Adaptación a gran altitud en humanos - High-altitude adaptation in humans

La adaptación a gran altitud en humanos es un ejemplo de modificación evolutiva en ciertas poblaciones humanas, incluidas las del Tíbet en Asia, los Andes de las Américas y Etiopía en África, que han adquirido la capacidad de sobrevivir a altitudes superiores a los 2.500 metros. Esta adaptación significa respuestas fisiológicas irreversibles a largo plazo a entornos de gran altitud, asociadas con cambios genéticos y de comportamiento hereditarios . Si bien el resto de la población humana sufriría graves consecuencias para la salud, los habitantes indígenas de estas regiones prosperan bien en las partes más altas del mundo. Estas personas han experimentado grandes cambios fisiológicos y genéticos, particularmente en los sistemas reguladores de la respiración de oxígeno y la circulación sanguínea , en comparación con la población general de las tierras bajas.

Alrededor de 81,6 millones de personas, aproximadamente el 1,1% de la población humana mundial, viven permanentemente en altitudes superiores a los 2.500 metros (8.200 pies), lo que pone a estas poblaciones en riesgo de contraer el mal crónico de montaña (CMS) . Sin embargo, las poblaciones de gran altitud en América del Sur, África Oriental y Asia Meridional lo han hecho durante milenios sin complicaciones aparentes. Esta adaptación especial ahora se reconoce como un ejemplo de selección natural en acción. La adaptación de los tibetanos es el ejemplo más rápido conocido de evolución humana , ya que se estima que ocurrió en cualquier momento alrededor del año 1000 a.C. al 7000 a.C.

Origen y base

Himalaya, en el borde sur de la meseta tibetana

Los seres humanos están naturalmente adaptados al medio ambiente de las tierras bajas donde el oxígeno es abundante. Cuando las personas de las tierras bajas generales van a altitudes superiores a los 2.500 metros (8.200 pies), experimentan el mal de altura , que es un tipo de hipoxia , un síndrome clínico de falta grave de oxígeno. Algunas personas contraen la enfermedad incluso a más de 1500 metros (5000 pies). Las complicaciones incluyen fatiga , mareos , dificultad para respirar , dolores de cabeza , insomnio , malestar general , náuseas , vómitos , dolor corporal , pérdida del apetito , zumbidos en los oídos , ampollas y púrpuras en las manos y los pies y venas dilatadas .

La enfermedad se ve agravada por síntomas relacionados, como edema cerebral (inflamación del cerebro) y edema pulmonar (acumulación de líquido en los pulmones) . Durante varios días, respiran en exceso y queman energía extra incluso cuando el cuerpo está relajado . La frecuencia cardíaca luego disminuye gradualmente. La hipoxia, de hecho, es una de las principales causas de muerte entre los montañeros. En las mujeres, el embarazo puede verse gravemente afectado, como el desarrollo de presión arterial alta , llamada preeclampsia , que causa parto prematuro , bajo peso al nacer de los bebés y, a menudo, se complica con sangrado profuso , convulsiones y muerte de la madre .

Se estima que 81,6 millones de personas en todo el mundo viven a una altitud superior a los 2.500 metros (8.200 pies) sobre el nivel del mar, de los cuales 21,7 millones se encuentran en Etiopía , 12,5 millones en China , 11,7 millones en Colombia , 7,8 millones en Perú y 6,2 millones. en Bolivia . Ciertos nativos del Tíbet, Etiopía y los Andes han estado viviendo en estas grandes altitudes durante generaciones y están protegidos de la hipoxia como consecuencia de la adaptación genética. Se estima que a 4.000 metros (13.000 pies), cada bocanada de aire solo tiene el 60% de las moléculas de oxígeno que tienen las personas a nivel del mar. Por lo tanto, los montañeses están constantemente expuestos a un entorno con poco oxígeno, pero viven sin ningún problema debilitante. Uno de los efectos mejor documentados de la gran altitud es la reducción progresiva del peso al nacer . Se sabe que las mujeres de la población de gran altitud que reside desde hace mucho tiempo no se ven afectadas. Se sabe que estas mujeres dan a luz bebés de mayor peso que las mujeres de los habitantes de las tierras bajas. Esto es particularmente cierto entre los bebés tibetanos, cuyo peso promedio al nacer es 294-650 (~ 470) g más pesado que la población china circundante ; y su nivel de oxígeno en sangre es considerablemente más alto.

Las primeras investigaciones científicas de la adaptación a gran altitud las realizó A. Roberto Frisancho de la Universidad de Michigan a fines de la década de 1960 entre el pueblo quechua del Perú. Paul T. Baker , de la Universidad de Penn State , (en el Departamento de Antropología ) también llevó a cabo una cantidad considerable de investigación sobre la adaptación humana a las grandes altitudes, y fue mentor de estudiantes que continuaron esta investigación. Una de estas estudiantes, la antropóloga Cynthia Beall de la Universidad Case Western Reserve , comenzó a realizar investigaciones sobre la adaptación a gran altitud entre los tibetanos a principios de la década de 1980, y todavía lo hace hasta el día de hoy.

Base fisiológica

Tibetanos

Una familia Sherpa

Los científicos comenzaron a notar el extraordinario desempeño físico de los tibetanos desde el comienzo de la era de la escalada del Himalaya a principios del siglo XX. La hipótesis de una posible adaptación genética evolutiva tiene sentido. La meseta tibetana tiene una elevación promedio de 4.000 metros (13.000 pies) sobre el nivel del mar, y con una superficie de más de 2,5 millones de km 2 , es la meseta más alta y más grande del mundo. En 1990, se estimó que 4.594.188 tibetanos vivían en la meseta, y el 53% vivía a una altitud de más de 3.500 metros (11.500 pies). Un número bastante grande (alrededor de 600.000) vive a una altitud superior a los 4.500 metros (14.800 pies) en el área de Chantong-Qingnan. Donde viven los montañeses tibetanos, el nivel de oxígeno es solo alrededor del 60% del nivel del mar. Los tibetanos, que han estado viviendo en esta región durante 3.000 años, no exhiben las concentraciones elevadas de hemoglobina para hacer frente a la deficiencia de oxígeno como se observa en otras poblaciones que se han trasladado temporal o permanentemente a grandes altitudes. En cambio, los tibetanos inhalan más aire con cada respiración y respiran más rápidamente que las poblaciones al nivel del mar o los andinos. Los tibetanos tienen una mejor oxigenación al nacer, volúmenes pulmonares agrandados a lo largo de la vida y una mayor capacidad de ejercicio . Muestran un aumento sostenido en el flujo sanguíneo cerebral , menor concentración de hemoglobina y menos susceptibilidad al mal de montaña crónico que otras poblaciones, debido a su historia más larga de habitar a gran altitud.

Los individuos pueden desarrollar tolerancia a corto plazo con una preparación física cuidadosa y un monitoreo sistemático de los movimientos, pero los cambios biológicos son bastante temporales y reversibles cuando regresan a las tierras bajas. Además, a diferencia de las personas de las tierras bajas que solo experimentan un aumento de la respiración durante unos días después de entrar en grandes altitudes, los tibetanos conservan esta respiración rápida y una capacidad pulmonar elevada durante toda su vida. Esto les permite inhalar mayores cantidades de aire por unidad de tiempo para compensar los bajos niveles de oxígeno. Además, tienen niveles altos (en su mayoría el doble) de óxido nítrico en la sangre, en comparación con los habitantes de las tierras bajas, y esto probablemente ayude a que sus vasos sanguíneos se dilaten para mejorar la circulación sanguínea . Además, su nivel de hemoglobina no es significativamente diferente (promedio de 15,6 g / dl en hombres y 14,2 g / dl en mujeres), de los de las personas que viven a baja altitud. (Normalmente, los montañistas experimentan un aumento de> 2 g / dl en el nivel de Hb en el campamento base del Monte Everest en dos semanas). De esta manera, pueden evadir los efectos de la hipoxia y el mal de montaña durante toda su vida. Incluso cuando escalaron las cumbres más altas como el Monte Everest, mostraron una captación regular de oxígeno, mayor ventilación, respuestas ventilatorias hipóxicas más enérgicas, mayores volúmenes pulmonares, mayor capacidad de difusión, peso corporal constante y una mejor calidad de sueño, en comparación con las personas del tierras bajas.

Andinos

A diferencia de los tibetanos, los montañeses andinos, que han vivido en altitudes elevadas durante no más de 11.000 años, muestran un patrón diferente de adaptación de la hemoglobina. Su concentración de hemoglobina es más alta en comparación con la de la población de las tierras bajas, lo que también les sucede a los habitantes de las tierras bajas que se trasladan a grandes altitudes. Cuando pasan algunas semanas en las tierras bajas, su hemoglobina cae al promedio de otras personas. Esto muestra solo una aclimatación temporal y reversible. Sin embargo, a diferencia de las personas de las tierras bajas, tienen un mayor nivel de oxígeno en la hemoglobina, es decir, más oxígeno por volumen de sangre que otras personas. Esto confiere la capacidad de transportar más oxígeno en cada glóbulo rojo, lo que hace que el transporte de oxígeno en su cuerpo sea más efectivo, mientras que su respiración es esencialmente al mismo ritmo. Esto les permite superar la hipoxia y reproducirse normalmente sin riesgo de muerte para la madre o el bebé. Los montañeses andinos son conocidos por los misioneros del siglo XVI que su reproducción siempre había sido normal, sin ningún efecto en el parto o el riesgo de pérdida temprana del embarazo, que son comunes al estrés hipóxico. Han adquirido durante el desarrollo un volumen pulmonar residual agrandado y su aumento asociado en el área alveolar , que se complementan con un aumento del grosor del tejido y un aumento moderado de los glóbulos rojos . Aunque se retrasa el crecimiento físico del tamaño corporal , se acelera el crecimiento de los volúmenes pulmonares. Una adaptación incompleta, como los niveles elevados de hemoglobina, aún los deja en riesgo de padecer el mal de montaña con la vejez.

Mujer quechua con llamas

Entre los quechuas del Altiplano , existe una variación significativa en NOS3 (el gen que codifica la óxido nítrico sintasa endotelial , eNOS), que se asocia con niveles más altos de óxido nítrico en las altitudes elevadas. Los niños nuñoa de ascendencia quechua exhiben un mayor contenido de oxígeno en sangre (91,3) y una frecuencia cardíaca más baja (84,8) que sus homólogos escolares de diferentes etnias, que tienen un promedio de 89,9 oxígeno en sangre y 88-91 frecuencia cardíaca. Las hembras de origen quechua nacidas y criadas a gran altura tienen un volumen pulmonar comparativamente aumentado para aumentar la respiración.

Ceremonia aymara

Perfil de la sangre comparaciones muestran que entre los andinos, montañeses aymaras se adaptan mejor a tierras altas que los Quechuas. Entre los aymaras bolivianos , la ventilación en reposo y la respuesta ventilatoria hipóxica fueron bastante bajas (aproximadamente 1,5 veces más bajas), en contraste con las de los tibetanos. La variación genética intrapoblacional fue relativamente menor entre los aymaras. Además, en comparación con los tibetanos, el nivel de hemoglobina en la sangre a grandes altitudes entre los aymaras es notablemente más alto, con un promedio de 19,2 g / dl para los hombres y 17,8 g / dl para las mujeres. Entre las diferentes poblaciones nativas de los montañeses, las respuestas fisiológicas subyacentes a la adaptación son bastante diferentes. Por ejemplo, entre cuatro características cuantitativas, como son la ventilación en reposo, la respuesta ventilatoria hipóxica, la saturación de oxígeno y la concentración de hemoglobina, los niveles de variaciones son significativamente diferentes entre los tibetanos y los aymaras. La metilación también influye en la oxigenación.

Etíopes

Los pueblos de las tierras altas de Etiopía también viven en altitudes extremadamente altas, alrededor de 3.000 metros (9.800 pies) a 3.500 metros (11.500 pies). Los etíopes de las tierras altas exhiben niveles elevados de hemoglobina, como los andinos y los pueblos de las tierras bajas en altitudes elevadas, pero no exhiben el aumento de los andinos en el contenido de oxígeno de la hemoglobina. Entre los individuos sanos, las concentraciones promedio de hemoglobina son de 15,9 y 15,0 g / dl para hombres y mujeres respectivamente (que es más bajo de lo normal, casi similar a los tibetanos), y una saturación de oxígeno promedio de hemoglobina es del 95,3% (que es más alta que la media). , como los andinos). Además, los montañeses etíopes no muestran ningún cambio significativo en la circulación sanguínea del cerebro, lo que se ha observado entre los montañeses peruanos (y se atribuye a sus frecuentes enfermedades relacionadas con la altitud). Sin embargo, al igual que los andinos y los tibetanos, los montañeses etíopes son inmunes a los peligros extremos que plantea el medio ambiente a gran altitud, y su patrón de adaptación es definitivamente único del de otros pueblos de las tierras altas.

Base genética

La evolución molecular subyacente de la adaptación a gran altitud se ha explorado y comprendido bastante recientemente. Dependiendo de las presiones geográficas y ambientales, la adaptación a gran altitud implica diferentes patrones genéticos, algunos de los cuales han evolucionado bastante recientemente. Por ejemplo, las adaptaciones tibetanas se hicieron frecuentes en los últimos 3.000 años, un ejemplo rápido de la evolución humana reciente . A principios del siglo XXI, se informó que la composición genética de los componentes respiratorios de las poblaciones tibetana y etíope es significativamente diferente.

Tibetanos

Evidencia sustancial en los montañeses tibetanos sugiere que la variación en los niveles de hemoglobina y oxígeno en sangre se adapta a la aptitud darwiniana . Se ha documentado que las mujeres tibetanas con una alta probabilidad de poseer uno o dos alelos de alto contenido de oxígeno en sangre (lo cual es extraño para las mujeres normales) tuvieron más hijos sobrevivientes; cuanto mayor es la capacidad de oxígeno, menor es la mortalidad infantil. En 2010, por primera vez, se identificaron los genes responsables de los rasgos adaptativos únicos tras la secuenciación del genoma de 50 tibetanos y 40 chinos han de Beijing . Inicialmente, la señal más fuerte de selección natural detectada fue un factor de transcripción involucrado en la respuesta a la hipoxia, llamado proteína de dominio endotelial Per-Arnt-Sim (PAS) 1 ( EPAS1 ). Se encontró que un polimorfismo de un solo nucleótido (SNP) en EPAS1 muestra una diferencia de frecuencia del 78% entre las muestras tibetanas y de China continental, lo que representa el cambio genético más rápido observado en cualquier gen humano hasta la fecha. Por lo tanto, la adaptación tibetana a la gran altitud se convierte en el proceso más rápido de evolución fenotípicamente observable en humanos, que se estima que ocurrió hace unos miles de años, cuando los tibetanos se separaron de la población de China continental. El tiempo de divergencia genética se ha estimado de diversas maneras en 2.750 (estimación original), 4.725, 8.000 o 9.000 años atrás. Las mutaciones en EPAS1 , con mayor frecuencia en los tibetanos que en sus vecinos Han, se correlacionan con la disminución de las concentraciones de hemoglobina entre los tibetanos, que es el sello distintivo de su adaptación a la hipoxia. Simultáneamente, también se identificaron dos genes, el homólogo 1 ( EGLN1 ) (que inhibe la producción de hemoglobina en concentraciones elevadas de oxígeno) y el receptor alfa activado por proliferador de peroxisoma ( PPARA ), que se seleccionaron positivamente en relación con la disminución de la naturaleza de la hemoglobina en los tibetanos.

De manera similar, los sherpas , conocidos por su resistencia al Himalaya, exhiben patrones similares en el gen EPAS1 , lo que fortalece aún más que el gen está bajo selección para adaptarse a la vida de los tibetanos a gran altitud. Un estudio de 2014 indica que el gen mutante EPAS1 podría haber sido heredado de homínidos arcaicos , los denisovanos . EPAS1 y EGLN1 son definitivamente los genes principales de rasgos adaptativos únicos en comparación con los de los chinos y japoneses. El análisis comparativo del genoma en 2014 reveló que los tibetanos heredaron una mezcla igual de genomas de los nepaleses-sherpas y Hans, y adquirieron los genes adaptativos del linaje sherpa. Además, se estimó que la división de la población ocurrió hace alrededor de 20.000 a 40.000 años, un rango de los cuales respalda la evidencia arqueológica, del ADN de las mitocondrias y del cromosoma Y de una colonización inicial de la meseta tibetana hace unos 30.000 años.

Los genes ( EPAS1 , EGLN1 y PPARA ) funcionan en conjunto con otro gen llamado factores inducibles por hipoxia ( HIF ), que a su vez es un regulador principal de la producción de glóbulos rojos ( eritropoyesis ) en respuesta al metabolismo del oxígeno. Los genes están asociados no solo con niveles reducidos de hemoglobina, sino también en la regulación del metabolismo energético. EPAS1 se asocia significativamente con una mayor concentración de lactato (el producto de la glucólisis anaeróbica ) y PPARA se correlaciona con la disminución de la actividad de oxidación de ácidos grasos . EGLN1 codifica una enzima, prolil hidroxilasa 2 (PHD2), involucrada en la eritropoyesis. Entre los tibetanos, la mutación en EGLN1 (específicamente en la posición 12, donde la citosina se reemplaza con guanina; y en 380, donde G se reemplaza con C) da como resultado PHD2 mutante (el ácido aspártico en la posición 4 se convierte en glutamina y la cisteína en 127 se convierte en serina ) y esta mutación inhibe la eritropoyesis. Se estima que la mutación ocurrió hace unos 8.000 años. Además, los tibetanos están enriquecidos para genes en la clase de enfermedad de la reproducción humana (como genes de los grupos de genes DAZ , BPY2 , CDY y HLA-DQ y HLA-DR ) y categorías de procesos biológicos de respuesta al estímulo de daño del ADN y al ADN. reparación (como RAD51 , RAD52 y MRE11A ), que están relacionados con los rasgos adaptativos de alto peso al nacer y un tono de piel más oscuro, y muy probablemente se deben a una adaptación local reciente.

Andinos

Los patrones de adaptación genética entre los andinos son en gran medida distintos de los de los tibetanos, y ambas poblaciones muestran evidencia de selección natural positiva en diferentes genes o regiones genéticas. Sin embargo, EGLN1 parece ser la principal firma de la evolución, ya que muestra evidencia de selección positiva tanto en tibetanos como en andinos. Incluso entonces, el patrón de variación de este gen difiere entre las dos poblaciones. Entre los andinos, no existen asociaciones significativas entre los genotipos EPAS1 o EGLN1 SNP y la concentración de hemoglobina, que ha sido la característica de los tibetanos. Las secuencias del genoma completo de 20 andinos (la mitad de ellos con mal de montaña crónico) revelaron que dos genes, SENP1 (un regulador de la eritropoyesis) y ANP32D (un oncogén) juegan un papel vital en su débil adaptación a la hipoxia.

Etíopes

El mecanismo de adaptación de los montañeses etíopes es bastante diferente. Probablemente esto se deba a que su migración a las tierras altas fue relativamente temprana; por ejemplo, los Amhara han habitado altitudes superiores a los 2.500 metros (8.200 pies) durante al menos 5.000 años y altitudes de alrededor de 2.000 metros (6.600 pies) a 2.400 metros (7.900 pies) durante más de 70.000 años. El análisis genómico de dos grupos étnicos, Amhara y Oromo , reveló que las variaciones genéticas asociadas con la diferencia de hemoglobina entre los tibetanos u otras variantes en la misma ubicación genética no influyen en la adaptación en los etíopes. La identificación de genes específicos revela además que varios genes candidatos están involucrados en etíopes, incluidos CBARA1 , VAV3 , ARNT2 y THRB . Se sabe que dos de estos genes ( THRB y ARNT2 ) juegan un papel en la vía HIF-1 , una vía implicada en trabajos previos reportados en estudios tibetanos y andinos. Esto apoya el concepto de que la adaptación a la gran altitud surgió de forma independiente entre los diferentes montañeses como resultado de la evolución convergente .

Ver también

Referencias

enlaces externos