Menschliche genetische Variation

Die genetische Variation beim Menschen bezeichnet die genetischen Unterschiede innerhalb und zwischen Populationen . Es kann in der menschlichen Population mehrere Varianten eines bestimmten Gens ( Allele ) geben; dies wird als Polymorphismus bezeichnet .

Keine zwei Menschen sind genetisch identisch. Selbst eineiige Zwillinge (die aus einer einzigen Zygote entstehen) weisen aufgrund von Mutationen während der Entwicklung und Variationen der Genkopienzahl seltene genetische Unterschiede auf . ^{[ 1 ]} Unterschiede zwischen Individuen, selbst zwischen eng verwandten, sind der Schlüssel zu Techniken wie dem genetischen Fingerabdruck .

Das menschliche Genom umfasst insgesamt etwa 3,2 Milliarden Basenpaare (bp) in 46 Chromosomen sowie knapp 17.000 bp DNA in den Mitochondrien . Im Jahr 2015 wurde die typische Abweichung zwischen dem Genom eines Individuums und dem Referenzgenom auf 20 Millionen Basenpaare (oder 0,6 % des Gesamtgenoms) geschätzt. ^{[ 2 ]} Im Jahr 2017 waren insgesamt 324 Millionen Varianten sequenzierter menschlicher Genome bekannt . ^{[ 3 ]}

Im Vergleich zu anderen Arten sind Menschen genetisch homogen. Zwar treten einige wenige genetische Varianten häufiger in bestimmten geografischen Regionen oder bei Menschen mit Vorfahren aus diesen Regionen auf, doch macht diese Variation nur einen geringen Teil (~15 %) der Variabilität des menschlichen Genoms aus. Der Großteil der Variation findet sich innerhalb der einzelnen menschlichen Populationen. Zum Vergleich: Rhesusaffen weisen eine 2,5-fach höhere DNA-Sequenzdiversität auf als Menschen. ^{[ 4 ]} Diese Werte variieren je nach den untersuchten Makromolekülen. Schimpansen zeigen eine höhere genetische Varianz als Menschen, wenn man die Kern-DNA betrachtet, während Menschen auf Proteinebene eine höhere genetische Varianz aufweisen. ^{[ 5 ]}

Das Fehlen von Diskontinuitäten in den genetischen Distanzen zwischen menschlichen Populationen, das Fehlen klar abgegrenzter Zweige innerhalb der menschlichen Spezies und die bemerkenswerte Homogenität der Menschen weltweit implizieren, dass es keine wissenschaftliche Grundlage für die Annahme von Rassen oder Unterarten beim Menschen gibt. Bei den meisten Merkmalen ist die Variation innerhalb von Populationen deutlich größer als zwischen ihnen. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} Trotzdem haben moderne Genstudien erhebliche durchschnittliche genetische Unterschiede zwischen menschlichen Populationen in Merkmalen wie Hautfarbe, Körpermaßen, Laktose- und Stärkeverdauung, Höhenanpassung, Arzneimittelwirkung, Geschmacksrezeptoren und der Veranlagung zu bestimmten Krankheiten festgestellt. ^{[ 14 ] [ 12 ]} Die größte Diversität findet sich innerhalb und zwischen Populationen in Afrika [ ^{15 ]} und nimmt mit zunehmender Entfernung vom afrikanischen Kontinent allmählich ab, was mit der Out-of-Africa- ^Theorie der menschlichen Entstehung übereinstimmt. ^{[ 15 ]}

Die Erforschung der menschlichen genetischen Variation ist sowohl für die Evolutionsbiologie als auch für die Medizin von Bedeutung. Sie hilft Wissenschaftlern, vergangene menschliche Migrationsmuster zu rekonstruieren und zu verstehen. In der Medizin ist die Untersuchung der menschlichen genetischen Variation wichtig, da manche krankheitsverursachenden Allele in bestimmten Bevölkerungsgruppen häufiger vorkommen. So findet sich beispielsweise die Mutation für Sichelzellenanämie häufiger bei Menschen mit Vorfahren aus bestimmten Bevölkerungsgruppen Subsahara-Afrikas, Südeuropas, Arabiens und Indiens, was auf den evolutionären Druck durch malariaübertragende Mücken in diesen Regionen zurückzuführen ist.

Neue Erkenntnisse zeigen, dass jeder Mensch im Durchschnitt 60 neue Mutationen im Vergleich zu seinen Eltern aufweist. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Zu den Ursachen für Unterschiede zwischen Individuen gehören die unabhängige Verteilung , der Austausch von Genen (Crossing-over und Rekombination) während der Fortpflanzung (durch Meiose ) und verschiedene Mutationsereignisse .

Es gibt mindestens drei Gründe für die genetische Variation zwischen Populationen. Natürliche Selektion kann Individuen in einer bestimmten Umgebung einen adaptiven Vorteil verschaffen, wenn ein Allel einen Wettbewerbsvorteil bietet. Selektionsfähige Allele treten wahrscheinlich nur in jenen geografischen Regionen auf, in denen sie einen Vorteil bieten. Ein zweiter wichtiger Prozess ist die Gendrift , die durch zufällige Veränderungen im Genpool entsteht, wobei die meisten Mutationen neutral sind (d. h. sie scheinen keinen positiven oder negativen Selektionseffekt auf den Organismus zu haben). Schließlich weisen kleine Migrantenpopulationen statistische Unterschiede – den sogenannten Gründereffekt – zu den Gesamtpopulationen auf, aus denen sie stammen. Wenn diese Migranten neue Gebiete besiedeln, unterscheidet sich ihre Nachkommenpopulation typischerweise von der Ursprungspopulation: Andere Gene dominieren, und die genetische Vielfalt ist geringer.

Beim Menschen ist die Hauptursache die Gendrift . ^{[ 18 ]} Serielle Gründereffekte und eine frühere geringe Populationsgröße (wodurch die Wahrscheinlichkeit für Gendrift erhöht wird) könnten einen wichtigen Einfluss auf neutrale Unterschiede zwischen Populationen gehabt haben. Die zweite Hauptursache für genetische Variation liegt in der hohen Neutralität der meisten Mutationen . Eine kleine, aber signifikante Anzahl von Genen scheint einer rezenten natürlichen Selektion unterlegen zu sein, und diese Selektionsdrücke sind mitunter regionsspezifisch. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Genetische Variationen beim Menschen treten in vielen Größenordnungen auf, von groben Veränderungen des menschlichen Karyotyps bis hin zu Einzelnukleotidveränderungen . [ ^{21 ] Chromosomenanomalien} werden bei einer von 160 Lebendgeburten festgestellt. Abgesehen von Störungen der Geschlechtschromosomen führen die meisten Fälle von Aneuploidie zum Tod des sich entwickelnden Fötus ( ^Fehlgeburt ) ; die häufigsten zusätzlichen autosomalen Chromosomen bei Lebendgeburten sind 21 , 18 und 13. ^{[ 22} ]

Die Nukleotiddiversität beschreibt den durchschnittlichen Anteil der Nukleotide, die sich zwischen zwei Individuen unterscheiden. Im Jahr 2004 wurde die Nukleotiddiversität beim Menschen auf 0,1 % ^{[ 23 ]} bis 0,4 % der Basenpaare geschätzt . ^{[ 24 ]} Das 1000-Genomes-Projekt , das 2015 die Genomsequenzen von tausend Individuen aus 26 menschlichen Populationen sequenzierte, fand heraus, dass sich „ein typisches [individuelles] Genom an 4,1 bis 5,0 Millionen Stellen vom Referenzgenom des Menschen unterscheidet … was 20 Millionen Basenpaare der Sequenz betrifft“; letztere Zahl entspricht 0,6 % der Gesamtzahl der Basenpaare. ^{[ 2 ]} Nahezu alle (>99,9 %) dieser Stellen sind kleine Unterschiede, entweder Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) oder kurze Insertionen oder Deletionen ( Indels ) in der genetischen Sequenz. Strukturelle Variationen machen jedoch einen größeren Anteil der Basenpaare aus als SNPs und Indels. ^{[ 2 ] [ 25 ]}

Die Single Nucleotide Polymorphism Database ( dbSNP ), die SNPs und andere Varianten auflistet, verzeichnete im Jahr 2017 324 Millionen Varianten, die in sequenzierten menschlichen Genomen gefunden wurden. ^{[ 3 ]}

Ein Einzelnukleotid-Polymorphismus (SNP) ist eine Abweichung in einem einzelnen Nukleotid zwischen Individuen einer Art, die in mindestens 1 % der Population vorkommt. Die 2.504 im Rahmen des 1000-Genomes-Projekts charakterisierten Individuen wiesen insgesamt 84,7 Millionen SNPs auf. ^{[ 2 ]} SNPs sind die häufigste Art der Sequenzvariation und machten 1998 schätzungsweise 90 % aller Sequenzvarianten aus. ^{[ 26 ]} Weitere Sequenzvariationen sind Einzelbasenaustausche, Deletionen und Insertionen. ^{[ 27 ]} SNPs treten durchschnittlich alle 100 bis 300 Basen auf ^{[ 28 ]} und sind somit die Hauptursache für Heterogenität.

Ein funktioneller oder nicht-synonymer SNP beeinflusst einen Faktor wie das Spleißen von Genen oder die Boten-RNA und verursacht dadurch einen phänotypischen Unterschied zwischen Individuen derselben Art. Etwa 3–5 % der menschlichen SNPs sind funktionell (siehe International HapMap Project ). Neutrale oder synonyme SNPs sind aufgrund ihrer großen Anzahl und der stabilen Vererbung über Generationen hinweg dennoch als genetische Marker in genomweiten Assoziationsstudien nützlich. ^{[ 26 ]}

Ein kodierender SNP ist ein SNP, der innerhalb eines Gens auftritt. Es gibt 105 humane Referenz-SNPs, die in 103 Genen zu vorzeitigen Stoppcodons führen . Dies entspricht 0,5 % aller kodierenden SNPs. Sie entstehen durch segmentale Duplikation im Genom. Diese SNPs führen zu einem Proteinverlust, dennoch sind alle diese SNP-Allele häufig und werden durch negative Selektion nicht isoliert . ^{[ 29 ]}

Strukturelle Variation bezeichnet die Variation in der Struktur der Chromosomen eines Organismus . Strukturelle Variationen wie Kopienzahlvariationen sowie Deletionen , Inversionen , Insertionen und Duplikationen tragen wesentlich mehr zur menschlichen genetischen Variation bei als die Diversität einzelner Nukleotide. Dies wurde 2007 durch die Analyse der vollständigen diploiden Genomsequenzen von Craig Venter und James D. Watson festgestellt . Diese Sequenzen ergänzten die beiden haploiden Sequenzen, die aus Sequenzen vieler Individuen zusammengesetzt waren und vom Human Genome Project bzw. Celera Genomics veröffentlicht wurden . ^{[ 30 ]}

Laut dem 1000-Genomes-Projekt weist ein typischer Mensch 2100 bis 2500 Strukturvarianten auf, darunter etwa 1000 große Deletionen, 160 Kopienzahlvarianten, 915 Alu- Insertionen, 128 L1- Insertionen, 51 SVA-Insertionen, 4 NUMTs und 10 Inversionen. ^{[ 2 ]}

Eine Kopienzahlvariation (CNV) ist eine Veränderung im Genom, die durch das Löschen oder Duplizieren großer DNA-Abschnitte auf einem Chromosom entsteht. Schätzungsweise 0,4 % der Genome nicht verwandter Menschen unterscheiden sich hinsichtlich der Kopienzahl. Unter Berücksichtigung der Kopienzahlvariation beträgt die genetische Variation zwischen Menschen schätzungsweise mindestens 0,5 % (99,5 % Ähnlichkeit). ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]} Kopienzahlvariationen werden vererbt, können aber auch während der Entwicklung entstehen. ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]}

Eine visuelle Karte mit den Regionen mit hoher genomischer Variation der Referenzsequenz des modernen Menschen im Vergleich zu einem Neandertaler vor 50.000 Jahren ^{[ 39 ]} wurde von Pratas et al. ^{[ 40 ] erstellt.}

Epigenetische Variation bezeichnet die Variation der chemischen Markierungen, die sich an die DNA anlagern und die Ablesung der Gene beeinflussen. Diese Markierungen, sogenannte epigenetische Marker, fungieren als Schalter, die die Ablesung der Gene steuern. ^{[ 41 ]} Bei manchen Allelen kann der epigenetische Zustand der DNA und der damit verbundene Phänotyp über Generationen hinweg vererbt werden . ^{[ 42 ]}

Genetische Variabilität ist ein Maß für die Tendenz einzelner Genotypen innerhalb einer Population, sich voneinander zu unterscheiden. Sie ist nicht mit genetischer Diversität zu verwechseln, welche das Ausmaß der Variation innerhalb einer Population beschreibt. Die Variabilität eines Merkmals gibt an, wie stark dieses Merkmal in Reaktion auf Umwelt- und genetische Einflüsse variiert .

In der Biologie bezeichnet man als Kline ein Kontinuum von Arten , Populationen, Varietäten oder Formen von Organismen, die über ein geografisches Gebiet hinweg allmähliche phänotypische und/oder genetische Unterschiede aufweisen, typischerweise als Folge von Umweltheterogenität. ^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]} In der wissenschaftlichen Untersuchung der menschlichen genetischen Variation kann eine Genkline präzise definiert und quantitativen Messgrößen unterzogen werden.

In der Molekularevolutionsforschung bezeichnet man als Haplogruppe eine Gruppe ähnlicher Haplotypen , die einen gemeinsamen Vorfahren mit einer einzigen Nukleotid-Polymorphismus -Mutation (SNP-Mutation) aufweisen . Die Untersuchung von Haplogruppen liefert Informationen über die Ursprünge unserer Vorfahren, die Tausende von Jahren zurückreichen. ^{[ 46 ]}

Die am häufigsten untersuchten menschlichen Haplogruppen sind Y-Chromosom- (Y-DNA-) und mitochondriale DNA- (mtDNA-) Haplogruppen . Beide können zur Definition genetischer Populationen herangezogen werden. Y-DNA wird ausschließlich väterlicherseits vom Vater an den Sohn vererbt , während mtDNA mütterlicherseits von der Mutter an Tochter oder Sohn weitergegeben wird . Y-DNA und mtDNA können sich durch zufällige Mutationen in jeder Generation verändern.

Eine variable Anzahl von Tandemwiederholungen (VNTR) beschreibt die Längenvariation einer Tandemwiederholung . Eine Tandemwiederholung ist die aufeinanderfolgende Wiederholung einer kurzen Nukleotidsequenz . Tandemwiederholungen kommen auf vielen Chromosomen vor , und ihre Länge variiert zwischen Individuen. Jede Variante fungiert als vererbtes Allel und wird daher zur Identifizierung von Personen oder Eltern verwendet. Ihre Analyse ist nützlich in der Genetik und Biologie, der Forensik und beim genetischen Fingerabdruck .

Kurze Tandemwiederholungen (etwa 5 Basenpaare) werden als Mikrosatelliten bezeichnet , längere als Minisatelliten .

Das Paradigma des afrikanischen Ursprungs des modernen Menschen geht von der Ausbreitung nicht-afrikanischer Populationen anatomisch moderner Menschen nach 70.000 Jahren aus. Die Ausbreitung innerhalb Afrikas erfolgte jedoch deutlich früher, mindestens vor 130.000 Jahren. Die „Out-of-Africa“-Theorie entstand im 19. Jahrhundert als vorläufiger Vorschlag in Charles Darwins „ Die Abstammung des Menschen “ ^{[ 47 ]} , blieb aber bis in die 1980er-Jahre spekulativ, als sie durch die Untersuchung heutiger mitochondrialer DNA in Kombination mit anthropologischen Befunden an archaischen Exemplaren gestützt wurde .

Einer Studie aus dem Jahr 2000 zur Sequenzvariation des Y-Chromosoms ^{[ 48 ]} zufolge lassen sich menschliche Y-Chromosomen auf Afrika zurückführen. Die Nachkommen dieser abgeleiteten Linie verließen Afrika und wurden schließlich in Eurasien durch archaische menschliche Y-Chromosomen ersetzt. Die Studie zeigt auch, dass eine Minderheit der heutigen Bevölkerung in Ostafrika und die Khoisan von den ältesten patrilinearen Linien anatomisch moderner Menschen abstammen, die Afrika vor 35.000 bis 89.000 Jahren verließen. ^{[ 48 ]} Weitere Belege für diese Theorie sind die mit zunehmender Entfernung von Afrika abnehmenden Variationen der Schädelmaße im gleichen Maße wie die genetische Vielfalt. Die genetische Vielfalt des Menschen nimmt in einheimischen Populationen mit zunehmender Entfernung von Afrika ab. Dies wird auf genetische Flaschenhälse während der menschlichen Migration zurückgeführt, also Ereignisse, die die Populationsgröße vorübergehend verringern. ^{[ 49 ] [ 50 ]}

Eine 2009 durchgeführte genetische Clusteranalyse, bei der 1327 polymorphe Marker in verschiedenen afrikanischen Populationen genotypisiert wurden, identifizierte sechs Vorfahrencluster. Die Clusterbildung korrelierte eng mit Ethnizität, Kultur und Sprache. ^{[ 51 ]} Eine 2018 durchgeführte Sequenzierung des gesamten Genoms der Weltbevölkerung beobachtete ähnliche Cluster unter den Populationen Afrikas. Bei K=9 definierten distinkte Vorfahrenkomponenten die afroasiatischsprachigen Populationen Nord- und Nordostafrikas ; die nilosaharanischsprachigen Populationen Nordost- und Ostafrikas ; die Ari- Populationen Nordostafrikas; die niger-kongosprachigen Populationen West- und Zentralafrikas, Westafrikas , Ostafrikas und des südlichen Afrikas ; die Pygmäenpopulationen Zentralafrikas ; und die Khoisan- Populationen des südlichen Afrikas . ^{[ 52 ]}

Im Mai 2023 berichteten Wissenschaftler auf Grundlage genetischer Studien über einen komplexeren Verlauf der menschlichen Evolution als bisher angenommen. Laut diesen Studien entwickelten sich die Menschen nicht von einem einzigen Ort und Zeitraum aus, sondern an verschiedenen Orten und zu verschiedenen Zeiten in Afrika. ^{[ 53 ] [ 54 ]}

Aufgrund der gemeinsamen Abstammung aller Menschen weisen nur wenige Varianten große Häufigkeitsunterschiede zwischen verschiedenen Bevölkerungsgruppen auf. Einige seltene Varianten in der Weltbevölkerung sind jedoch in mindestens einer Population deutlich häufiger (mehr als 5 %). ^{[ 55 ]}

Man geht allgemein davon aus, dass die frühen Menschen Afrika verließen und daher vor ihrer Trennung von Afrika und Eurasien vor etwa 100.000 Jahren (ca. 3.000 Generationen) einen Populationsengpass durchlaufen haben müssen. Die rasche Ausbreitung einer zuvor kleinen Population hat zwei wichtige Auswirkungen auf die Verteilung der genetischen Vielfalt. Erstens tritt der sogenannte Gründereffekt auf, wenn Gründerpopulationen nur einen Teil der genetischen Vielfalt ihrer Vorfahrenpopulation weitergeben. Zweitens sinkt mit zunehmender geografischer Trennung der Gründerpopulationen die Wahrscheinlichkeit, dass sich zwei Individuen aus verschiedenen Gründerpopulationen paaren. Diese assortative Paarung führt zu einem reduzierten Genfluss zwischen geografischen Gruppen und einer größeren genetischen Distanz zwischen ihnen.

Die Ausbreitung des Menschen aus Afrika beeinflusste die Verteilung der genetischen Vielfalt auf zwei weitere Arten. Erstens unterlagen kleinere (Gründer-)Populationen einer stärkeren genetischen Drift aufgrund erhöhter Schwankungen neutraler Polymorphismen. Zweitens wurden neu entstandene Polymorphismen aufgrund des eingeschränkten Genflusses seltener an andere Gruppen weitergegeben.

Populationen in Afrika weisen tendenziell ein geringeres Kopplungsungleichgewicht auf als Populationen außerhalb Afrikas. Dies liegt zum einen an der im Laufe der Menschheitsgeschichte größeren Populationsgröße in Afrika und zum anderen daran, dass die Zahl der modernen Menschen, die Afrika verließen, um den Rest der Welt zu besiedeln, relativ gering gewesen zu sein scheint. ^{[ 57 ]} Im Gegensatz dazu können Populationen, die in der Vergangenheit dramatische Größenrückgänge oder rasche Expansionen erlebt haben, sowie Populationen, die aus der Vermischung ehemals getrennter Vorfahrengruppen hervorgegangen sind, ein ungewöhnlich hohes Kopplungsungleichgewicht aufweisen. ^{[ 57 ]}

Die Verteilung genetischer Varianten innerhalb und zwischen menschlichen Populationen lässt sich aufgrund der Schwierigkeit, eine „Population“ zu definieren, der klinalen Natur der Variation und der Heterogenität des gesamten Genoms nicht prägnant beschreiben (Long und Kittles 2003). Im Allgemeinen finden sich jedoch durchschnittlich 85 % der genetischen Variation innerhalb lokaler Populationen, etwa 7 % zwischen lokalen Populationen desselben Kontinents und etwa 8 % zwischen großen Gruppen, die auf verschiedenen Kontinenten leben. ^{[ 58 ] [ 59 ]} Die jüngste Theorie des afrikanischen Ursprungs des Menschen sagt voraus, dass in Afrika eine deutlich größere genetische Vielfalt existiert als anderswo und dass diese Vielfalt mit zunehmender Entfernung von Afrika abnimmt.

Subsahara-Afrika weist die größte genetische Vielfalt des Menschen auf, und dies gilt auch für die phänotypische Variation der Schädelform. ^{[ 49 ] [ 60 ]} Der Phänotyp ist über die Genexpression mit dem Genotyp verknüpft . Die genetische Vielfalt nimmt mit zunehmender Entfernung von dieser Region, die nach Ansicht vieler Wissenschaftler der Ursprung des modernen Menschen ist, kontinuierlich ab, und diese Abnahme spiegelt sich in einer geringeren phänotypischen Variation wider. Schädelmaße sind ein Beispiel für ein körperliches Merkmal, dessen Variation innerhalb einer Population mit zunehmender Entfernung von Afrika abnimmt.

Die Verteilung vieler körperlicher Merkmale ähnelt der Verteilung der genetischen Variation innerhalb und zwischen menschlichen Populationen ( American Association of Physical Anthropologists 1996; Keita und Kittles 1997). So finden sich beispielsweise etwa 90 % der Variationen in der menschlichen Kopfform innerhalb kontinentaler Gruppen, während etwa 10 % Gruppen trennen. Die größte Variabilität der Kopfform findet sich bei Individuen mit afrikanischen Vorfahren (Relethford 2002).

Eine auffällige Ausnahme von der üblichen Verteilung körperlicher Merkmale innerhalb und zwischen Gruppen bildet die Hautfarbe . Ungefähr 10 % der Varianz der Hautfarbe treten innerhalb von Gruppen auf, während etwa 90 % zwischen Gruppen variieren (Relethford 2002). Diese Verteilung der Hautfarbe und ihre geografische Musterung – Menschen, deren Vorfahren überwiegend in Äquatornähe lebten, haben eine dunklere Haut als jene, deren Vorfahren überwiegend in höheren Breitengraden lebten – deuten darauf hin, dass dieses Merkmal einem starken Selektionsdruck unterlag . Dunklere Haut scheint in äquatorialen Regionen stark selektiert worden zu sein, um Sonnenbrand, Hautkrebs, die Photolyse von Folsäure und Schäden an den Schweißdrüsen zu verhindern. ^{[ 61 ]}

Das Verständnis, wie die genetische Vielfalt in der menschlichen Bevölkerung verschiedene Ebenen der Genexpression beeinflusst, ist ein aktives Forschungsgebiet. Während sich frühere Studien auf den Zusammenhang zwischen DNA-Variation und RNA-Expression konzentrierten, charakterisieren neuere Arbeiten die genetische Kontrolle verschiedener Aspekte der Genexpression, darunter Chromatinzustände ^{[ 62 ]} , Translation ^{[ 63 ] und} Proteinspiegel ^{[ 64 ] . Eine 2007 veröffentlichte Studie ergab , dass 25 % der Gene} unterschiedliche Expressionsniveaus zwischen Populationen europäischer und asiatischer Abstammung aufwiesen [65–69]. ^{Als Hauptursache für diese Unterschiede in der Genexpression wurden SNPs in genregulatorischen DNA-Regionen vermutet. Eine weitere 2007 veröffentlichte Studie zeigte , dass etwa 83 % der} Gene zwischen Individuen und etwa 17 % zwischen Populationen europäischer und afrikanischer Abstammung unterschiedlich exprimiert ^{wurden [ 70–71 ] .}

Der Populationsgenetiker Sewall Wright entwickelte den Fixationsindex (oft abgekürzt F_{_ST} ) zur Messung genetischer Unterschiede zwischen Populationen. Diese Kennzahl wird häufig in der Taxonomie verwendet, um Unterschiede zwischen zwei Populationen zu vergleichen, indem die genetischen Unterschiede innerhalb und zwischen Populationen für einzelne Gene oder für viele Gene gleichzeitig gemessen werden. ^{[ 72 ]} Der Fixationsindex für den Menschen wird oft mit etwa 0,15 angegeben. Dies bedeutet, dass schätzungsweise 85 % der in der gesamten menschlichen Population gemessenen Variation innerhalb von Individuen derselben Population zu finden sind und etwa 15 % der Variation zwischen Populationen auftritt. Diese Schätzungen implizieren, dass zwei Individuen aus verschiedenen Populationen einander ähnlicher sein können als jeweils einem Mitglied ihrer eigenen Gruppe. ^{[ 73 ] [ 74 ]} _{„Die gemeinsame Evolutionsgeschichte der lebenden Menschen hat zu einer hohen Verwandtschaft unter allen lebenden Menschen geführt, wie beispielsweise der sehr niedrige Fixationsindex (F_ST} ) zwischen lebenden menschlichen Populationen zeigt .“ Richard Lewontin , der diese Verhältnisse bestätigte, kam daher zu dem Schluss, dass weder „Rasse“ noch „Unterart“ geeignete oder nützliche Wege seien, menschliche Populationen zu beschreiben. ^{[ 58 ]}

Wright selbst ging davon aus, dass Werte >0,25 eine sehr große genetische Variation und ein F_{_ST-Wert} von 0,15–0,25 eine große Variation widerspiegelt. Allerdings finden sich etwa 5 % der menschlichen Variation zwischen Populationen innerhalb eines Kontinents. Daher wurden in einigen Studien F_{_ST} -Werte zwischen kontinentalen Gruppen von Menschen (oder Rassen) von nur 0,1 (oder möglicherweise darunter) gefunden, was auf ein moderateres Maß an genetischer Variation hindeutet. ^{[ 72 ]} Graves (1996) argumentierte hingegen, dass der F_{_ST}-Wert nicht als Marker für den Status einer Unterart verwendet werden sollte, da diese Statistik den Grad der Differenzierung zwischen Populationen misst. ^{[ 72 ]} (Siehe auch Wright, 1978.) ^{[ 75 ]}

Jeffrey Long und Rick Kittles üben in ihrer 2003 erschienenen Arbeit „Human Genetic Diversity and the Nonexistence of Biological Races“ ausführliche Kritik an der Anwendung des F _{_ST} -Modells auf menschliche Populationen. Sie kommen zu dem Schluss, dass der Wert von 85 % irreführend ist, da er impliziert, dass alle menschlichen Populationen im Durchschnitt 85 % der gesamten genetischen Vielfalt enthalten. Sie argumentieren, dass das zugrunde liegende statistische Modell fälschlicherweise von einer gleich großen und unabhängigen genetischen Variationsgeschichte für jede große menschliche Population ausgeht. Ein realistischerer Ansatz besteht darin zu verstehen, dass einige menschliche Gruppen die Vorfahren anderer Gruppen sind und dass diese Gruppen paraphyletische Gruppen in Bezug auf ihre Abstammungsgruppen darstellen. Beispielsweise ist die menschliche Population in Afrika gemäß der jüngsten Theorie des afrikanischen Ursprungs paraphyletisch zu allen anderen menschlichen Gruppen, da sie die Vorfahrengruppe darstellt, von der alle nicht-afrikanischen Populationen abstammen. Darüber hinaus stammen nicht-afrikanische Gruppen jedoch nur von einer kleinen, nicht repräsentativen Stichprobe dieser afrikanischen Population ab. Dies bedeutet, dass alle nicht-afrikanischen Gruppen enger miteinander und mit einigen afrikanischen Gruppen (wahrscheinlich Ostafrikanern) verwandt sind als mit anderen. Zudem stellte die Migration aus Afrika einen genetischen Flaschenhals dar , da ein Großteil der in Afrika vorhandenen genetischen Vielfalt nicht von den auswandernden Gruppen mitgenommen wurde. In diesem Szenario weisen menschliche Populationen keine gleich große lokale Variabilität auf, sondern die Diversität nimmt mit zunehmender Entfernung von Afrika ab. Long und Kittles fanden heraus, dass nicht 85 % der menschlichen genetischen Vielfalt in allen menschlichen Populationen vorhanden sind, sondern etwa 100 % in einer einzigen afrikanischen Population, während nur etwa 70 % der menschlichen genetischen Vielfalt in einer Population aus Neuguinea zu finden sind. Long und Kittles argumentierten, dass dies dennoch zu einer globalen menschlichen Population führt, die im Vergleich zu anderen Säugetierpopulationen genetisch homogen ist. ^{[ 76 ]}

Anatomisch moderne Menschen vermischten sich im Mittelpaläolithikum mit Neandertalern . Im Mai 2010 präsentierte das Neandertaler-Genomprojekt genetische Beweise dafür, dass diese Vermischung stattfand und dass ein kleiner, aber signifikanter Anteil von etwa 2–4 ​​% Neandertaler-DNA in der DNA heutiger Eurasier und Ozeanier vorhanden ist, während dieser Anteil in Populationen Subsahara-Afrikas nahezu fehlt. ^{[ 77 ] [ 78 ]}

Zwischen 4 % und 6 % des Genoms der Melanesier (vertreten durch die Bewohner Papua-Neuguineas und Bougainvilles) stammen offenbar von den Denisova-Menschen ab – einem bisher unbekannten Homininen, der enger mit den Neandertalern als mit dem Homo sapiens verwandt ist. Möglicherweise wurde er während der frühen Migration der Vorfahren der Melanesier nach Südostasien eingeschleppt. Diese Interaktionsgeschichte deutet darauf hin, dass die Denisova-Menschen einst in weiten Teilen Ostasiens verbreitet waren. ^{[ 79 ]}

Somit erweisen sich die Melanesier als eine der am stärksten archaisch vermischten Bevölkerungsgruppen mit einem Denisova/Neandertaler-Anteil von etwa 8 %. ^{[ 79 ]}

In einer 2013 veröffentlichten Studie untersuchte Jeffrey Wall von der University of California vollständige Genomsequenzdaten und fand höhere Introgressionsraten bei Asiaten im Vergleich zu Europäern. ^{[ 80 ]} Hammer et al. testeten die Hypothese, dass heutige afrikanische Genome Spuren von Genfluss mit archaischen menschlichen Vorfahren aufweisen, und fanden Hinweise auf archaische Beimischung in den Genomen einiger afrikanischer Gruppen. Dies deutet darauf hin, dass ein geringer Genfluss im Laufe der Evolution des anatomisch modernen Menschen weit verbreitet war. ^{[ 81 ]}

Eine im Jahr 2020 veröffentlichte Studie ergab, dass die Yoruba- und Mende- Populationen Westafrikas zwischen 2 % und 19 % ihres Genoms von einer noch nicht identifizierten archaischen Homininenpopulation abstammen, die sich wahrscheinlich vor der Trennung der modernen Menschen und der Vorfahren der Neandertaler und Denisova-Menschen abspaltete. ^{[ 82 ]} Dies macht diese Gruppen möglicherweise zu den bisher am stärksten archaisch vermischten menschlichen Populationen.

Neue Daten zur menschlichen genetischen Variation haben die Debatte über eine mögliche biologische Grundlage für die Einteilung von Menschen in Rassen neu entfacht. Der Großteil der Kontroverse dreht sich um die Frage, wie die genetischen Daten zu interpretieren sind und ob die darauf basierenden Schlussfolgerungen stichhaltig sind. Einige Forscher argumentieren, dass die selbstidentifizierte Rasse als Indikator für die geografische Herkunft im Hinblick auf bestimmte Gesundheitsrisiken und Medikamente dienen kann .

Obwohl die genetischen Unterschiede zwischen menschlichen Gruppen relativ gering sind, können diese Unterschiede in bestimmten Genen wie duffy , ABCC11 und SLC24A5 , sogenannten Abstammungs-informativen Markern (AIMs), dennoch genutzt werden, um viele Individuen zuverlässig in breiten, geografisch basierten Gruppen zu verorten. So haben beispielsweise Computeranalysen von Hunderten polymorpher Loci aus global verteilten Populationen die Existenz genetischer Cluster aufgezeigt, die grob mit Gruppen assoziiert sind, die historisch große kontinentale und subkontinentale Regionen besiedelt haben (Rosenberg et al. 2002; Bamshad et al. 2003).

Einige Kommentatoren argumentieren, dass diese Variationsmuster eine biologische Rechtfertigung für die Verwendung traditioneller Rassenkategorien liefern. Sie führen an, dass die kontinentalen Gruppierungen in etwa der Einteilung der Menschheit in Subsahara-Afrikaner , Europäer , Westasiaten , Zentralasiaten , Südasiaten und Nordafrikaner , Ostasiaten , Südostasiaten , Polynesier , Nordasiaten und indigene Amerikaner sowie andere Bewohner Ozeaniens (Melanesier, Mikronesier und australische Aborigines) entsprechen (Risch et al. 2002). Andere Beobachter widersprechen dem und sagen, dass dieselben Daten traditionelle Vorstellungen von Rassengruppen untergraben (King und Motulsky 2002; Calafell 2003; Tishkoff und Kidd 2004 ^{[ 24 ]} ). Sie weisen beispielsweise darauf hin, dass größere Bevölkerungsgruppen, die als Rassen oder Untergruppen innerhalb von Rassen gelten, nicht notwendigerweise eigene Gruppen bilden.

Rassenkategorien werden zudem durch Erkenntnisse infrage gestellt, dass genetische Varianten, die auf eine Region beschränkt sind, innerhalb dieser Region tendenziell selten sind, Varianten, die innerhalb einer Region häufig vorkommen, tendenziell weltweit verbreitet sind und die meisten Unterschiede zwischen Individuen, unabhängig davon, ob sie aus derselben oder aus verschiedenen Regionen stammen, auf globale Varianten zurückzuführen sind. ^{[ 85 ]} Es wurden keine genetischen Varianten gefunden, die auf einen Kontinent oder eine größere Region beschränkt sind und nirgendwo sonst vorkommen. ^{[ 86 ]}

Da die genetische Variation des Menschen klinal verläuft, lassen sich viele Individuen zwei oder mehr Kontinentalgruppen zuordnen. Daher ist die genetisch begründete „biogeografische Abstammung“, die einer bestimmten Person zugewiesen wird, in der Regel breit gestreut und mit erheblichen Unsicherheiten behaftet (Pfaff et al. 2004).

In vielen Teilen der Welt haben sich Bevölkerungsgruppen so vermischt, dass viele Individuen relativ junge Vorfahren aus weit voneinander entfernten Regionen haben. Obwohl genetische Analysen einer großen Anzahl von Genorten Schätzungen des prozentualen Anteils der Vorfahren einer Person aus verschiedenen Kontinentalpopulationen ermöglichen (Shriver et al. 2003; Bamshad et al. 2004), können diese Schätzungen eine falsche Annahme der Eigenständigkeit der Elternpopulationen treffen, da menschliche Gruppen im Laufe der Geschichte Partner auf lokaler und kontinentaler Ebene ausgetauscht haben (Cavalli-Sforza et al. 1994; Hoerder 2002). Selbst mit einer großen Anzahl von Markern sind die Informationen zur Schätzung der Beimischungsanteile von Individuen oder Gruppen begrenzt, und die Schätzungen weisen typischerweise breite Konfidenzintervalle auf (Pfaff et al. 2004).

Genetische Daten können genutzt werden, um Rückschlüsse auf die Populationsstruktur zu ziehen und Individuen Gruppen zuzuordnen, die häufig ihrer selbst angegebenen geografischen Herkunft entsprechen. Jorde und Wooding (2004) argumentierten, dass „die Analyse vieler Loci mittlerweile recht genaue Schätzungen der genetischen Ähnlichkeit zwischen Individuen liefert, anstatt zwischen Populationen. Die Gruppierung von Individuen korreliert mit ihrer geografischen Herkunft oder Abstammung.“ ^{[ 23 ]} Die Zuordnung anhand der geografischen Herkunft kann jedoch schnell an ihre Grenzen stoßen, wenn man die gemeinsame historische Abstammung von Individuen berücksichtigt. ^{[ 87 ]}

Eine Analyse von autosomalen SNP- Daten aus dem International HapMap Project (Phase II) und Proben des CEPH Human Genome Diversity Panel wurde 2009 veröffentlicht. Die Studie an 53 Populationen aus den HapMap- und CEPH-Daten (1138 nicht verwandte Individuen) legte nahe, dass die natürliche Selektion das menschliche Genom deutlich langsamer formt als bisher angenommen, wobei Faktoren wie Migration innerhalb und zwischen Kontinenten die Verteilung genetischer Variationen stärker beeinflussen. ^{[ 88 ]} Eine ähnliche Studie aus dem Jahr 2010 fand starke genomweite Belege für Selektion aufgrund von Veränderungen in Ökoregion, Ernährung und Subsistenz, insbesondere im Zusammenhang mit polaren Ökoregionen, der Nahrungssuche und einer Ernährung reich an Wurzeln und Knollen. ^{[ 89 ]} In einer Studie aus dem Jahr 2016 konnte die Hauptkomponentenanalyse genomweiter Daten bereits bekannte Ziele positiver Selektion (ohne vorherige Definition von Populationen) sowie eine Reihe neuer Kandidatengene identifizieren. ^{[ 90 ]}

Forensische Anthropologen können die Abstammung von Skelettresten bestimmen, indem sie die Skelettmorphologie analysieren und, wenn möglich, genetische und chemische Marker verwenden. ^{[ 91 ]} Obwohl diese Bestimmungen nie hundertprozentig sicher sind, wird die Genauigkeit der Skelettmorphologieanalyse bei der Bestimmung der tatsächlichen Abstammung auf 90 % geschätzt. ^{[ 92 ]}

Der Genfluss zwischen zwei Populationen verringert die durchschnittliche genetische Distanz zwischen ihnen. Nur vollständig isolierte menschliche Populationen weisen keinen Genfluss auf, während die meisten Populationen einen kontinuierlichen Genfluss mit benachbarten Populationen pflegen, wodurch die für den Großteil der genetischen Variation beobachtete klinale Verteilung entsteht. Findet Genfluss zwischen genetisch gut differenzierten Populationen statt, spricht man von „genetischer Vermischung“.

Admixture Mapping ist eine Technik, mit der untersucht wird, wie genetische Varianten Unterschiede in den Krankheitsraten zwischen Populationen verursachen. ^{[ 93 ]} Jüngere Admixture-Populationen, deren Abstammung sich über mehrere Kontinente zurückverfolgen lässt, eignen sich gut zur Identifizierung von Genen für Merkmale und Krankheiten, deren Prävalenz sich zwischen den Elternpopulationen unterscheidet. Afroamerikanische Populationen standen im Fokus zahlreicher populationsgenetischer Studien und Admixture-Mapping-Studien, darunter Studien zu komplexen genetischen Merkmalen wie der Anzahl weißer Blutkörperchen, dem Body-Mass-Index, Prostatakrebs und Nierenerkrankungen. ^{[ 94 ]}

Eine Analyse der phänotypischen und genetischen Variation, einschließlich Hautfarbe und sozioökonomischem Status, wurde in der Bevölkerung Kap Verdes durchgeführt, die eine gut dokumentierte Geschichte des Kontakts zwischen Europäern und Afrikanern aufweist. Die Studien zeigten, dass das Muster der genetischen Vermischung in dieser Bevölkerung geschlechtsspezifisch war (hauptsächlich durch Paarungen zwischen europäischen Männern und afrikanischen Frauen) und dass eine signifikante Wechselwirkung zwischen sozioökonomischem Status und Hautfarbe unabhängig von der Abstammung besteht. ^{[ 95 ]} Eine weitere Studie belegt ein erhöhtes Risiko für Komplikationen der Graft-versus-Host-Reaktion nach Transplantation aufgrund genetischer Varianten in humanen Leukozytenantigenen (HLA) und Nicht-HLA-Proteinen. ^{[ 96 ]}

Da jeder Mensch Millionen genetischer Varianten (verglichen mit dem Referenzgenom ) aufweist, ist es eine wichtige Frage, welchen Einfluss diese Varianten auf die menschliche Gesundheit oder die Genfunktion haben. Die meisten genetischen Varianten haben, wenn überhaupt, nur geringe bis mäßige Auswirkungen. Häufig genannte Beispiele sind Bluthochdruck (Douglas et al. 1996), Diabetes ^{[ 97 ]} , Adipositas (Fernandez et al. 2003) und Prostatakrebs (Platz et al. 2000). Die Rolle genetischer Faktoren bei der Entstehung dieser Unterschiede ist jedoch weiterhin unklar. ^{[ 98 ]}

Das menschliche Genom kodiert etwa 20.000 proteinkodierende Gene mit jeweils etwa 550 Aminosäuren . ^{[ 99 ]} Somit umfassen menschliche Proteine ​​etwa 11 Millionen Aminosäuren (22 Millionen pro diploidem Genom). Die mittlere Anzahl von Missense-Mutationen in einzelnen menschlichen Genomen beträgt etwa 8600, d. h. zwei Individuen unterscheiden sich in etwa 2600 Aminosäuren oder in etwa 20 % ihrer Proteine ​​um jeweils eine Aminosäure. Ein durchschnittliches Individuum weist etwa 137 (vorhergesagte) Funktionsverlustmutationen auf, darunter 71 Frameshift-Mutationen und 148 In-Frame -Deletionen oder -Insertionen . ^{[ 100 ]} Mutationen an 32,2 % bzw. 9,5 % aller möglichen genomischen Positionen können zu Missense- und Stop-Gain-Varianten (d. h. verkürzten Proteinen) führen. ^{[ 100 ]} In einer Stichprobe von fast einer Million Menschen wurden fast 5000 Gene identifiziert, die Funktionsverlustvarianten auf beiden Allelen desselben Individuums aufwiesen. Das heißt, wenn diese 5000 Gene homozygote Funktionsverlustmutationen tolerieren können, sind sie wahrscheinlich nicht essentiell. ^{[ 100 ]}

Unterschiede in den Allelfrequenzen tragen zu Gruppenunterschieden in der Inzidenz einiger monogener Erkrankungen bei und können auch Unterschiede in der Inzidenz einiger häufiger Erkrankungen bedingen. ^{[ 101 ]} Bei monogenen Erkrankungen korreliert die Häufigkeit ursächlicher Allele in der Regel am besten mit der Abstammung, sei es familiär (z. B. Ellis-Van-Creveld-Syndrom bei den Amischen in Pennsylvania ), ethnisch ( Tay-Sachs-Krankheit bei aschkenasischen Juden ) oder geografisch (Hämoglobinopathien bei Menschen mit Vorfahren aus Malariagebieten). Insofern die Abstammung mit ethnischen Gruppen oder Untergruppen übereinstimmt, kann die Inzidenz monogener Erkrankungen zwischen nach ethnischer Zugehörigkeit kategorisierten Gruppen variieren, und medizinisches Fachpersonal berücksichtigt diese Muster üblicherweise bei der Diagnosestellung. ^{[ 102 ]}

Andere Genvarianten sind hingegen vorteilhaft für den Menschen, da sie bestimmte Krankheiten verhindern und die Anpassungsfähigkeit an die Umwelt erhöhen. Ein Beispiel hierfür ist die Mutation des CCR5 -Gens, die vor AIDS schützt . Durch diese Mutation fehlt das CCR5-Gen auf der Zelloberfläche. Ohne dieses Gen findet das HIV- Virus keine Bindungsstelle. Daher verringert die Mutation des CCR5-Gens das AIDS-Risiko einer Person. Die CCR5-Mutation ist in bestimmten Regionen recht häufig: In Europa tragen über 14 % der Bevölkerung diese Mutation, in Asien und Nordafrika sind es etwa 6–10 % . ^{[ 103 ]}

Viele genetische Varianten mögen den Menschen in der Antike geholfen haben, plagen uns heute aber. Beispielsweise machen Gene, die es dem Menschen ermöglichen, Nahrung effizienter zu verarbeiten, ihn heute anfällig für Fettleibigkeit und Diabetes. ^{[ 104 ]}

Humangenomprojekte sind wissenschaftliche Vorhaben , die die Struktur des menschlichen Genoms bestimmen oder untersuchen . Das Humangenomprojekt war ein wegweisendes Genomprojekt.

Es gibt zahlreiche verwandte Projekte, die sich mit genetischer Variation (oder Variation in den kodierten Proteinen) befassen, z. B. organisiert von den folgenden Organisationen:

• Human Genome Organisation (HUGO) – organisiert Aktivitäten rund um die Sequenzierung des menschlichen Genoms, einschließlich Varianten
• Human Genome Variation Society (HGVS) – entwickelt Nomenklaturstandards für menschliche genetische Varianten
• HGVS-Variantennomenklaturkomitee (HVNC) – erfasst und organisiert die Variantennomenklatur

• Archäogenetik
• Chimäre (Genetik)
• Genealogischer DNA-Test
• Evolutionsgenetik des Menschen
• Isolation durch Distanz
• Multiregionale Hypothese
• Neurodiversität
• Rasse und Genetik
• Jüngste Hypothese eines einzigen Ursprungs
• Y-Chromosom-Haplogruppen in Populationen der Welt

• 1000-Genome-Projekt
• Afrikanische Beimischung in Europa
• Genetische Geschichte Europas
• Genetische Geschichte der indigenen Völker Amerikas
• Genetische Geschichte Südasiens
• Genetische Geschichte der Britischen Inseln

• Human Variome Project

• Gesellschaft für Variationen des menschlichen Genoms