Estudio de señales de adaptación biológica en poblaciones descendientes de grupos cazadores recolectores marinos de la Patagonia

Abstract

Antecedentes. La Patagonia, situada al sur de Suramérica corresponde a uno de los últimos lugares en ser poblados por la especie humana hace aproximadamente 13,000 años. Desde entonces, esta zona ha experimentado un proceso de deglaciación con variaciones en las condiciones climáticas y en la distribución de la biota, siendo actualmente la región mas fría de Suramérica. Las primeras poblaciones humanas colonizadoras de la Patagonia enfrentaron estos paisajes y desarrollaron modos de vida acorde a los climas fríos. Los registros de sitios tempranos indican que los primeros pobladores fueron cazadores-recolectores terrestres que ocuparon principalmente la Patagonia oriental. El proceso de adaptación a la vida marina en la Patagonia se inicia a partir de los 6,000 cal años AP desde grupos de cazadores-recolectores terrestres en la costa de la Patagonia occidental. Esta situación consideró una serie de respuestas culturales asociadas a la caza y recolección de productos marinos y a un modo de vida estrechamente ligado con condiciones climáticas adversas. Por otro lado, la llegada de los españoles generó una drástica reducción de las poblaciones Nativas, así como también la introducción de patógenos. Objetivo. En este marco surge nuestro interés de determinar si las adaptaciones culturales que generaron estas poblaciones fueron suficientes para enfrentar las condiciones climáticas adversas y el modo de vida marino, o experimentaron además procesos de adaptación biológica que les permitieron optimizar los recursos y enfrentar de mejor manera el clima de la Patagonia. De esta manera, hipotetizamos que los primeros pobladores de la Patagonia presentaron adaptaciones biológicas asociadas a temperatura y dieta marina y resistencia a enfermedades. Metodología. Generamos datos de genotipos con cobertura genómica en descendientes de cazadores recolectores de la Patagonia mediante microarreglos de ADN. Evaluamos la presencia de regiones genómicas con evidencia de selección positiva que pueda haber ocurrido previo al contacto con europeos mediante el análisis de diferenciación poblacional y extensión de haplotipos. Por otro lado, investigamos el genoma por regiones bajo selección post-contacto europeo mediante el enriquecimiento local de ancestría. Resultados. Los individuos de la Patagonia Chilena y Argentina muestran un componente Nativo Americano común entre sí que no fue capturado por ninguna nacestría amerindia conocida sino por una aparente mezcla entre los componentes Mapuche y Aymara. La distribución de los largos de fragmentos de cada ancestría permitió datar el proceso de mestizaje en la Patagonia argentina hace 11 generaciones y en los grupos más australes de la Patagonia chilena, hace 9 generaciones. Además, se encontró evidencia de señales de selección pre-contacto alrededor de genes asociados con metabolismo de lípidos (ASXL2, LRP2, ADAM17), mecanismos de respuesta a frío (TRPM8) y a regulación del sistema cardiovascular en ambientes de hipoxia (UCN3). Además, encontramos regiones bajo selección en genes previamente descritos en grupos Nativos de Siberia (FADS, CPT1A, THADA, etc.). La detección de loci bajo selección mediante enriquecimiento ancestral de una ancestría identificó un significativo aumento de la ancestría amerindia en la región HLA del cromosoma 6 y en una región proximal del cromosoma 21, ambos abarcando genes asociados a respuesta inmune y metabolismo de lípidos, entre otros. Discusión y Conclusiones. El análisis de ancestría reveló un componente amerindio común entre los grupos patagónicos que no pudo ser completamente caracterizado por ninguno de los paneles de referencia usados, sugiriendo la presencia de una historia ancestral particular de estos grupos. El mestizaje en Patagonia ocurrió hace 9 a 11 generaciones, al menos tres generaciones más tardío que en centro de Chile. Se encontraron señales de selección en común para los genes ASXL2, LRP2 y ZNF202 en todas las poblaciones estudiadas de la Patagonia, los cuales están asociados con el metabolismo de lípidos. También, encontramos señales de selección en el genoma de descendientes de cazadores recolectores marítimos de la Patagonia los cuales involucran a los genes ZNF202, GRAMD1B y UCN3 que participarían en los procesos de adaptación de dieta terrestre a marina y en mecanismos de buceo. El gen TRPM8, ya había sido asociado con la regulación de la temperatura, y descrito como el principal responsable de la respuesta adaptativa a ambientes fríos en varias poblaciones de Europa. El enriquecimiento de ancestría amerindia en los cromosoma 6 y 21 sugieren una selección posmestizaje de haplotipos con adaptaciones a patógenos y otras condiciones locales. Los resultados de este trabajo permitieron encontrar múltiples señales de selección positiva en poblaciones mestizas de la Patagonia que ocurrieron tanto antes del encuentro con europeos, posiblemente en el holoceno temprano, como posteriores al mestizaje ocurrido

Background. Patagonia is located south of South America and corresponds to one of the last places to be populated by the human species, approximately 13,000 years ago. Since then, this area has undergone a deglaciation process with variations in climatic conditions and biota distribution, currently being the coldest region in South America. The first colonizing human populations of Patagonia faced these landscapes and developed ways of life according to cold climates. Early site records indicate that the first settlers were land hunter-gatherers who mainly occupied eastern Patagonia. The process of adaptation to marine life in Patagonia starts from 6,000 cal years AP from groups of land hunter-gatherers on the coast of western Patagonia. This situation considered a series of cultural responses associated with hunting and collecting marine products and a way of life closely linked to adverse weather conditions. On the other hand, the arrival of the Spaniards generated a drastic reduction of Native populations, as well as the introduction of pathogens. Objective. Within this framework, our interest arises to determine if the cultural adaptations generated by these populations were sufficient to face adverse climatic conditions and marine life, or also experienced biological adaptation processes that allowed them to optimize resources and to better face Patagonia’s climate. In this way, we hypothesized that the first inhabitants of Patagonia presented biological adaptations associated with temperature, marine diet and resistance to diseases. Methodology. We generated genotype data with genomic coverage in descendants of hunter-gatherers from Patagonia using DNA microarrays. We screened the genome for evidence of positive selection that may have occurred prior to contact with Europeans by analyses of genetic divergence and of extended haplotypes. On the other hand, we investigated the genome for selection signatures occurred after admixture by testing for local enrichment of one ancestry. Results. The individuals of Chilean and Argentinean Patagonia showed a common Native American component that was not represented by known amerindian ancestry but by an apparent mixture of the Mapuche and Aymara components. The distribution of the lengths of fragments of each ancestry allowed us dating the process of miscegenation in the Argentine Patagonia at 11 generations ago and in the southernmost groups of the Chilean Patagonia at 9 generations ago. In addition, we found evidence of precontact selection that included genes associated with lipid metabolism (ASXL2, LRP2, ADAM17), cold response mechanisms (TRPM8) and to regulation of the cardiovascular system in hypoxia environments (UCN3). In addition, we found regions under selection in genes previously described in Siberian Native groups (FADS, CPT1A, THADA, etc.). The detection of loci under selection by ancestral enrichment of an ancestry identified a significant increase in Native American ancestry in the HLA region of chromosome 6 and in a proximal region of chromosome 21, both encompassing genes associated with immune response and lipid metabolism, among others. Discussion and Conclusions. The analysis of ancestry revealed a common Native American component among the Patagonian groups that could not be fully characterized by any of the reference panels used, suggesting the presence of a particular ancestral history of these groups. Miscegenation in Patagonia occurred 9 to 11 generations ago, at least three generations later than in central Chile. Common selection signals were found for the ASXL2, LRP2 and ZNF202 genes in all the populations studied in Patagonia, which are associated with lipid metabolism. Also, we found signs of selection in the genome of descendants of marine gatherer hunters from Patagonia, which involve the genes ZNF202, GRAMD1B and UCN3 that would participate in the processes of adaptation of land-to-marine diet and diving mechanisms. The TRPM8 gene had already been associated with temperature regulation, and described as the main responsible for the adaptive response to cold environments in several populations in Europe. The enrichment of Amerindian ancestry on chromosomes 6 and 21 suggests a postadmixture selection of haplotypes with adaptations to pathogens and other local conditions. The results of this work allowed to find multiple signs of positive selection in admixed populations in Patagonia that occurred both before the encounter with Europeans, possibly in the early Holocene, and after the miscegenation occurred.