I segnali epigenetici mostrano come i popoli andini prosperano nell'aria rarefatta / Epigenetic Signals Show How Andean Peoples Thrive in Thin Air
I segnali epigenetici mostrano come i popoli andini prosperano nell'aria rarefatta / Epigenetic Signals Show How Andean Peoples Thrive in Thin Air
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
La tecnologia di sequenziamento del DNA consente di esplorare il genoma per comprendere come gli esseri umani si siano adattati a vivere in un'ampia gamma di ambienti. La ricerca ha dimostrato, ad esempio, che i tibetani che vivono ad alta quota sull'Himalaya hanno una variante unica di un gene che aumenta la capacità di trasporto dell'ossigeno nel loro sangue.
Gli scienziati, tuttavia, non hanno trovato un segnale forte per questo "gene dell'alta quota" nei genomi delle popolazioni indigene che vivono sulle Ande del Sud America. È meno chiaro come le persone si siano adattate alle altitudini superiori ai 2.500 metri degli altopiani andini, dove bassi livelli di ossigeno, temperature rigide ed intense radiazioni ultraviolette rendono la vita estremamente difficile.
Uno studio condotto dagli antropologi dell'Università di Emory ha adottato un nuovo approccio per esplorare questo mistero andino.
Invece di analizzare l'intero genoma dei popoli indigeni per cercare alterazioni nel codice genetico, i ricercatori hanno analizzato l'intero metiloma. Il metiloma rivela i cosiddetti cambiamenti "epigenetici" nel genoma, ovvero il modo in cui i geni vengono espressi in risposta all'ambiente attraverso un processo chimico noto come metilazione del DNA.
La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Environmental Epigenetics, che rafforza le prove del fatto che l'epigenetica potrebbe svolgere un ruolo più importante nell'adattamento di quanto si pensasse in precedenza.
I ricercatori hanno confrontato i metilomi di 39 individui appartenenti a due popolazioni indigene moderne: i Kichwa degli altopiani andini dell'Ecuador e gli Ashaninka della pianura amazzonica lungo il confine peruviano dell'Ecuador.
"Si tratta dei primi dati completi sul metiloma di queste due popolazioni", afferma Yemko Pryor, primo autore dello studio, che ha guidato il progetto come dottorando all'Emory College. "A differenza di molti studi sul metiloma che si concentrano solo su poche centinaia di migliaia di siti nel genoma, abbiamo esaminato tutti e tre i milioni di coppie di basi per vedere cosa avremmo trovato".
I risultati hanno identificato forti differenze nella metilazione del DNA tra le popolazioni di bassa e alta quota per il gene PSMA8, associato alla regolazione del sistema vascolare, e per il gene FST, associato alla regolazione dei muscoli del cuore.
Il secondo segnale più forte rilevato nella popolazione ad alta quota rispetto a quella a bassa quota era per i geni all'interno del percorso P13K/AKT, associato alla crescita muscolare ed alla creazione di nuovi vasi sanguigni.
I ricercatori ipotizzano che l'interazione tra queste differenze epigenetiche possa contribuire a spiegare la maggiore muscolarizzazione delle piccole arterie e la maggiore viscosità del sangue riscontrate nelle popolazioni andine d'alta quota. Queste differenze, spiegano, potrebbero rappresentare un adattamento vascolare unico ad un ambiente povero di ossigeno, diverso da quello riscontrato nelle popolazioni tibetane.
I ricercatori osservano inoltre che il pathway P13K/AKT è stato implicato nell'ispessimento della parete arteriosa in condizioni di bassa ossigenazione nei ratti, così come nelle cellule umane. "L'ispessimento della parete arteriosa negli esseri umani è stato collegato allo sviluppo di ipertensione polmonare, che è più comune tra gli abitanti degli altopiani andini rispetto ad altre popolazioni di montagna", scrivono.
Lo studio attuale ha inoltre individuato forti differenze tra le due popolazioni nella metilazione di 39 geni correlati alla pigmentazione, il che potrebbe aiutare a spiegare l'adattamento della popolazione di alta quota alle forti radiazioni ultraviolette.
"I risultati sono particolarmente interessanti perché non osserviamo questi segnali forti nel genoma, ma quando osserviamo il metiloma, osserviamo questi cambiamenti", afferma John Lindo, professore associato di antropologia all'Emory e autore principale dello studio.
La teoria della selezione genica sostiene che un gene che aiuta una popolazione ad adattarsi nel tempo debba essere ereditato in modo affidabile e quindi comparirebbe nel codice genetico del genoma. Un cambiamento epigenetico, tuttavia, rappresenta una risposta più flessibile ad un'influenza ambientale, che non verrebbe necessariamente trasmessa alla prole.
"La popolazione Kichwa che ha partecipato al nostro studio non è arrivata da poco sugli altopiani andini: i suoi antenati vivevano lì da quasi 10.000 anni", afferma Lindo. "I nostri risultati suggeriscono che l'epigenetica può contribuire all'adattamento in modo duraturo".
Tra i coautori del presente articolo figurano scienziati dell'Università Centrale dell'Ecuador, dell'Istituto di Medicina e Scienze Forensi di Lima, in Perù, dell'Università Statale di Rio de Janeiro e dell'Università di Pavia, in Italia.
Lindo ha fondato il Lindo Ancient DNA Laboratory presso l'Emory nel 2020. Questa struttura all'avanguardia è uno dei pochi laboratori di DNA antico del Paese ed uno dei pochi al mondo coinvolti in ogni fase del complesso processo di risoluzione dei misteri che circondano i resti antichi. Un obiettivo del laboratorio è esplorare come i cambiamenti ambientali, compresi quelli causati dal contatto con gli europei, abbiano influenzato la biologia delle popolazioni indigene e di altre popolazioni delle Americhe.
"Sono stata una delle prime studentesse laureate a entrare nel laboratorio", racconta Pryor, che ha conseguito il dottorato di ricerca presso l'Emory a giugno. "Ho imparato a costruire un laboratorio partendo da zero, acquisendo al contempo competenze analitiche e tecniche pratiche".
Sebbene gran parte del lavoro del laboratorio sia incentrato sul DNA antico, esso comprende anche analisi di popolazioni indigene moderne, sia per studi comparativi sia per colmare lacune su questioni chiave quando mancano campioni antichi.
Il laboratorio Emory instaura relazioni con le popolazioni indigene e gli scienziati locali, instaurando collaborazioni complete per condurre la ricerca e garantendo che le comunità partecipanti abbiano accesso ai risultati.
Nell'ambito della sua esperienza all'Emory, Pryor si è recata in Ecuador per incontrare archeologi locali e membri delle comunità indigene che partecipavano ad alcuni progetti di ricerca del laboratorio.
"Come scienziata che fa ricerca sugli esseri umani, è anche importante andare oltre i dati e creare una comunità con le persone", afferma. "Per quanto ami fare analisi in laboratorio, è stata un'esperienza meravigliosa per me poter andare sul campo ed interagire direttamente con le persone".
Una componente chiave del presente articolo saranno i workshop che il gruppo terrà per trasmettere le proprie scoperte direttamente alle comunità Kichwa e Ashaninka. Il coautore Daniel Rivas Alava, laureato in antropologia alla Emory University e originario dell'Ecuador, sta attualmente sviluppando il workshop sui Kichwa.
Pryor si è laureato all'Emory a giugno ed ora è un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Tina Lasisi presso l'Università del Michigan, dove studia l'evoluzione e le basi genetiche della variazione delle caratteristiche umane, con particolare attenzione alla pigmentazione ed ai capelli.
"Sto applicando molte delle tecniche che ho imparato alla Emory, soprattutto le competenze informatiche", afferma Pryor. "Il mio sogno è rimanere nel mondo accademico ed aprire un giorno il mio laboratorio di DNA antico".
ENGLISH
Researchers found epigenetic changes that help Andean highlanders adapt to extreme altitude where oxygen is scarce.
DNA sequencing technology makes it possible to explore the genome to learn how humans adapted to live in a wide range of environments. Research has shown, for instance, that Tibetans living at high altitude in the Himalayas have a unique variant of a gene that expands the oxygen-carrying capacity of their blood.
Scientists, however, have not found a strong signal for this “high-altitude gene” in the genomes of Indigenous people living in the Andes Mountains of South America. It’s been less clear how people adapted to the altitudes greater than 2,500 meters in the Andean highlands, where low-oxygen levels, frigid temperatures and intense ultraviolet radiation make life challenging in the extreme.
A study led by anthropologists at Emory University took a new approach to explore this Andean mystery.
Rather than scan the whole genome of Indigenous people to look for alterations in the genetic code, the researchers scanned the entire methylome. The methylome reveals what are called “epigenetic” changes in the genome — how genes are expressed in response to the environment through a chemical process known as DNA methylation.
The journal Environmental Epigenetics published the research, which adds to the evidence that epigenetics may play a bigger role in adaptation than previously realized.
The researchers compared the methylomes of 39 individuals from two modern-day Indigenous populations: the Kichwa from the Andean highlands of Ecuador and the Ashaninka from the lowland Amazon Basin along the Peruvian border of Ecuador.
“This is the first whole methylome data on these two populations,” says Yemko Pryor, first author of the study, who led the project as an Emory PhD student. “Unlike many methylome studies that focus on just a few hundred thousand sites throughout the genome, we looked at all three million base pairs to see what we would find.”
The results identified strong differences in DNA methylation between the low- and high-altitude populations for the PSMA8 gene, associated with regulation of the vascular system, and for the FST gene, associated with regulating muscles in the heart.
The second strongest signal detected in the high-altitude population compared to the low-altitude population was for genes within the P13K/AKT pathway, which is associated with muscle growth and the creation of new blood vessels.
The researchers hypothesize that the interplay between these epigenetic differences may help explain the increased muscularization of small arteries and higher blood viscosity that has been found in high-altitude Andean populations. These differences, they explain, may represent a unique vascular adaptation to a low-oxygen environment distinct from those found in Tibetan populations.
And the researchers note that the P13K/AKT pathway has been implicated in arteriole wall thickening under low-oxygen conditions in rats, as well as in human cells. “Arteriole wall thickening in humans has been linked to the development of pulmonary hypertension, which is more common in Andean highlanders compared to other highland populations,” they write.
The current study also identified strong differences between the two populations in the methylation of 39 pigmentation-related genes, which may help explain adaptation by the high-altitude population to strong ultraviolet radiation.
“The findings are particularly interesting because we’re not seeing these strong signals in the genome but when we look at the methylome, we are seeing these changes,” says John Lindo, Emory associate professor of anthropology and senior author of the study.
Gene selection theory holds that a gene that helps a population to adapt over time needs to be reliably inherited and therefore would show up in the genetic code of the genome. An epigenetic change, however, represents a more flexible response to an environmental influence, which would not necessarily be passed down to offspring.
“The Kichwa population that participated in our study did not just arrive in the Andean highlands — their ancestors had been living there for nearly 10,000 years,” Lindo says. “Our findings suggest that epigenetics can contribute to adaptation in a longstanding way.”
Co-authors of the current paper include scientists from Central University of Ecuador; the Institute of Medicine and Forensic Sciences in Lima, Peru; the State University of Rio de Janeiro; and the University of Pavia in Pavia, Italy.
Lindo established the Lindo Ancient DNA Laboratory at Emory in 2020. The state-of-the-art facility is one of the handful of ancient DNA labs in the country and one of the few in the world involved in every step of the complex process of solving mysteries surround ancient remains. A focus of the lab is exploring how environmental changes — including those caused by European contact — affected the biology of Indigenous and other populations of the Americas.
“I was one of the first graduate students to join the lab,” says Pryor, who received her PhD from Emory in June. “I learned how to build a lab from the ground up while also getting hands-on analytical and technical skills.”
While much of the lab’s work centers on ancient DNA, it also spans analyses of modern-day Indigenous populations, both for comparative studies and to fill in gaps around key questions when ancient samples are lacking.
The Emory lab builds relationships with Indigenous populations and local scientists, establishing full collaborations to conduct the research and ensuring that the participating communities have access to the findings.
As part of her Emory experience, Pryor traveled to Ecuador to meet with local archaeologists and members of Indigenous communities participating in some of the lab’s research projects.
“As a scientist doing research on humans, it’s also important to go beyond the data and be in community with people,” she says. “As much as I love doing analyses in the lab, it was a beautiful experience for me to get to go into the field and engage directly with people there.”
A key component of the current paper will be workshops that the team will hold to convey their findings directly to the Kichwa and Ashaninka communities. Co-author Daniel Rivas Alava, an Emory graduate student of anthropology and a native of Ecuador, is currently developing the Kichwa workshop.
Pryor graduated from Emory in June and is now a postdoctoral fellow in the lab of Tina Lasisi at the University of Michigan, researching the evolution and genetic basis of variation in human characteristics, with a focus on pigmentation and hair.
“I’m applying many of the techniques I learned at Emory, especially computational skills,” Pryor says. “My dream is to stay in academia and start my own ancient DNA lab one day.”
Da:
https://www.technologynetworks.com/proteomics/news/epigenetic-signals-show-how-andean-peoples-thrive-in-thin-air-407651
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