Desvendando mecanismos genéticos de adaptação à alta altitude em populações nativas americanas dos Andes

Abstract

O estudo da adaptação humana para vida em altas altitudes é um tema bastante abordado na literatura científica mundial, tanto no que se refere às adaptações genéticas, quanto às adaptações fisiológicas. Historicamente, os estudos nesta área iniciaram-se já nos anos 1900, quando ainda se acreditava que os nativos dessas terras eram seres fisicamente inferiores, sendo que funções fisiológicas "normais" eram consideradas impossíveis em altitudes onde o oxigênio é encontrado em concentrações tão baixas. Essa perspectiva começou a ser alterada quase na década de 50, quando cientistas descreveram a existência de mecanismos fisiológicos que, ao longo dos séculos, aclimataram essas populações ao ambiente extremo ao qual vivem. No final da década de 70 (início dos anos 80) iniciaram-se os primeiros estudos com adaptação genética para a vida em altas altitudes. Após quase 4 décadas de investigação e mais de duas centenas de publicações relativas à adaptação genética às altas altitudes, ainda não existe um consenso sobre qual gene, ou genes, estão principalmente envolvidos nesse fenômeno. Deste modo, as abordagens apresentadas nesta tese buscam preencher as lacunas encontradas nesta temática, principalmente no que tange às populações do Altiplano Andino, ainda insuficientemente estudadas e compreendidas. Os resultados desta tese foram apresentados sob a forma de 3 artigos científicos, e os resultados são resumidos como seguem: (Continuação ) Além disso, acrescentamos ao nosso banco de dados originais, dados já publicados referentes a 100 indivíduos de outras cinco populações Nativas Americanas (Suruí, Karitiana, Maya, Pima e Piapoco). As populações foram classificadas como vivendo em altas altitudes [≥ 2.500 metros (m)] ou em terras baixas (<2.500 m). Nossas análises revelaram que os alelos USP7-G, LIF-T e MDM2-T mostraram evidências significativas de que foram selecionados e correlacionados a variáveis ambientais adversas inerentes às altas altitudes. Nossos resultados mostram, pela primeira vez, que alelos da rede clássica de TP53 foram evolutivamente cooptados para o sucesso da colonização humana dos Andes. Jacovas et al., 2018: O Altiplano Andino tem sido ocupado continuamente desde o final do Pleistoceno, há cerca de 12.000 anos atrás, o que situa os nativos andinos como uma das populações mais antigas a viverem em altas altitudes. No presente estudo, analisamos dados genômicos de Nativos Americanos que vivem há muito tempo no Altiplano Andino e nas áreas de planície da Amazônia e Mesoamérica. Nós identificamos três novos genes candidatos - SP100, DUOX2 e CLC - com evidência de seleção positiva para adaptação à altas altitudes em andinos. Esses genes estão envolvidos na via de TP53 e relacionados a vias fisiológicas importantes para a resposta à hipóxia às altas altitudes, como aquelas ligadas ao aumento da angiogênese, adaptações do músculo esquelético e funções imunes na interface materno-fetal. Nossos resultados, combinados com outros estudos, mostraram que os Andinos se adaptaram ao Altiplano de diferentes maneiras e usando estratégias moleculares distintas em comparação com os de outros nativos que vivem em grandes altitudes. Jacovas et al., a ser submetido para publicação: A resposta fisiológica à hipóxia envolve uma ampla gama de mecanismos biológicos e, nesse cenário, residentes de altas altitude são geneticamente adaptados. O HLA-G desempenha um papel fundamental em vários processos biológicos, incluindo a reprodução humana e a resposta à hipóxia, sendo um gene potencialmente envolvido na adaptação humana às altitudes elevadas. A variação genética do HLA-G já foi caracterizada e mostrou ter grande impacto nos padrões de expressão da proteína. Estudos em nível mundial de populações sugerem que a seleção balanceadora esteja atuando no HLA-G principalmente nas regiões regulatórias. No entanto, o conhecimento atual da variação do HLA-G nas populações Nativas Americanas e, especialmente, na região 3’ UTR não traduzida, ainda é inexplorado. Além disso, a hipótese de que variações específicas nesta região contribuem para a resposta de hipóxia em tais populações ainda não havia sido investigado. Neste estudo, o HLA-G 3'UTR foi sequenciado em 301 indivíduos ameríndios de 17 populações (Amantani, Anapia, Andoas, Aimara, Cabanaconde, Chivay, Cinta Larga, Guarani Kaiowá, Guarani Ñandeva, Lengua, Quechua, Taquile, Uros, Xavante, Xicrin, Yanke e Zoró), divididos em residentes de altas altitudes (>2.500m) e habitantes de terras baixas (<2.500m). No total, 11 haplótipos foram observados, três deles únicos de altas altitudes (UTR-8, -18 e -30) e outros três apenas em terras baixas (UTR-9, -13 e -21). Uma estrutura populacional foi observada nesses dois grupos populacionais e, curiosamente, a variância observada dentro dos grupos (Fst) é marcadamente alta (11%) para a UTR-5, indicando uma diferença notável e significativa entre as distribuições de haplótipos. Além disso, análises posteriores mostraram correlações estatísticas entre o UTR-5 e o UTR-2 com diversas variáveis climáticas, incluindo radiação ultravioleta e altitude. Desta forma nossos dados corroboram a ideia de que não há somente uma única resposta adaptativa ao estresse devido às altas altitudes. Apesar disto, sugerimos que uma regulação adequada de p53 (e proteínas associadas), bem como de HLA-G esteja relacionada à adaptação de altas altitudes nas populações andinas, de forma que não apenas permita a sobrevivência dessas populações, mas também seu sucesso reprodutivo em ambientes hostis. Essa combinação de alelos, no entanto, pode resultar em suceptibilidade ao câncer nos dias atuais. Os mecanismos envolvidos na regulação destas vias, que tem em comum o “gatilho” da hipóxia, bem como suas consequências funcionais, merecem ser alvo de futuras investigações.

The study of human adaptation to life at high altitudes is a widely addressed topic in the world scientific literature with most of studies investigating both genetic and physiological adaptations. Historically, the investigations in this field began in the early 1900 when it was still believed that the native populations belonging to these lands were physically inferior individuals since normal physiological functions were considered insufficient at high altitudes where the oxygen concentrations are limited. This perspective began to change in the ‘50s when scientists described the existence of physiological mechanisms that over the centuries shaped these populations to the harsh environment of high altitude. In the late ‘70s (early ‘80s) the first studies of genetic adaptation to life at high altitudes began. After almost four decades of investigation and more than two hundred publications relating to genetic adaptation to high altitudes, a consensus of which genetic variant or genes are involved in this phenomenon is still a matter of interest. In this context, the thematic presented in this thesis seek to fill the gaps in the knowledge of high altitude genetic adaptation. More specifically, we investigated the populations of the Andean Altiplano which are still insufficiently studied and understood. The current thesis are presents in the form of 3 scientific articles, and the results are summarized as follow: Jacovas et al., 2015: The diversity of five single nucleotide polymorphisms (SNPs) located in genes of the TP53 pathway (TP53, rs1042522; MDM2, rs2279744; MDM4, rs1563828; USP7, rs1529916; and LIF, rs929271) were studied in a total of 282 individuals belonging to Quechua, Aymara, Chivay, Cabanaconde, Yanke, Taquile, Amantani, Anapia, Uros, Guarani Ñandeva, and Guarani Kaiowá populations. These individuals were characterized as Native American showing a high level (> 90%) of Native American ancestry. In addition, published data of 100 individuals from five Native American populations (Surui, Karitiana, Maya, Pima, and Piapoco) were analyzed. The populations were classified high altitude [≥ 2,500 meters (m)] or lowlands (< 2,500 m) populations. Our analyses revealed that allelesUSP7-G, LIF-T, and MDM2-T showed significant evidence that they were selected along to the settlement of the harsh environmental variables related to high altitudes. Our results show for the first time that alleles of classical TP53 network genes have been evolutionary co-opted for the successful human colonization of the Andes. Jacovas et al., 2018: The Andean Altiplano has been continuously settled since the late Pleistocene, ~12,000 years ago, a fact that places the Andean natives as one of the most ancient populations living at high altitudes. In the present study, we analyzed genomic data from Native Americans living a long-time at Andean Altiplano high altitude and Amazonia and Mesoamerica lowland areas. We have identified three new candidate genes - SP100, DUOX2, and CLC - with evidence of positive selection for altitude adaptation in Andeans. These genes are involved in the TP53 pathway and are related to physiological routes important for high-altitude hypoxia response, such as those linked to increased angiogenesis, skeletal muscle adaptations, and immune functions at the fetus- maternal interface. Our results, combined with other studies, showed that Andeans have adapted to the Altiplano in different ways and using distinct molecular strategies as compared to those of other natives living at high altitudes. Jacovas et al., To be submitted for publication. The physiological response to hypoxia involves a wide range of biological mechanisms. In this scenario, local residents of highaltitude areas are genetically adapted. HLA-G plays a crucial role in several biological processes, including human reproduction and hypoxia response, and thus being a gene potentially involved in human adaptation to high altitudes. The genetic variation of HLA-G is well known and it has been shown that regulatory SNPs have a significant impact on protein expression patterns. Studies evaluating worldwide populations suggest that balancing selection is acting in the HLA-G mainly in the regulatory regions. Interestingly, the HLA-G variation in Native American communities (living at low and high altitude), and more specifically the characterization of the whole 3 'untranslated region (UTR) is still unexplored. In addition, the hypothesis that functional SNPs in this region contribute to hypoxia response in such populations is of wide biological relevance. In this study, HLA-G 3'UTR was characterized in 301 Amerindian individuals from 17 populations (Amantani, Anapia, Andoas, Aimara, Cabanaconde, Chivay, Cinta Larga, Guarani Kaiowá, Guarani Ñandeva, Language, Quechua, Taquile, Uros, Xavante , Xicrin, Yanke and Zoró), grouped into residents of high altitudes (> 2,500 m) and inhabitants of low lands (<2,500 m). In total, 11 HLA-G 3’UTR haplotypes were observed, three of them exclusive to high altitudes (UTR-8, -18 and -30) and three others exclusive to lowlands (UTR-9, -13 and -21). A population structure was observed in these two population groups and, interestingly, the observed variance within the groups (Fst) was markedly high (11%) for the UTR-5, indicating a significant difference between the haplotype distributions. Also, subsequent analyzes showed statistical correlations between UTR-5 and UTR-2 with several environmental variables, including ultraviolet radiation and altitude. Therefore, our data corroborate the idea that there is not only a single adaptive response to stress due to high altitudes. Here, we suggest that adequate regulation of p53 (and associated proteins) as well as HLA-G is related to the high and long-time adaptation in the Andeas, ensuring not only the survival of the highlanders, but also their reproductive success in hostile environments. This combination of alleles, however, may result in cancer susceptibility at present days. The mechanisms involved in the regulation of these pathways, which have in common the "trigger" of hypoxia, as well as their functional consequences, deserve to be the subject of future investigations.