Genoma Neandertal I: El "paper" de Science (¡Alerta de POST ultra-largo!)

Inauguro una serie de posts sobre un asunto que hace bien poco ha sacudido el mundo de la paleoantropología, la evolución humana, y la genética de poblaciones. Me refiero al borrador del Genoma neandertal. Un borrador incompleto, pero aún así formidable: Cuatro mil millones de nucleótidos de tres individuos neandertales de la cueva de Vindija, en Croacia. 

Los resultados del  estudio han sido publicados, de forma muy condensada, en dos artículos (uno principal y otro más bien complementario) de la revista Science.  

En esta primera entrega trataré de hacer un resumen amplio del “paper” principal, en lenguaje común, asequible a la mayor parte del público interesado. A la vez, intentaré ser muy fiel, a la hora de explicar los resultados, al espíritu y la letra del estudio.

En cuanto al artículo secundario, trata sobre todo de aspectos técnicos y metodológicos, de gran importancia para entender como se obtiene, se secuencia, se “pega” y se “limpia” el ADN fósil neandertal. Es un poco el “como se hizo” en términos científicos, del otro trabajo.   

Antes de entrar en materia quiero exponer mis limitaciones: Soy arqueólogo, y en las cuestiones de genética puedo considerarme, a lo sumo, como un aficionado bien informado. Por ello me disculpo de antemano por las imprecisiones que voy a cometer. También animo a los comentaristas habituales y ocasionales del blog, a matizar y corregir mis errores.  

El artículo principal publicado en Science se titula "A Draft Sequence of the Neandertal Genome". Una traducción aproximada, que no exacta, sería "Un borrador de la secuencia del Genoma Neandertal". Sobre los autores, contaré más cosas en un futuro post, ya que prefiero centrarme aquí en el contenido.  

El "paper", por supuesto no incluye los miles de millones de datos utilizados por los autores  (datos del Genoma Neandertal, y de otros genomas usados para comparar). Eso sería inviable. Pero he sabido, por el blog del paleoantropólogo John Hawks, que dichos datos han sido puestos a disposición de la comunidad científica. Además, la versión on-line del artículo contiene un link a un amplio documento de material adicional.   

Lo que contiene el artículo es un resumen hiper-condensado de los resultados de dos procesos:

• El proceso de obtener de esa enorme cantidad de datos (que ha supuesto desarrollar nuevas metodologías científicas).
• El proceso de analizar dichos datos, para encontrar respuestas a cuestiones fundamentales de la evolución y el parentesco de neandertales y humanos "anatómicamente modernos". 

El complicado caso del ADN antiguo y su némesis la contaminación. 

La primera parte del artículo recoge la metodología para extraer y secuenciar el ADN fósil. Se centran sobre todo en los obstáculos y problemas para conseguirlo, y en las estrategias elegidas para superar los problemas.

Los principales problemas son: 

1. La escasa cantidad de ADN -fragmentario- que se puede obtener, en principio, de los fósiles.
2. La contaminación antigua por ADN de microorganismos (los microbios que participaron en la descomposición de los individuos después de su muerte).
3. La contaminación reciente por parte de ADN humano moderno.

La escasez de ADN fósil es un problema que se había resuelto antes de este estudio. Ya venían desarrollándose técnicas desde mucho antes, basadas en la reacción en cadena de la polimerasa, y en  el uso de determinados compuestos. Esas técnicas producen la multiplicación (en laboratorio) de las escasas cadenas fragmentarias de ADN fósil. 

Secuenciación de ADN neandertal (Foto: Science. Lambert & Millar)

La contaminación por parte de microorganismos fue un problema mayor, ya que entre el 95% y el 99% de las cadenas de ADN recogidas en un primer momento provenía de microbios. Para separar el ADN neandertal  recurrieron a productos (encimas) que "cortan" el ADN bacteriano. Lo hicieron en varios pasos recurrentes (que se repitieron hasta optimizar el resultado).

Para valorar en que medida eran efectivas esas encimas, se usaron, como elementos de control, los genomas de diversas especies conocidas, de criaturas "primates" y  "no primates". De este modo, se veía en que grado y, hasta que punto, cada encima eliminaba eficientemente el ADN "no primate", respetando el ADN "primate". 

Esa parte de la metodología separa el ADN de microbio y animales "no primates". Pero no permite, como es lógico, descubrir o limitar la contaminación por ADN de humano moderno. Concretamente, de quienes han estado en contacto con los huesos fósiles. Para abordar este problema, los autores establecieron una estrategia doble:

• Por un lado, minimizar las posibilidades reales de contaminación. Eso se hace (entre otras precauciones) obteniendo directamente la muestra del interior del hueso, con un taladro estéril, y en una "sala limpia" de laboratorio.
• Por otro lado, realizar estudios que detecten contaminación por ADN moderno en las muestras, a pesar de todas las precauciones. El primero de estos estudios se basa en ver cuanta contaminación por ADN de varón (cromosoma Y) hay en el área equivalente del ADN de los tres neandertales (determinados como mujeres, en los tres casos). En aquellas posiciones donde habría que observar ADN femenino, si aparece ADN masculino, se trata de contaminación. El otro estudio se basa en buscar lugares del ADN donde los neandertales tenían la forma "ancestral" (la misma que el chimpancé), y los humanos modernos tienen la forma "derivada" (que ha mutado y ahora es distinta).Como se espera que esas posiciones del ADN sean "ancestrales” en el fósil, si no lo son, entonces se trata también de contaminación.  

Ambos enfoques encontraron porcentajes de contaminación, pero muy-muy bajos (por debajo del 1% de las secuencias "útiles", ya refinadas). Los autores consideran que es una contaminación aceptable. Sobre todo, porque los análisis que realizan después, los han diseñado sabiendo cual es el nivel de contaminación, para que sean especialmente "inmunes" a la misma.  

[Datos controlados]. Paso 2: Genoma Neandertal y divergencia genética.

Terminada la parte del "paper" que explica como obtener y secuenciar el ADN, los autores pasan a las comparaciones, la comprobación de hipótesis y el análisis de datos. En primer lugar, se explora cuanta divergencia hay entre nuestro ADN, (el de los humanos actuales en general) y el ADN de los Neandertales.  

Para ello se compara el genoma del chimpancé, el genoma humano, y las partes recuperadas del genoma neandertal (el susodicho "borrador").  

Fijándose en partes concretas del ADN, concluyen que la divergencia entre el ADN de neandertales y el de los humanos modernos comenzaría a producirse hace 825.000 años. Los descendientes de cada línea heredan mutaciones distintas, que son precisamente las diferencias observadas en los genomas. 

Los autores remarcan que esa fecha, 825.000 años, es la “divergencia genética” (distinta de divergencia entre poblaciones) y es muy estimativa. Depende, sobre todo, de cuando se sitúe la separación de nuestros ancestros respecto a los ancestros del chimpancé (en el artículo, se toma el valor de 6,5 millones de años).  

Una parte complementaria del estudio supuso secuenciar partes mucho más pequeñas del genoma de otros tres neandertales (uno del Sidrón, en Asturias, España; otro de Mezmaiskaya, en el Cáucaso, Rusia; y por último, el fósil original de Feldhofer, Alemania). Esas partes se compararon con las secuencias equivalentes del borrador del genoma neandertal (o sea, el generado a partir de los Neandertales de Vindija).
 

Muestras y yacimientos de los que se obtuvo ADN neandertal (Foto: Science. Green et al.) 

El objetivo era valorar la variación existente dentro de las poblaciones neandertales, en forma de grado de “divergencia” de cada una de las secuencias respecto a las otras. Los autores explican que los resultados no son muy seguros, ya que las secuencias adicionales eran más bien cortas. No obstante, apuntan a que la divergencia genética entre distintos neandertales era muy baja. Eso es muy significativo, ya que cada uno de los tres genomas considerados en esta parte del estudio viene de un lugar muy distante (Península Ibérica, Norte de Europa, los Balcanes y el Cáucaso).      

El siguiente paso que presenta el trabajo es estudiar las diferencias de cinco individuos modernos, (de diferentes continentes) con respecto al propio genoma moderno de referencia. De este modo se puede juzgar cuanta divergencia presentan los individuos de distintos continentes, respecto a la secuencia de referencia. Una vez que se sabe eso, se puede comparar esa “divergencia” de los hombres de distintos continentes, con la “divergencia” que muestra el Genoma  Neandertal. 

El resultado es este: la “divergencia” neandertal (12,7%) es mayor que la “divergencia” de los diferentes humanos modernos (entre el 8,2%, y el 10,3%). Por otro lado, según lo observado por los autores, al considerar cada elemento de divergencia concreto de los neandertales, la mayor parte de ellos se solapan con las “divergencias” que hay entre humanos modernos de distintos continentes.  

Sólo al observar toda la suma de divergencias, en cada genoma, es cuando se observa que la “divergencia” es mayor en el genoma neandertal.       

A partir de ese punto del trabajo, se introduce otro análisis de gran interés. Los investigadores comparan primero el genoma humano con el de otros simios, identificando los cambios que son exclusivos de la rama humana. Después comparan las posiciones del genoma donde se dan los cambios, con las posiciones equivalentes en el borrador del genoma neandertal. La idea de fondo es la siguiente:

• En los casos en que esas posiciones de humanos y neandertales tienen el mismo contenido genético, se está documentando un cambio previo a la separación de Neandertales y humanos modernos. Es decir, que se dio una mutación previa, en un ancestro homínido que ya se había separado de los otros simios, pero  anterior a la divergencia de Neandertales y humanos modernos.
• En los casos en que esas posiciones en humanos modernos (todos ellos) y neandertales tienen distinto contenido genético, lo que se documenta es una mutación más reciente, posterior a la separación de Neandertales y humanos modernos.

Un aspecto muy interesante de este análisis, es que comparando cuantos cambios hay de cada tipo, se puede evaluar en que medida nuestro ADN ha cambiado antes y después de separarnos de los neandertales. La conclusión preliminar de los autores es que ha habido relativamente pocos (muy pocos) cambios en nuestra secuencia genética, en los últimos “centenares de miles de años” de evolución.  

Selección positiva reciente: Vale, somos muy parecidos, pero en algo seremos especiales…  

En siguiente apartado del artículo se ocupa de la selección positiva en la evolución reciente. Es decir, precisamente, de la parte del genoma humano moderno que sí ha cambiado (que no está en simios ni en Neandertales). En especial, los autores se fijan en las partes del Genoma más vinculadas a la selección natural, las que son conservadas porque son importantes, y que, cuando mutan “espontáneamente”, producen graves hándicaps a los individuos.  

Esas regiones son similares en todos los humanos modernos (salvo, precisamente, los casos en que mutan, y se manifiestan precisamente en patologías).  Y son a su vez diferentes de las regiones equivalentes en el genoma neandertal. Como se ha dicho, son partes de la secuencia que, cuando cambian en las poblaciones actuales, esos individuos presentan enfermedades o hándicaps graves. Esas enfermedades se usan como “guía” para deducir que parte del cuerpo, el desarrollo humano, o el metabolismo controlan dichas regiones.  

De esas regiones se destacan cinco: En la primera, las mutaciones “espontáneas” (respecto a la secuencia moderna “normal”) provocan enfermedades de tipo diabetes, por lo que se piensa que influye en el consumo energético. De este modo, la nueva configuración del ADN moderno podría deberse a la selección de un rasgo útil, relacionado con la forma en que el cuerpo metaboliza los alimentos y consume la energía.

El mismo razonamiento se aplica a otras tres regiones, cuyas mutaciones “espontáneas” están relacionadas con enfermedades de tipo cognitivo. En estos casos, se apunta que puede haberse dado una selección natural del rasgos útiles de tipo cognitivo (que se originan en esas partes “modernas” de las secuencias).  

La última región considerada supone (con mutaciones “perjudiciales”) modificaciones importantes de la estructura craneal y de la caja torácica.Por ello, los autores apuntan que puede tener relación con la configuración de esas partes del esqueleto. De eso deducen que el cambio respecto a la secuencia neandertal podría tener que ver con las importantes diferencias entre su esqueleto y el moderno. 

Divergencia de poblaciones: Yo a África y tu a Europa.   

Divergencia de poblaciones no es lo mismo que la divergencia entre genomas (explicada en la primera parte del artículo). La divergencia de poblaciones es una estimación del momento en que dos poblaciones diferenciadas intercambiaron genes por última vez.  

Los autores utilizan los genomas modernos (los cinco individuos que ya hemos citado) y el neandertal, comparando los (hipotéticos) ritmos de las mutaciones y las sustituciones en las secuencias de ADN, en cada caso. Se usan también los genomas de chimpancé y orangután para determinar cómo eran las secuencias ancestrales. El resultado que proponen es el siguiente: si se dio una separación de humanos-chimpancés hace entre 5,6 y 8,3 millones de años, la divergencia de la población Neandertal y la de los Humanos modernos arcaicos debió suceder hace entre 270.000 y 440.000 años.  

Los no-africanos tenemos algo de Neandertales.  

En este punto del artículo, se introducen nuevos elementos de análisis, que llevan a una de las conclusiones más “rompedoras” del estudio: El genoma neandertal está más próximo a todos los genomas de fuera de África, que a los genomas propiamente africanos.  

La estrategia fue comparar por grupos de tres: el borrador del genoma neandertal con hasta ocho genomas de individuos de los cinco continentes, pero agrupados en pares. La idea es esta:

• Si el Neandertal no ha contribuido especialmente al ADN de ninguna población continental concreta, al comparar partes aleatorias del genoma de dos humanos actuales (de distintos continentes), y después comparar esas partes también con el Neandertal, el resultado debe ser que cada miembro moderno del par muestra la misma cantidad de diferencias, con respecto al neandertal. Ambos están igual de lejos.
• Pero, si el Neandertal ha contribuido más al ADN de una determinada población continental, se daría otra situación distinta: al comparar partes aleatorias del genoma, resultará que hay menos diferencias entre uno de los genomas modernos y el neandertal, con respecto al otro genoma moderno y el neandertal. 

Esto último es precisamente lo que se concluye del estudio. De hecho, la imagen que se desprende del conjunto de las comparaciones “a tres bandas” es clara: los Neandertales han contribuido (más o menos por igual) al ADN de todos los continentes excepto África. En otras palabras, no han aportado ADN a las poblaciones africanas, y sí han aportado ADN a las poblaciones no africanas. Y, sorprendentemente, lo han hecho por igual en individuos de todos los continentes. 

La explicación más parsimoniosa, a la vista de los datos, es que hubo una hibridación limitada de ambas poblaciones (Neandertales y nuestros antepasados africanos). Esa hibridación afectó sólo a la población “moderna” que salió de África, y lo hizo antes de que se dispersasen por los demás continentes.  

Los autores sugieren que eso pudo suceder en una ola migratoria de los humanos anatómicamente modernos, que llegaron a los territorios ocupados por Neandertales en Asia Occidental desde África, en momentos relativamente recientes, hace unos 80.000 años. 

Por último, se ha calculado también un porcentaje de la ascendencia Neandertal que está presente en las poblaciones no africanas. Para ello comparan las diferencias entre pares de individuos, dos neandertales (Vindija y Mezmaiskaya) y dos modernos no-africanos, y asumen que el flujo de genes entre unos y otros sucedió entre hace 80.000 y 50.000 años. Con esos supuestos, la estimación es que la ascendencia Neandertal en las poblaciones actuales no-africanas es de entre un 1% y un 4%.   

A modo de balance y conclusión 

Para terminar, me gustaría hacer una breve valoración del texto. Aunque mi falta de formación específica sólo me permite juzgar una parte de la información, allá donde llego, la sensación general es de gran “robustez” del aparato teórico. Cada conclusión, cada dato aportado es todo lo sólido que puede llegar a ser. Se usan métodos recurrentes y complementarios para testar, de diferentes maneras, cada hipótesis. Se vuelve sobre cada cuestión,  para comprobar, desde otros ángulos distintos, si lo que se ha propuesto tiene coherencia con los demás datos. 

La parte metodológica, de extracción y secuenciación de ADN, refleja un trabajo exhaustivo, en evolución constante, de  revisión y cuestionamiento metódico de los resultados.  

Las críticas y revisiones de tipo científico que he podido leer, van en la misma línea. Aunque se maticen o discutan partes del trabajo, en general se reconoce -y a menudo celebra- lo sólido y adecuado de las premisas fundamentales (al menos, entre los expertos en análisis genéticos, estudios de poblaciones y genética de la evolución humana). Las críticas más duras que he podido leer, que cuestionan el conjunto del estudio, han venido de paleoantropólogos sin formación en análisis genéticos, y no me han parecido, en general, demasiado acertadas. 

En los próximos posts abordaré cuestiones más concretas del estudio (¡aún quedan muchísimas cosas que decir!), y también algunos balances y críticas interesantes que he podido recoger. Y como no, las consecuencias que este estudio puede tener en diversos campos (como la paleoantropología basada en estudios osteométricos, o la arqueología de las poblaciones paleolíticas).

Green, R. E., Krause, J.,  Briggs, A. W.,  Maricic, T., Stenzel, U., Kircher, M., Patterson, N. Li, H., Zhai, W., Hsi-Yang Fritz, M., F. Hansen, N., Y. Durand, E., Malaspinas, A-S., Jensen, J. D., Marques-Bonet, T., Alkan, C., Prüfer, K., Meyer, M., A. Burbano, H., M. Good, J., Schultz, R., Aximu-Petri, A., Butthof, A., Höber, B., Höffner, B., Siegemund, M., Weihmann, A., Nusbaum, C., Lander, E. S., Russ, C., Novod, N., Affourtit, J., Egholm, M., Verna, C., Rudan, P., Brajkovic, D., Kucan, Z., Gusic, I., Doronichev, V. B., Golovanova, L. V., Lalueza-Fox, C., de la Rasilla, M., Fortea, J., Rosas, A., Schmitz, R. W., Johnson, P. L. F., Eichler, E. E., Falush, D. Birney, E., Mullikin, J. C., Slatkin, M., Nielsen, R. Kelso, J., Lachmann, M., Reich, D., Pääbo, S., 2010: "A Draft Sequence of the Neandertal Genome". Science 328 (5979), 710. [DOI: 10.1126/science.1188021]