Ny metode kan afsløre, hvilke gener vi har arvet fra neandertalere
Forskere fra Københavns Universitet udviklet en ny metode til at undersøge det menneskelige genom for fordelagtige mutationer fra neandertalere og andre arkaiske folk. Det er velkendt, at disse mennesker krydsede sig med moderne mennesker, men den overordnede skæbne af det genetiske materiale, der er arvet fra dem, er stadig stort set ukendt. Blandt andet har forskerne fundet hidtil ubeskrevne mutationer, der har betydning for stofskifte, blodrelaterede sygdomme og immunitet.
For tusinder af år siden uddøde arkaiske mennesker såsom neandertalere og denisovaner. Men først krydsede de sig med forfædrene til nutidens mennesker, der stadig den dag i dag bærer genetiske mutationer fra de uddøde arter.
Man mener, at over 40 procent af neanderthalgenomet har overlevet hos forskellige nutidige mennesker af ikke-afrikansk afstamning, men ’fortyndet’ på en sådan måde, at hvert enkelt menneskeligt genom kun består af op til to procent genetisk materiale fra neanderthalerne. Nogle nulevende menneskelige befolkningsgrupper bærer også genetisk materiale fra denisovaner – en mystisk gruppe af arkaiske mennesker, der muligvis har boet i det østlige Eurasien og Oceanien for tusinder af år siden.
Overførslen af fordelagtigt genetisk materiale i vores gener, en proces kendt som adaptiv introgression, skete ofte, fordi det netop var fordelagtigt for mennesker, i takt med at de spredte sig over hele kloden. For eksempel mener forskere, at nogle af mutationerne påvirkede hudens udvikling og stofskiftet. Men mange mutationer er stadig ukendte.
Nu har forskere fra Globe Institute ved Københavns Universitet udviklet en ny metode ved hjælp af deep learning til at søge efter uudforskede mutationer i det menneskelige genom.
”Vi udviklede en dyb læringsmetode kaldet ’genomatnn’, der forener naturlig selektion og introgression, der betyder overførsel af genetisk information mellem arter. Modellen blev udviklet for at identificere områder i det menneskets genom, hvor introgressionen kunne have fundet sted,” siger lektor Fernando Racimo, Globe Institute, hovedforfatter til det nye studie.
”Vores metode er meget nøjagtig og langt bedre end tidligere fremgangsmåder. Vi anvendte den på forskellige humane genomiske datasæt og fandt flere kandidatgunstige genvarianter, der blev tilført til den humane genpulje,” siger han.
I melanesiske genomer fandt vi kandidatvarianter, der var introgresseret fra denisovaner, og som potentielt kunne have indvirkning på en bred vifte af kendetegn, såsom blodrelaterede sygdomme, tumorundertrykkelse, hududvikling, stofskifte og forskellige neurologiske sygdomme
Den nye metode er baseret på et såkaldt konvolutionelt neuralt netværk (CNN), en type deep learning, man normalt bruger til billed- og videogenkendelse.
Ved hjælp af hundreder af tusinder af simuleringer lærte forskerne ved Københavns Universitet CNN’et at identificere mønstre i billeder af det genom, der ville blive produceret ved adaptiv introgression med arkaiske mennesker.
Mutationer kan potentielt gavne tumorundertrykkelse og metabolisme
Ud over at bekræfte allerede indikerede genetiske mutationer fra adaptiv introgression opdagede forskerne også mulige mutationer, der ikke var kendt for introgression.
”Vi fandt tidligere identificerede kandidater til adaptiv introgression hos moderne mennesker såvel som adskillige andre kandidater, som ikke tidligere har været beskrevet,” siger postdoc Graham Gower, der er førsteforfatter på studiet.
Nogle af de tidligere ubeskrevne mutationer ses i forbindelse med centrale netværk i human metabolisme og immunitet.
”I europæiske genomer fandt vi to stærke kandidater til adaptiv introgression fra neandertalere i områder af genomet, der påvirker fænotyper relateret til blod, herunder antal blodlegemer. I melanesiske genomer fandt vi kandidatvarianter, der var introgresseret fra denisovaner, og som potentielt kunne have indvirkning på en bred vifte af kendetegn, såsom blodrelaterede sygdomme, tumorundertrykkelse, hududvikling, stofskifte og forskellige neurologiske sygdomme. Det er ikke klart, hvordan kendetegnene påvirkes i nutidige bærere af de arkaiske varianter, f.eks. neutralt, positivt eller negativt, men historisk antages det introgresserede genetiske materiale at have haft en positiv effekt på de personer, der bærer dem,” forklarer han.
Det næste skridt for forskergruppen er at tilpasse metoden til mere komplekse demografiske og selektive scenarier for at forstå den generelle skæbne af det genetiske neanderthalmateriale.
Graham Gower påpeger, at gruppen sigter efter at følge op på funktionen af de kandidatvarianter i genomet, som de fandt i denne undersøgelse.
Det er dog stadig en udfordring at undersøge det menneskelige genom for genetisk materiale fra uddøde menneskearter, som man endnu ikke har prøver fra, såkaldte spøgelsespopulationer. Forskerne håber dog, at de yderligere kan lære det neurale netværk at genkende mutationer fra de uudforskede populationer.
”Vores arbejde fremadrettet kan også omfatte at udvikle et CNN, der kan registrere adaptiv introgression fra en spøgelsespopulation i de tilfælde, hvor genomiske data fra kilden ikke er tilgængelige,” siger Graham Gower.
Læs rapporten “Detecting adaptive introgression in human evolution using convolutional neural networks“ her.
Kontakt
Lektor Fernando Racimo
fracimo@sund.ku.dk
+45 35 33 69 14
Postdoc Graham Gower
graham.gower@sund.ku.dk
+45 35 32 34 18
Journalist Søren Thiesen
s.thiesen@sund.ku.dk
+45 28 75 29 34