связаны с образом жизни бушменов, такими как отсутствие европейского аллеля персистенции лактазы (функциональный вариант промотора в гене LCT ) и аллеля SLC24A5, ассоциированного со светлой кожей. В других случаях согласие с человеческой эталонной последовательностью является информативным, например, отсутствие аллеля устойчивости к малярии, специфичного для африканского Даффи-нуль ( DARC ). 17 , Отсутствие аллелей устойчивости к малярии в популяциях бушменов может иметь значительные последствия для уже истощающейся популяции хорошо адаптированных фуражиров, когда они вынуждены вести фермерский образ жизни, который приводит к увеличению нагрузки патогенами. 17 , Следовательно, эти генетические маркеры могут позволять отслеживать уровень адаптации человека в изменяющихся условиях. 18 (увидеть Дополнительная информация ).

Хотя некоторые SNP, наблюдаемые у бушменов, были связаны с фенотипами в других этнических группах в литературе и онлайн-базах данных, следует скептически относиться к достоверности непроверенных ассоциаций. в Дополнительная информация Мы проиллюстрируем это с помощью записи dbSNP rs1051339 для гена LIPA , который аннотирован в одной общедоступной базе данных как связанный с «синдромом Вольмана», разрушительным нарушением метаболизма липидов ( Дополнительный Рис. 7 ).

Мы наблюдали, что SNP связаны с улучшением физиологии ( Дополнительная таблица 6 ). KB1, MD8, TK1 и ABT являются гомозиготными по аллелю VDR, связанному с более высокой минеральной плотностью кости; KB1 гомозиготен по аллелю UGT1A3, связанному с повышенным метаболизмом эндо- и ксенобиотиков; KB1, NB1 и ABT гомозиготны по аллелю ACTN3, связанному с повышенной спринтерской и силовой характеристикой; KB1 является гетерозиготным по аллелю CLCNKB, кодирующему хлоридный канал, который обладает большей способностью реабсорбировать хлорид-ионы из почечного клубочка - свойство, которое, вероятно, будет выгодным в пустыне. Другие интересные SNP включают тот, который сохраняет функцию гена CYP2G ( Дополнительный рис. 8а, б ) и два в положениях в гене рецептора вкуса TAS2R38, придающем способность испытывать горькое соединение (фенилтиокарбамид), что может отражать потребность охотников-собирателей избегать токсичных растений (см. Дополнительная информация для подробного обсуждения).

13,146 новых аминокислотных SNP, о которых здесь сообщается, станут богатым ресурсом для будущей работы, предоставляя множество новых функциональных сайтов-кандидатов, которые до сих пор не были включены в исследования ассоциации целого генома. Приблизительно 25% этих SNP, по прогнозам, имеют функциональные последствия с помощью набора вычислительных методов (см. Дополнительная информация ). Категории генной онтологии, которые широко представлены в 6 623 генах с одним или несколькими новыми SNP бушменов (то есть за исключением 7 720 генов с новыми SNP, уникальными для ABT), включают в себя многие функции, которые, как известно, быстро развиваются у людей, такие как иммунный ответ, репродукция и сенсорное восприятие ( Дополнительная таблица 7 ). Увидеть Дополнительная информация для подробного описания компьютерного анализа генов, связанных с липидным обменом и сенсорным восприятием.

Поскольку все участники нашего исследования имеют преклонный возраст (∼ 80 лет) и, по-видимому, имеют хорошее здоровье, новые варианты кодирования, описанные в этом исследовании, можно соотнести с состоянием здоровья и фенотипами на протяжении всей жизни человека. Участники бушменов достигли преклонного возраста, несмотря на то, что жили в суровых условиях из-за периодического голода и неизлечимых болезней. Поскольку некоторые из кодирующих бушменов аллелей в опубликованной литературе были связаны с заболеванием, наши результаты могут помочь пересмотреть эти более ранние сообщения, а также помочь выявить потенциальную специфическую для популяции фармакогенетическую несовместимость определенных лекарств, которые прописаны во всем мире.

Сегментные дупликации были обнаружены в 17 601 различных аутосомных генах в геноме KB1 и оценены числа копий в соответствии с процедурами, описанными ранее 19 ( Дополнительный рис. 6а, б ). Числа копий, оцененные по глубине чтения, более надежны для длинных сегментов, поэтому мы специально нацелены на области размером более 20 Кб. В общей сложности мы обнаружили 886 интервалов (каждый> 20 кб) аутосомно-сегментарного дублирования (93,5 Мб), который включает 100 интервалов (3,9 Мб), которые, по прогнозам, не будут продублированы в образце NA18507 (образец HapMap из Йоруба, Нигерия) 19 , Используя массив CGH, 58 из этих интервалов (2,6 Мб) имели увеличенные числа копий в KB1 по сравнению с NA18507, единственным другим опубликованным африканским геномом. Набор подтвержденных дупликаций включает интервал в 140 килобайт хромосомы 10, охватывающий ген CYP2E1 , который кодирует белок цитохрома P450, который индуцируется этанолом и метаболизирует многие токсикологические субстраты. 20 ( Дополнительный рис. 6а ).

Далее, мы специально оценили количество копий для всех аутосомных генов RefSeq и разработали собственные гены, нацеленные на массивы олигонуклеотидов, где, по прогнозам, KB1 и NA18507 будут отличаться как минимум на одну копию. Это подтвердило 193 гена как отличающиеся по количеству копий между KB1 и NA18507 (53, где NA18507 имеет больше копий и 140, где KB1 имеет больше копий; Дополнительная таблица 8 ). По оценкам, для 26 из этих генов KB1 имеет по меньшей мере на две копии больше, чем в NA18507, ханьском YH и европейском происхождении J. Watson. Этот набор генов включает амилазу слюны ( AMY1A , оценка числа копий KB1 = 15; это может соответствовать образу жизни фуражировщика 21 ), альфа-дефензины ( DEFA1 , оценка числа копий KB1 = 12,5) и γ-глутамилтрансфераза 1 ( GGT1 , оценка числа копий KB1 = 13,2).

Секвенирование и обширное генотипирование выявили генетические связи между нашими участниками и другими группами людей. Размещение полных митохондриальных геномов ( Дополнительная таблица 9 ), включая дополнительных самок туу (KB2) и дзюу (NB8) на материнском дереве реф. 1 ( Дополнительный Рис. 1a – c ) позиционировал наших участников внутри базальной ветви клода L0. Удивительно, но ABT был помещен в кладу L0d, специфичную для бушменов митохондриальную линию. Мы идентифицировали 75 (из 1220) бушменов-информативных SNP на Y-хромосоме ( Дополнительный Рис. 9 ). В отличие от других бушменов, MD8 обнаружил линию Y-хромосомы Bantu, соответствующую ABT. Клад А ( Дополнительная таблица 10 ), B ( Дополнительная таблица 11 ) и E ( Дополнительная таблица 12 Анализ Y-маркера позволил провести валидацию гаплогруппы и классификацию ABT E1b1a8a ( http://ycc.biosci.arizona.edu/ ) 22 ,

Мы провели анализ основных компонентов (PCA) с использованием программного обеспечения EIGENSTRAT 23 на 174 272 автоматических SNP, общих для всех наборов данных (генерируемых с использованием массивов 1M или 610K Illumina или Affymetrix SNP6.0). Данные по 10 бушменов и 20 коса 24 были получены данные с 20 йоруба и 20 европейцев из имеющихся (HapMap и Coriell) данных и 5 бушменов (SAN) из данных Группы по разнообразию генома человека (HGDP). Население PCA определяет бушменов в отличие от населения Нигера и Конго, как от европейцев ( Рис. 4а ). Внутриафриканский анализ отделяет бушменов от расходящихся популяций Западной и Южной Африки ( Рис. 4б ), тогда как ABT явно попадает в кластер Южного Банту. Переменное родство коса с йоруба может указывать на прошлую примесь и / или историческое разнообразие в этой широко определенной популяции 24 , В группе бушменов мы прогнозируем, что дзюо-хоанси и HGDP San - это, по сути, одно и то же население. Расхождение KB1 и MD8 может быть объяснено недавней примесью банту (предполагаемой для MD8) или уникальными субпопуляциями с небольшим процентом древней примеси банту. Несмотря на ограниченность размера выборки, тест на четыре популяции 17 предлагает слабую и / или неокончательную примесь в KB1 и наших участниках Ju / 'hoansi. Другой тест (см. Дополнительная таблица 14 ) показывает поток генов между предками KB1 и ABT, подтверждая результаты митохондрий, но без определения направления потока. В отличие от KB1, NB1 и TK1, поток генов между бушменами и южноафриканским банту может быть подтвержден через митохондрии типа L0 ABT и специфичные для банту Y-хромосомные маркеры в MD8. Следовали ли миграции, лежащие в основе этих случаев, общему образцу патриотизма 25 придется ждать подробного анализа структуры популяции на основе массивов с новым содержанием, которые включают 1,3 миллиона новых генетических маркеров из этого исследования.

Рисунок 4: Трехсторонняя структура населения на основе 174 272 аутосомных SNP с использованием PCA.

a , b , СПС европейцев, африканцев (Нигер-Конго) и бушменов ( а ) и только африканского населения ( б ) отличает бушменов от йорубанцев и банту. Доля дисперсии, объясненной в a, составляет 0,09 для собственного вектора 1 и 0,04 для собственного вектора 2, тогда как в PCA b она составляет 0,06 и 0,02 соответственно, при этом значение P Трейси-Уидома <10-12. ABT, секвенированный Bantu; CEU, европейский HapMap; JHO, Juu докладчики (включая NB1 и TK1); MD8, секвенированный! Кунг; NOH, говорящие на туу (включая KB1); SAE, южноафриканский европеец; SAN, HGDP San; XHO, южноафриканский коса; YRI, Yoruba HapMap.

Поскольку охотники-собиратели бушменов никогда не применяли методы ведения сельского хозяйства на протяжении всей своей культурной истории 26 варианты последовательностей, обнаруженные в их геномах, могут отражать древнюю адаптацию к образу жизни в поисках пищи. В случае бушменов Калахари, должно быть, также произошла адаптация к жизни в засушливом климате, так как было отмечено несколько фенотипических признаков, которые отсутствуют у других групп людей, таких как способность хранить воду и метаболиты липидов в тканях организма. 26 , Эти физиологические и генетические различия могут направлять будущие исследования в столь спорный вопрос о том, способствовало ли замещение населения, а не культурный обмен, расширению сельского хозяйства в южных регионах Африки. 27 , как это наблюдалось для населения позднего каменного века в Европе 28 , 29 ,

Похожие

Комментарии