El estudio de los genomas de nuestros parientes más cercanos, los neandertales y los denisovanos, ha abierto nuevos caminos de investigación que pueden ampliar nuestra comprensión de la historia evolutiva del Homo sapiens. Un estudio liderado por la UB ha hecho una estimación del momento en que surgieron algunas de las variantes genéticas que caracterizan a nuestra especie. Lo hace analizando mutaciones que son muy frecuentes en las poblaciones humanas modernas, pero no en estas otras especies de humanos arcaicos.

Los resultados, publicados en la revista Scientific Reports , muestran dos momentos en los que se acumularon mutaciones:uno hace alrededor de 40.000 años, asociado al crecimiento de la población de Homo sapiens y su salida de África, y otro más antiguo, hace más de 100.000 años, relacionado con la época de mayor diversidad de tipos de Homo sapiens en África.

"La comprensión de la historia profunda de nuestra especie se está expandiendo rápidamente. Sin embargo, es difícil determinar cuándo surgieron las variantes genéticas que nos distinguen de otras especies humanas. En este estudio, hemos colocado variantes específicas de especies en una línea de tiempo. han descubierto cómo estas variantes se acumulan a lo largo del tiempo, reflejando eventos como el punto de divergencia entre el Homo sapiens y otras especies humanas hace unos 100.000 años”, afirma Alejandro Andirkó, primer autor de este artículo, que formó parte de su tesis doctoral en la UB .

El estudio, dirigido por Cedric Boeckx, profesor de investigación ICREA en la sección de Lingüística General y miembro del Instituto de Sistemas Complejos de la UB (UBICS), contó con la participación de Juan Moriano, investigador de la UB, Alessandro Vitriolo y Giuseppe Testa, expertos de la Universidad de Milán y el Instituto Europeo de Oncología, y Martin Kuhlwilm, investigador de la Universidad de Viena.

Predominio de variaciones conductuales y faciales

Los resultados del estudio de investigación también muestran diferencias entre períodos evolutivos. En concreto, destacan el predominio de variantes genéticas relacionadas con el comportamiento y la estructura facial —características clave en la diferenciación de nuestra especie de otras especies humanas— hace más de 300.000 años, fecha que coincide con la evidencia fósil y arqueológica disponible. "Hemos descubierto conjuntos de variantes genéticas que afectan a la evolución del rostro y que datamos hace entre 300.000 y 500.000 años, el período inmediatamente anterior a la datación de los primeros fósiles de nuestra especie, como los descubiertos en el Jebel Yacimiento arqueológico de Irhoud en Marruecos", señala Andirkó.

Los investigadores también analizaron variantes relacionadas con el cerebro, el órgano que mejor puede ayudar a explicar las características clave del rico repertorio de comportamientos asociados con el Homo sapiens. En concreto, fecharon variantes que los estudios médicos realizados en humanos actuales han relacionado con el volumen del cerebelo, el cuerpo calloso y otras estructuras. “Descubrimos que los tejidos cerebrales tienen un perfil de expresión genómica particular en diferentes momentos de nuestra historia, es decir, ciertos genes relacionados con el desarrollo neuronal se expresaron más en ciertos momentos”, dice el investigador.

Apoyando la naturaleza de mosaico de la evolución del Homo sapiens

Estos resultados complementan una idea que es dominante en la antropología evolutiva:que no existe una historia lineal de la especie humana, sino que diferentes ramas de nuestro árbol evolutivo coexistieron y, a menudo, se cruzaron. “La amplitud del rango de diversidad humana en el pasado ha sorprendido a los antropólogos. Incluso dentro del Homo sapiens hay fósiles, como los que mencioné antes de Jebel Irhoud, que, debido a sus características, se pensaba que pertenecían a otra especie. That's why we say that human beings have lived a mosaic evolution," he notes.

"Our results," the researcher continues, "offer a picture of how our genetics changed, which fits this idea, as we found no evidence of evolutionary changes that depended on one or a several key mutations," he says.

Application of machine learning techniques

The methodology used in the study was based on a Genealogical Estimation of Variant Age method, developed by researchers at the University of Oxford. Once they had this estimation, they applied a machine learning tool to predict which genes have changed the most in certain time windows and which tissues these genes may have impacted. Specifically, they used ExPecto, a deep learning tool that uses a convolutional network—a type of computational model—to predict gene expression levels and function from a DNA sequence.

"Since there are no data on the genomic expression of variants in the past, this tool is an approach to a problem that has not been addressed until now. Although the use of machine learning prediction is increasingly common in the clinical world, as far as we know, nobody has tried to predict the consequences of genomic changes over time," notes Andirkó.

The importance of the perinatal phase in the brain development of our species

In a previous study, the same UB team, together with the researcher Raül Gómez Buisán, used genomic information from archaic humans. In that study they analyzed genomic deserts, regions of the genome of our species where there are no genetic fragments of Neanderthals or Denisovans, and which, moreover, have been subjected to positive pressure in our species:that is, they have accumulated more mutations than would have been expected by neutral evolution. The researchers studied the expression of genes—i.e., which proteins code for different functions—found in desert regions throughout brain development, from prenatal to adult stages, covering sixteen brain structures. The results showed differences in gene expression in the cerebellum, striatum and thalamus. "These results bring into focus the relevance of brain structures beyond the neocortex, which has traditionally dominated research on the evolution of the human brain," says Juan Moriano.

Moreover, the most striking differences between brain structures were found at prenatal stages. "These findings add new evidence to the hypothesis of a species-specific trajectory of brain development taking place at perinatal stages—the period from 22 weeks to the end of the first four weeks of neonatal life—that would result in a more globular head shape in modern humans, in contrast to the more elongated shape seen in Neanderthals," concludes Moriano.