Testing natural selection on polygenic trait-associated alleles in anatolia using neolithic and present-day human genomes

Abstract

Yaklaşık 10,000 yıl önce batı Avrasya'da başlayan Neolitik Geçiş de yerleşik yaşam şeklini ve insan beslenmesindeki büyük değişimlerden birini insan hayatına katmıştır. Birçok çalışmada, modern popülasyonlar üzerinden bitkisel beslenmeye dayalı (Buckley vd., 2017; Harris vd., 2019), hayvan evcilleştirmesi sonucunda süt ürünlerinin kullanımına dayalı (Schlebusch vd., 2013) genlerde adaptasyon tespit edilmiştir. Gelişen arkeogenomik çalışmaları sayesinde, bu adaptasyonlar antik DNA analizleriyle desteklenmektedir (Mathieson vd., 2015). Bu çalışmada, Neolitik sonrası Anadolu'daki poligenik adaptasyonlar, Neolitik ve modern DNA karşılaştırmasıyla incelenmiştir. İlk olarak, beslenme, bağışıklık ve başka kompleks özellikleri içeren 40 poligenik özellik belirlenmiştir. Bu özelliklerle ilişkili 6651 tek nükleotit polimorfizmi (TNP) için Neolitik (n=36) ve günümüz (n=16) Anadolu bireylerinin arasında genetik uzaklıklar FST istatistiği kullanılarak hesaplanmış ve genomda seçilimden direkt etkilenmeyen bölgelerle karşılaştırılmıştır. Daha sonra, bu özelliklere artırıcı etkisi bulunan risk alelleri belirlenmiş ve frekans değişimleri incelenerek ortak bir doğrultunun varlığına bakılmıştır. Son olarak, Neolitik ve modern Anadolu ve bir dış popülasyon kullanılarak popülasyon dal istatistiği yöntemi ile genom boyu seçilim analizi yapılmış ve modern Anadolu dalına özgü seçilim sinyalleri tespit edilmeye çalışılmıştır. Sonuç olarak, yağ metabolizmasıyla ilişkili alel frekanslarının nötral bölgelere göre önemli ölçüde değiştiği görülmüş ve doğrultu analizi de bu özelliklerde seçilime bağlı bir değişim olabileceğini göstermiştir. Ayrıca genom-boyu analizinde modern Anadolu dalında yüksek farklılık gösteren bölgelerin lipid metabolizmasıyla ilgili olabileceği bulunmuştur.

The Neolithic transition, which started approximately 10,000 year ago in west Eurasia and introduced sedentary life style and food production, led to major shifts in the human diet. Previous studies have reported strong selection signals on genes related to processing of plant-based diets (Buckley et al., 2017; Harris et al., 2019) or the consumption of dairy products (Schlebusch et al., 2013). With the advent of archeogenomics studies, genetic signatures of such adaptations have also been supported using DNA data from ancient populations (Mathieson et al., 2015). In this study, polygenic adaptations in Anatolia after the Neolithic transition were investigated by comparing Neolithic and modern-day genome sequence data. First, we chose 40 mainly polygenic traits previously subject to selection studies. For 6651 single nucleotide polymorphisms (SNPs) associated with these traits, we compared the genetic distance between Neolithic Anatolian (n=36) and present-day Anatolian (n=16) individuals, measured using the FST statistic, with SNPs in evolutionary neutral regions. Then, frequency changes of alleles that elevating phenotypes were studied, to test for a common direction of allele-frequency change affecting these traits. Finally, a population branch statistic (PBS) approach was applied to detect adaptation signals specific to the modern-day Anatolia in comparison to Neolithic Anatolia and an outgroup population. We found that the frequency of alleles related to GWAS traits broadly linked to lipid metabolism to be more differentiated between Neolithic and present-day Anatolia, than neutrally expected. Directionality analyses also suggested that such traits might have been driven by selection. Consistently, the genes showing the highest differentiation along the modern Anatolia branch in the PBS analysis were frequently associated with lipid metabolism. Our results imply that lipid metabolism-related traits may have been subject to selective pressures in the last 10,000 years.