Variantes genéticas associadas à persistência da lactase nas Américas

Orientadora: Profa. Dra. Marcia Holsbach BeltrameCoorientadora: Profa. Dra. Maria Luiza Petzl-ErlerDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Genética. Defesa : Curitiba, 31/03/2021Inclui referênciasResumo: Em humanos, a persistência da lactase (LP) é a capacidade de digerir a lactose durante a idade adulta. O padrão de distribuição do fenótipo LP está associado à cultura de pastoralismo e ordenha, sendo um exemplo de coevolução gene-cultura e evolução convergente. Além disso, o sinal de seleção observado para essa região genômica faz com que o fenótipo LP seja um dos exemplos de seleção natural em populações humanas mais conhecido. O gene LCT codifica a enzima lactase e sua expressão está diretamente relacionada ao fenótipo LP. Polimorfismos de nucleotídeo único (SNPs) localizados no íntron 13 do gene MCM6, região sobreposta ao acentuador do gene LCT, estão associados ao fenótipo LP. Os SNPs mais conhecidos são: -13910C>T (rs4988235, amplamente distribuído pela Europa), -13907G>C (rs41525747), -13915T>G (rs41380347) e -14010G>C (rs145946881) - comuns em populações pastoralistas da África Oriental e Oriente Médio. A população pan-americana possui, principalmente, componentes de ancestralidade genômica nativo americano, africano e europeu, em proporções que variam entre e dentro dos países. Poucos estudos sobre variantes associadas ao fenótipo LP em populações miscigenadas pan-americanas foram desenvolvidos, havendo informações limitadas à variação de origem europeia (- 13910C>T). Dessa forma, este trabalho tem como objetivo (i) abordar a distribuição geográfica da variação - 13910C>T ao longo das Américas; (ii) analisar este locus para evidências de seleção positiva em diferentes populações miscigenadas pan-americanas; e (iii) descrever em nível populacional as principais variantes associadas ao fenótipo LP em populações de ancestralidade africana da região de Curitiba (PR) e da comunidade quilombola de Sertão do Valongo, região rural de Porto Belo (SC). Avaliando 14.978 indivíduos de 13 populações pan-americanas distintas, observamos que a frequência do alelo -13910*T está diretamente correlacionada à porcentagem de ancestralidade europeia média (rho = 0,866; p = 1,526 x 10-10); que a frequência do alelo -13910*T tende para a frequência alélica observada nas populações europeias ancestrais; e que não há super-representação de haplótipos europeus na região flanqueadora da variação -13910C>T. Esses resultados sugerem que não houve seleção natural nas Américas após eventos de miscigenação que deram origem às populações pan-americanas modernas. Ainda, foram sequenciados 259 indivíduos para o íntron 13 do gene MCM6, as sequências geradas foram analisadas no software Mutation Surveyor®, versão 3.30 (SoftGenetics). Para a população afrobrasileira de Curitiba, o fenótipo LP está associado à variação - 13910C>T em 98,78% dos casos; entretanto, não foram identificadas variações associadas ao fenótipo LP na população quilombola de Sertão do Valongo. Para avaliar os contextos haplotípicos nas populações afro-brasileiras de Curitiba e em Sertão do Valongo, foram genotipados três marcadores haplotípicos localizados no gene LCT, são eles: -678A>G (rs56211644), +666G>A (rs3754689) e +5579T>C (rs2278544). Em afro-brasileiros de Curitiba foram observados 20 haplótipos distintos, dos quais apenas 4 foram observados na população de Sertão do Valongo - em ambos os grupos o haplótipo mais frequente contém os alelos ancestrais. Os resultados obtidos mostraram que afro-brasileiros da região de Curitiba possuem ancestralidade europeia importante para a região genômica avaliada, além disso os resultados são compatíveis com a diversidade genética relatada para a população pan-americana.Abstract: In humans, lactase persistence (LP) is the ability to digest lactose during adulthood. The distribution pattern and the prevalence of LP are associated with pastoralism and milking culture; lactase persistence is also among the strongest selected phenotypes in human populations, being one of the best examples of convergent evolution and gene-culture co-evolution. The LCT gene encodes the lactase enzyme, and its expression is directly related to the LP phenotype. Single nucleotide polymorphisms (SNPs) located at intron 13 of the MCM6 gene, a region overlapped to the LCT gene's enhancer, are associated with the LP phenotype. The most wellknown SNPs are: -13910C>T (rs4988235, widely distributed in Europe), -13907G>C (rs41525747), -13915T>G (rs41380347), and -14010G>C (rs145946881) - common in herder populations in East Africa and the Middle East. The Pan-American admixed populations have primarily Native American, African, and European ancestries, which proportions vary among and within the countries. Few studies about variants associated with the LP phenotype in Pan-American populations have been developed, with information limited to the European origin variation (- 13910C>T). Thus, this work aims to (i) address the geographical distribution of the - 13910C>T SNP along the Americas; (ii) analyze this locus for evidence of positive selection in different Pan-American admixed populations; and (iii) describe at the population level the main SNPs associated with the LP phenotype in populations of African ancestry from the urban region of Curitiba (PR) and the quilombola community of Sertão do Valongo, rural area of Porto Belo (SC). Evaluating 14.978 individuals from thirteen different Pan-American admixed populations, we observed a positive correlation between -13910*T allele frequencies and the average proportion of European ancestry (rho = 0.866; p = 1.526 x 10-10); the -13910*T allele frequency tends to the European sources' allele frequency; and no overrepresentation of European haplotypes in the -13910C>T flanking region was observed. These findings suggest no selective pressure after admixture events that gave rise to modern Pan-American populations. Moreover, we sequenced two hundred fifty-nine samples for the MCM6 gene (intron 13), and the generated sequences were analyzed using the Mutation Surveyor® software, version 3.30 (SoftGenetics). While the Lp phenotype is associated with the -13910C>T SNP in 98.78% of cases in the Afro-Brazilian from Curitiba, in the quilombola community from Sertão do Valongo, there was no allele associated with the LP phenotype. The haplotypic backgrounds in the Afro-Brazilian from Curitiba and Sertão do Valongo were evaluated by genotyping three markers located in the LCT gene: -678A>G (rs56211644), +666G>A (rs3754689), and +5579T>C (rs2278544). We observed twenty distinct haplotypes in the Afro-Brazilian from Curitiba, of which only four haplotypes were also observed in the quilombola community from Sertão do Valongo. In both populations, the most frequent haplotype contained ancestral alleles. Our results showed that Afro- Brazilians from Curitiba have an important European ancestry for the MCM6 genomic region, agreeing with the genetic diversity reported for Pan-American populations

Variantes genéticas associadas à persistência da lactase nas Américas

Orientadora: Profa. Dra. Marcia Holsbach BeltrameCoorientadora: Profa. Dra. Maria Luiza Petzl-ErlerDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Genética. Defesa : Curitiba, 31/03/2021Inclui referênciasResumo: Em humanos, a persistência da lactase (LP) é a capacidade de digerir a lactose durante a idade adulta. O padrão de distribuição do fenótipo LP está associado à cultura de pastoralismo e ordenha, sendo um exemplo de coevolução gene-cultura e evolução convergente. Além disso, o sinal de seleção observado para essa região genômica faz com que o fenótipo LP seja um dos exemplos de seleção natural em populações humanas mais conhecido. O gene LCT codifica a enzima lactase e sua expressão está diretamente relacionada ao fenótipo LP. Polimorfismos de nucleotídeo único (SNPs) localizados no íntron 13 do gene MCM6, região sobreposta ao acentuador do gene LCT, estão associados ao fenótipo LP. Os SNPs mais conhecidos são: -13910C>T (rs4988235, amplamente distribuído pela Europa), -13907G>C (rs41525747), -13915T>G (rs41380347) e -14010G>C (rs145946881) - comuns em populações pastoralistas da África Oriental e Oriente Médio. A população pan-americana possui, principalmente, componentes de ancestralidade genômica nativo americano, africano e europeu, em proporções que variam entre e dentro dos países. Poucos estudos sobre variantes associadas ao fenótipo LP em populações miscigenadas pan-americanas foram desenvolvidos, havendo informações limitadas à variação de origem europeia (- 13910C>T). Dessa forma, este trabalho tem como objetivo (i) abordar a distribuição geográfica da variação - 13910C>T ao longo das Américas; (ii) analisar este locus para evidências de seleção positiva em diferentes populações miscigenadas pan-americanas; e (iii) descrever em nível populacional as principais variantes associadas ao fenótipo LP em populações de ancestralidade africana da região de Curitiba (PR) e da comunidade quilombola de Sertão do Valongo, região rural de Porto Belo (SC). Avaliando 14.978 indivíduos de 13 populações pan-americanas distintas, observamos que a frequência do alelo -13910*T está diretamente correlacionada à porcentagem de ancestralidade europeia média (rho = 0,866; p = 1,526 x 10-10); que a frequência do alelo -13910*T tende para a frequência alélica observada nas populações europeias ancestrais; e que não há super-representação de haplótipos europeus na região flanqueadora da variação -13910C>T. Esses resultados sugerem que não houve seleção natural nas Américas após eventos de miscigenação que deram origem às populações pan-americanas modernas. Ainda, foram sequenciados 259 indivíduos para o íntron 13 do gene MCM6, as sequências geradas foram analisadas no software Mutation Surveyor®, versão 3.30 (SoftGenetics). Para a população afrobrasileira de Curitiba, o fenótipo LP está associado à variação - 13910C>T em 98,78% dos casos; entretanto, não foram identificadas variações associadas ao fenótipo LP na população quilombola de Sertão do Valongo. Para avaliar os contextos haplotípicos nas populações afro-brasileiras de Curitiba e em Sertão do Valongo, foram genotipados três marcadores haplotípicos localizados no gene LCT, são eles: -678A>G (rs56211644), +666G>A (rs3754689) e +5579T>C (rs2278544). Em afro-brasileiros de Curitiba foram observados 20 haplótipos distintos, dos quais apenas 4 foram observados na população de Sertão do Valongo - em ambos os grupos o haplótipo mais frequente contém os alelos ancestrais. Os resultados obtidos mostraram que afro-brasileiros da região de Curitiba possuem ancestralidade europeia importante para a região genômica avaliada, além disso os resultados são compatíveis com a diversidade genética relatada para a população pan-americana.Abstract: In humans, lactase persistence (LP) is the ability to digest lactose during adulthood. The distribution pattern and the prevalence of LP are associated with pastoralism and milking culture; lactase persistence is also among the strongest selected phenotypes in human populations, being one of the best examples of convergent evolution and gene-culture co-evolution. The LCT gene encodes the lactase enzyme, and its expression is directly related to the LP phenotype. Single nucleotide polymorphisms (SNPs) located at intron 13 of the MCM6 gene, a region overlapped to the LCT gene's enhancer, are associated with the LP phenotype. The most wellknown SNPs are: -13910C>T (rs4988235, widely distributed in Europe), -13907G>C (rs41525747), -13915T>G (rs41380347), and -14010G>C (rs145946881) - common in herder populations in East Africa and the Middle East. The Pan-American admixed populations have primarily Native American, African, and European ancestries, which proportions vary among and within the countries. Few studies about variants associated with the LP phenotype in Pan-American populations have been developed, with information limited to the European origin variation (- 13910C>T). Thus, this work aims to (i) address the geographical distribution of the - 13910C>T SNP along the Americas; (ii) analyze this locus for evidence of positive selection in different Pan-American admixed populations; and (iii) describe at the population level the main SNPs associated with the LP phenotype in populations of African ancestry from the urban region of Curitiba (PR) and the quilombola community of Sertão do Valongo, rural area of Porto Belo (SC). Evaluating 14.978 individuals from thirteen different Pan-American admixed populations, we observed a positive correlation between -13910*T allele frequencies and the average proportion of European ancestry (rho = 0.866; p = 1.526 x 10-10); the -13910*T allele frequency tends to the European sources' allele frequency; and no overrepresentation of European haplotypes in the -13910C>T flanking region was observed. These findings suggest no selective pressure after admixture events that gave rise to modern Pan-American populations. Moreover, we sequenced two hundred fifty-nine samples for the MCM6 gene (intron 13), and the generated sequences were analyzed using the Mutation Surveyor® software, version 3.30 (SoftGenetics). While the Lp phenotype is associated with the -13910C>T SNP in 98.78% of cases in the Afro-Brazilian from Curitiba, in the quilombola community from Sertão do Valongo, there was no allele associated with the LP phenotype. The haplotypic backgrounds in the Afro-Brazilian from Curitiba and Sertão do Valongo were evaluated by genotyping three markers located in the LCT gene: -678A>G (rs56211644), +666G>A (rs3754689), and +5579T>C (rs2278544). We observed twenty distinct haplotypes in the Afro-Brazilian from Curitiba, of which only four haplotypes were also observed in the quilombola community from Sertão do Valongo. In both populations, the most frequent haplotype contained ancestral alleles. Our results showed that Afro- Brazilians from Curitiba have an important European ancestry for the MCM6 genomic region, agreeing with the genetic diversity reported for Pan-American populations