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Bei der Verwendung dieser Y-Chromosomen-Zeitreihe, die fast die gesamte Geschichte der Pferde-Domestikation abdeckt, zeigen wir, wie sich die Y-Chromosomen-Diversität im Laufe der Zeit verändert hat. Die Ergebnisse zeigen auch, dass das Fehlen mehrerer Hengstlinien in der bestehenden heimischen Bevölkerung weder durch einen Gründereffekt noch durch zufällige demographische Effekte verursacht wird, sondern durch künstliche Selektion - zunächst in der Eisenzeit durch eurasische Steppennomaden und später in der Römerzeit.

Die Haplotypie stammt wahrscheinlich von einem anderen, bereits vorteilhaften Haplotyp ab, höchstwahrscheinlich nach Beginn der Domestikation. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Przewalski und Hauspferdelinien nach der Divergenz vor ca. 45.000 Jahren durch den Genfluss gebunden blieben, so dass wir zumindest bis ins Mittelalter Hinweise auf eine Y-chromosomale Introgression von Przewalski-Pferden im Genpool der europäischen Hauspferde präsentieren.

Die Haustiere von heute sind einzigartig unter den Nutztieren, da sie auf dem väterlich vererbten Y-Chromosom (1-5) fast keine Variabilität aufweisen. Contrairementale DNA, die von Pferden mütterlicherseits vererbt wird, weist enorme Variationen auf (6-10). Gerade bei modernen Pferden haben bisher nur sehr wenige Studien polymorphe Y-Chromosomen-Marker nachgewiesen, aber diese zusätzlichen Linien scheinen aus dem relativ jungen heimischen Haplotyp (5) zu stammen oder waren auf ein begrenztes geographisches Gebiet beschränkt (11).

Es ist wahrscheinlich, dass eine große Anzahl von Stuten, aber nur wenige Hengste zur Gründung der heimischen Pferdepopulation beigetragen haben (2). Die Analysen der alten DNA (aDNA) der väterlichen Variation haben die Koexistenz mehrerer Y-Chromosomen-Haplotypen in den häuslichen Standards vor der Eisenzeit und der Eisenzeit festgestellt, was darauf hindeutet, dass die Y-Chromosomen-Diversität in der Vergangenheit viel größer war als in den gegenwärtigen Pferdepopulationen (12, 13).

Die Domestizierung der Pferde hat die Vielfalt des Y-Chromosoms geprägt, indem wir 16 Loci auf dem Y-Chromosom in 96 (von insgesamt 350) archäologischen Überresten genotypisiert haben (Tabelle S1), die über die letzten 5000 Jahre verteilt sind. Das Ensemble liefert die erste vollständige Zeitreihe von Y-Chromosomenvariationen von der frühen Domestikation bis zum Mittelalter.

Zur Klärung der Frage, wie der Domestizierungsprozess des Pferdes und der mögliche Beitrag des Przewalski-Pferdes die Vielfalt des Y-Chromosoms des Pferdes prägte, ist es uns gelungen, in 96 (von insgesamt 350) archäologischen Überresten von Pferden (Tabelle S1), die über die letzten 5000 Jahre verteilt sind, 16 Einzel-Nukleotid-Polymorphismen (SNP) auf dem Y-Chromosom zu genotypisieren.

Im Einklang mit früheren Studien zeigte das Y-Chromosom eine geringe genetische Vielfalt, wobei nur 4 der 16 polymorphen SNP', die vier Haplotypen definieren (Tabelle S2). Die Haplotypen der aktuellen Hauspferde (Y-HT-1) wurden durch zwei neue Haplotypen (Y-HT-3 und Y-HT-4) ergänzt, die sich durch zwei Unterschiede bzw. einen Unterschied zum Haushaplotyp auszeichnen (Abb. 1).

Die Fassade des Przewalski-Haplotyps (Y-HT-2) wurde in mehreren der erfolgreich genotypisierten DNA-Proben entdeckt, die sich von den vier polymorphen Positionen des aktuellen inländischen Haplotyps unterscheidet. Für den Nachweis von zeitlichen Variationsmustern haben wir die Proben in vier verschiedene Zeitgefäße nach archäologischen Perioden eingeteilt (vor-2200 v. Chr., 2200-900 v. Chr., 900 v. Chr., 900 v. Chr., 900 v. Chr. und weniger als 400 v. Chr. Abb. 2).

Auf dieser Grundlage haben wir ein Zeitnetzwerk von Haplotypen aufgebaut (Abb. 1) und die Haplotyp-Frequenzen über die Zeit simuliert (Abb. 3). Die Analysen zeigen die Reduktion der Y-Chromosomenvariation über die Zeit, die bei den Haplotypen Y-HT-1 und Y-HT-4 besonders ausgeprägt ist. Die Schlösser der Wild- und Frühneolithikum- und Bronzezeit (>900 v. Chr.) weisen trotz ihrer geringen Stichprobengröße (n = 9 und 17 in den Tanks 1 und 2 versus n = 24 und 46 in den Tanks 3 und 4; Abb. 2) relativ hohe Schwankungen auf, wobei die vier Haplotypen in den ersten beiden definierten Perioden (~0,10 bis 0,36 ; Abb. 3 und Tabelle S3) relativ gleich häufig auftreten.

Außerdem war der Haplotyp, der Przewalskis moderne Pferde darstellt (Y-HT-2), in den beiden ältesten Epochen sehr verbreitet und ist sogar der häufigste vor 2200 v. Chr.. Der Haplotyp Y-HT-1 hingegen, der die heutigen Standards dominiert, wurde erst nach 2200 v. Chr. entdeckt.

Bien que l'age entspricht in etwa dem Beginn der Domestikation (3500 v. Chr.; Abb. 4), aber erst in späteren Perioden wurde dieser Haplotyp häufiger. Die Analysen zeigen eine niedrige Frequenz Y-HT-1 vor 2200 v. Chr. (Abb. S1). Die Uraufführung (">2200 v. Chr.") umfasst jedoch nur Proben aus Europa, wobei die östlichsten Proben auf die Länge des Schwarzen Meeres fallen (Abb. 2).

Die Y-HT-1 könnte daher zu dieser Zeit bei höheren Frequenzen in den Populationen weiter östlich vorhanden gewesen sein. Die Y-HT-1 war bereits in der Eisenzeit (Zeitintervall 3, 900 v. Chr.) der häufigste Haplotyp. Das erste Signal des Haplotyps des modernen heimischen Y-Chromosoms stammt von zwei bronzezeitlichen Proben ähnlichen Alters.

Notamment wurden die beiden Proben in zwei abgelegenen Gebieten gefunden der heutigen Slowakei (2000-1600 v. Chr., archäologisch datiert) und Westsibirien (14C-datiert: 1609-1436 cal. BCE). Bien quasi ein orientalischer Ursprung dieses Haplotyps (14), aber wir können den geographischen Ursprung von Y-HT-1 nicht mit Sicherheit bestimmen, da dieser Haplotyp bisher nicht in prädominierten oder wilden Hengsten gefunden wurde.

i) Y-HT-1 erschien in der einheimischen Population durch Mutation und ii) Y-HT-1 war bereits bei Wildpferden vorhanden und trat entweder zu Beginn der Domestikation (aber zunächst auf asiatische Pferde beschränkt) oder später durch Introgression (von wildem Y-HT-1 mit Spikes während der Eisenzeit) in die einheimische Population ein. Die Croisements zwischen Haustieren und ihren wilden Pendants wurden bei mehreren Haustierarten (15-18) beobachtet die einfachste Erklärung wäre also, dass wir Y-HT-1 in älteren Proben aufgrund der begrenzten geografischen Probenahme verpasst haben.

Die Bronzezeit war eine Zeit großer menschlicher Wanderungen durch Eurasien (20-22), die zweifellos durch die Verbreitung von Pferden als Transport- und Kriegsmittel erleichtert wurden. In dieser Epoche waren die westeurasischen Steppen von hochmobilen Kulturen bewohnt, die stark auf Pferde angewiesen waren (20, 23, 23, 23, 24).

Die allgemeine genetische Vermischung von nord- und mitteleuropäischen Menschen mit Kaukasiern und Osteuropäern wurde mit der Verbreitung der Yamnaya-Kultur der Pontiac-Kaspischen-Steppe (' 25) korreliert, ein Gebiet, das wiederholt als Zentrum der Pferde-Domestikation vorgeschlagen wurde (19, 26, 27). Die Bedeutung von Hauspferden zeigt, dass die bewusste Selektion bzw. Ablehnung einiger Hengste durch diese Personen zum Verlust der väterlichen Vielfalt beigetragen haben könnte.

Die Ausbreitung der Y-HT-1 von Asien nach Europa kann auch auf die Ausbreitung von Menschen außerhalb dieser Regionen zurückzuführen sein. Dieses Szenario entspricht auch den jüngsten Erkenntnissen, dass die geringe männliche Vielfalt der vorhandenen Pferde nicht auf die Rekrutierung einer begrenzten Anzahl von Hengsten während der frühen Domestikation zurückzuführen ist (13).

Für die Beurteilung, ob die beobachteten Veränderungen der Y-Haplotyp-Frequenzen durch Drift erklärt werden können oder ob die Selektion aufgerufen werden soll, wurden mehrere Analysen durchgeführt. Die Méthoden werden seit jeher für die Auswahl von Y-HT-1 (100% positiver Koeffizient; Abb. 4 und Abb. S3) verwendet. Die Wahl hat also offenbar zum Verlust der väterlichen Vielfalt beigetragen.

In diesem Fall wurde auch unsere Modellauswahlanalyse unterstützt, die das Selektionsmodell (Bayes-Faktor = 9,4 × 1011) im Vergleich zu einem reinen Driftmodell überwältigend unterstützte. Mit einem variablen Selektionskoeffizienten, der eine bessere Anpassung der Daten durch Zuordnung verschiedener Koeffizienten zu verschiedenen Perioden ermöglichte, konnten wir feststellen, dass ein einzelner Koeffizient für alle Perioden die beste kombinierte Unterstützung des Akaike Information Criterion (AIC) und des Bayesian Information Criterion (BIC) erhielt (Abb. S4), was darauf hindeutet, dass sich die auf den Y-HT-1 Haplotyp wirkenden selektiven Kräfte im Laufe der Zeit nicht wesentlich änderten.

Außerdem haben wir eine starke Selektion festgestellt, die auch auf andere Haplotypen des Y-Chromosoms wirkt. Bei Y-HT-4 waren die Werte sehr positiv (98,2% der Selektionskoeffizienten waren positiv), bei Y-HT-2 und Y-HT-3 war die Selektion signifikant negativ (100% der negativen Koeffizienten). Nos analysiert, dass Y-HT-2 während der gesamten Probenperiode abnahm, Y-HT-3 zuerst konstant blieb, dann abnahm, Y-HT-4 vor 1500 v. Chr. zunahm und dann an Häufigkeit abnahm und Y-HT-1 fast aggressiv in die Bevölkerung eindrang, bis es fixiert war (Abb. 3).

Das Ensemble, einschließlich der Rotation des Y-HT-4, lässt sich am besten durch eine Auswahl auf Y-HT-4 und eine noch stärkere Auswahl auf Y-HT-1 erklären (Abb. 4). Die Y-HT-1 ersetzte schnell den bereits vorteilhaften Y-HT-4 Haplotyp, seine nächste Linie. Y-HT-4 ist wahrscheinlich älter als Y-HT-1, es scheint möglich, dass der selektive Vorteil von Y-HT-4 in Y-HT-1 beibehalten wurde, das dann seine eigenen zusätzlichen vorteilhaften Mutationen und damit einen noch höheren selektiven Wert erhielt.

Die Haplotypen der jüngeren Generation werden immer stärker selektiert, was eine selektive Eskalation sein kann. Im Rahmen dieses Szenarios haben spezifische Mutationen von Y-HT-1 den positiven Phänotyp von Y-HT-4 weiter verbessert, so dass Y-HT-1 in den Genpool des Hauspferdes eindringen kann. Die Vitesse, mit der Y-HT-1 die Fixierung erreicht hat, unterstützt diese Kletterhypothese.

Die Forschung könnte sich darauf konzentrieren, Gene mit nicht-synonymen Mutationen zu identifizieren, die nur von Y-HT-1 und Y-HT-4 geteilt werden, und ihre phänotypische Ausprägung. Die Karaktereigenschaften können durchaus sichtbar sein, denn es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass neben der Spermatogenese und der männlichen Fruchtbarkeit mehrere physiologische und verhaltensbedingte Merkmale und Krankheiten beim Mann durch Y-Chromosom-Gene reguliert werden (28) solche Merkmale, die mit dem Y-Chromosom assoziiert sind, könnten erklären, wie die frühen Züchter die von ihnen zur Fortpflanzung ausgewählten Hengste ausgewählt haben.

Anhänger der Eisenzeit, als Y-HT-1 seinen dominanten Status erlangte, regierte das Römische Reich Europa und die umliegenden Regionen. Ausgeschlossen von der Möglichkeit, dass Zucht und Zucht mit dem Ende des Römischen Reiches ihre Organisation verloren haben, hätte die Tatsache, dass bereits im frühen Mittelalter Pferde für Y-HT-1 fixiert waren, die Wiedergeburt anderer Haplotypen im Mittelalter verhindert.

Der Haplotyp des Y-Chromosoms, der von den aktuellen Przewalski-Pferden (Y-HT-2) in den ersten Haushengsten und einem europäischen Wildpferd (Pie05 Tabelle S2) getragen wird, könnte das Ergebnis der Introgression der Przewalski-Hengste sein. Die ursprüngliche Verbreitung des Przewalski-Pferdes ist unbekannt, aber wahrscheinlich viel größer als die der mongolischen Reliquienpopulation, die die modernen Przewalski-Pferde hervorbrachte und sich sogar nach Mitteleuropa ausbreiten konnte.

Es ist möglich, dass Przewalski-Pferde ursprünglich domestizierte Pferde waren oder dass Y-HT-2 sowohl bei Przewalski-Pferden als auch bei Wildpferden, die Vorfahren von Hauspferden sind, auf der Grundlage autosomaler DNA-Daten auftrat (30). Das Y-HT-2 ist wie alle Haplotypen außer Y-HT-1 in den nationalen Genpool eingegangen.

Dans notre décolleté war Y-HT-2 bereits zum dritten Mal nicht nachweisbar. Es ist möglich, dass das Y-HT-2 in diesem Zeitraum vorhanden war, jedoch mit einer Häufigkeit von weniger als 0,11 (mit einer Wahrscheinlichkeit von 95%). Die Trajektorien für die Y-HT-2-Frequenzen deuten darauf hin, dass sie dennoch bis ins Mittelalter bei sehr tiefen Frequenzen bestanden haben könnten (Abb. 3).

Auf der Grundlage dieser Simulationen könnte dieser Befund als Relikt der höheren Häufigkeit dieses Haplotyps im heimischen Pferdegenpool interpretiert werden. Es ist möglich, dass das Vorhandensein dieses Haplotyps das Ergebnis der Verpaarung eines wilden Hengstes mit einer Hausstute ist, eine Zuchtpraxis, von der häufig berichtet wurde, als Wildpferde noch weit verbreitet waren.

Ein signifikanter Beitrag des Przewalski-Pferdes zum genetischen Erbe moderner Hauspferde ist jedoch durch aktuelle genomische Studien nahezu ausgeschlossen (13, 32, 31). Die Alter der Proben reichen vom Neolithikum und Kupfer bis ins Mittelalter und wurden entweder durch die 14C Datierung der Proben oder durch ihren archäologischen Kontext bestimmt.

Unabhängige Replikation wurde in einem anderen Labor der Universität Potsdam (Hofreiter-Labor) durchgeführt. Die Oberflächen aller Proben wurden durch Abrieb entfernt, um die Kontamination zu minimieren. Mit einer Kryomill zerkleinert und in 1 ml Extraktionspuffer[0,45 Mio. EDTA, Protéinase K (0,25 mg/ml) (pH 8,0)] über Nacht unter Rotation bei 37°C inkubiert.

Die Bänder werden nach einem für kurze DNA-Fragmente optimierten Extraktionsprotokoll hergestellt (33). Die Ergebnisse wurden auf 16 zuvor veröffentlichte SNP ("12") untersucht, die mit 12 Primerpaaren verstärkt wurden (Tabelle S4). Die PCR-Multiples wurden in 20-?l-Reaktionen mit 4 DNA-Extrakten ?l durchgeführt und enthielten weiterhin 1 AmpliTaq GoldpCR-Tampon II (Applied Biosystems); 4 mg Magnesiumchlorid (MgCl2); bovines Serumalbumin (1 mg/ml);

Die Regionen wurden mit zielspezifischen Primerpaaren verstärkt, die mit gemeinsamen Sequenzen (CS1 und CS2, Fluidigm) markiert wurden. Die PCR-Produkte wurden nach der Multiplex-Amplifikation mit einer Kombination aus Illumina MiSeq-Multiplex-Sequenzierung und traditioneller Sanger-Kapillarelektrophorese sequenziert. Für die Illumina-Sequenzierung wurden die Amplicons mit bis zu 384 Codes (mit Illumina-Adaptersequenzen) in einem zusätzlichen Verstärkungsschritt indiziert und anschließend gruppiert.

Die Bibliotheken der gruppierten und gereinigten Amplikonen wurden dann auf einem Illumina MiniSeq Sequenzer mit CS1 und CS2 und deren invertierten Komplementen als Sequenzierprimer gemäß den Anweisungen des Herstellers sequenziert. Für einige Proben wurden PCR-Produkte mit den gleichen zielspezifischen Primerpaaren generiert und dann mit dem BigDye Terminer v3. 1 Cycle Sequencing Kit (Thermo Fisher Scientific) auf dem ABI 3230xl Genetic Analyzer sequenziert.

Die traditionellen Sanger-Sequenzen wurden in der Genfer Version 8 bearbeitet und ausgerichtet. Die Vorträge von Illumina wurden von der Illumina MiSeq-Software automatisch demultiplext und anschließend mit den folgenden Schritten verarbeitet. In den Vorlesungen wurden die Illumina-Sequenzieradapter mit cutadapt (34) ausgeschnitten und anschließend mit Trimmomatic 0 auf Qualität gefiltert. Die Vorlesungen werden abgelehnt, wenn sie mehr als 8 Basenpaare (bp) mit einem Phred-Wert von weniger als 20 enthalten und nur Messungen mit einer Mindestlänge von 50 bp erlauben.

Die Vorträge über die geraden Enden wurden mit FLASH (36) zu einer einzigen Lesung zusammengeführt, was die Gesamtqualität verbesserte. In den Vorlesungen G72335.1, G72336.1, G72338.1, G72338.1, G72338.1, G72339.1 und AB091794.1 wurden diese Messwerte auf die jeweiligen Zielregionen abgebildet. Die Häufigkeit der SNP-Haplotypen wurde mit dem R-Paket "pegas" v0. 8-1 (39) berechnet.

Die Haplotypen, die über verschiedene Zeiträume erkannt wurden, haben wir mit dem TempNet R-Skript (40) ein heterochrones Parsimonia-Netzwerk aufgebaut. Wir haben die zeitlichen Veränderungen der Haplotyp-Frequenzen in vier Zeitgruppen (vor 2200 v. Chr., 2200-900 v. Chr., 900 v. Chr., 900 v. Chr., 900 v. Chr. und weniger als 400 v. Chr.) mit einem Allel-Frequenz-Zeit-Test (41) getestet.

Die von Wutke et al. (42, 43) berichtete Markov-Kette Monte Carlo sequenzielle Methode (S-MCMC) wurde angewandt, um Selektionskoeffizienten zu schätzen, die historisch auf Y-Chromosomen-Haplotypen bei Pferden eingewirkt haben. Die Nutzung von Simulationen erlaubt Unsicherheiten im Zusammenhang mit dem Radiokohlenstoff- oder stratigraphischen Alter der historischen Proben, Stichprobenfehler, Generationszeit, Populationsgröße und Generationswechsel, die durch ein Wright-Fisher-Modell modelliert wurde (42, 43).

Die Simulationen berücksichtigten nach früheren Arbeiten (8, 9, 19) auch das Wachstum der Pferdepopulation, das mit dem Beginn der Domestikation begann, wie in Studien von Wutke et al (42, 43), aber die tatsächliche Populationsgröße (Ne's) und die Generationszeit wurden aufgrund der begrenzten Informationen in den Daten als Lärmvariablen betrachtet, um sie zu schätzen.

Nachfolgend werden die Selektionskoeffizienten, das Alter des Haplotyps Y-HT-1 und alternativ die Anfangshäufigkeit des Haplotyps (siehe unten) geschätzt. Die Simulationen enthalten zwei alternative Modelle, die sich mit dem Ausgangszustand von Y-HT-1 befassen: (i) es war gezwungen, seit Beginn der simulierten Periode mit einer Frequenz, die ein bestimmtes Kriterium war, anwesend zu sein, oder (ii) es war erlaubt, zu einem bestimmten Zeitpunkt zwischen dem Beginn der simulierten Periode und ihrer ersten Erkennung (das Alter wurde hier zum Parameter) aufzutreten, indem es sein Aussehen durch Mutation emuliert.

Die beiden Modelle wurden anhand von Bayes-Faktoren verglichen. Die Schätzung der Selektionskoeffizienten wurde mit Hilfe der ungefähren Bayes'schen Berechnung (44) und der Trajektorienerhöhungsmethode (45) reproduziert. Die Bedeutung der Selektionskoeffizienten wurde anhand des Anteils positiver oder negativer Werte in der Bayes'schen Seitenzahnstichprobe beurteilt, z.B. konnten >95% der Koeffizienten, die positiv waren, in einem einseitigen Test als "signifikant" interpretiert werden, und das gleiche für die Werte, die negativ waren.

Außerdem wurden Bayes-Faktoren erhalten, um ein Modell ohne Selektion (Änderungen nur durch genetische Drift) und das Modell mit Selektion auf Y-HT-1 zu vergleichen. Ausgehend von den im Laufe der Zeit veränderten selektiven Kräften (46) haben wir eine Modellauswahlanalyse durchgeführt, um die Anzahl der Zeiträume (mit unterschiedlichen Selektionskoeffizienten) auszuwählen, die am besten zu unseren Daten in der S-MCMC-Analyse passen.

Wir haben sechs Behälter mit AIC und BIC getestet. Die temporären Trays wurden unter Berücksichtigung der wichtigsten historischen Altersgruppen und Stichprobengrößen definiert. Darüber hinaus, wenn man bedenkt, dass andere Haplotypen unter Auswahl stehen könnten, reproduzierten wir die Inferenz von S-MCMC in einem multiallelic Modus, in dem Wright-Fisher-Simulationen durch multinomiale statt binomiale Abtastung durchgeführt wurden und mehrere Haplotypen die Auswahl zeigen durften.

Wir bewerten die Anzahl der Haplotypen mit Selektionszeichen mittels AIC und BIC. In diesem Zusammenhang berichteten wir über die Zeitverläufe der Haplotyp-Frequenzen in der Bayes'schen posterioren Probe, um Frequenzveränderungen über die Zeit zu beurteilen. Die Simulationen wurden in der Sprache Fortran unter Verwendung der Microsoft Visual Studio und Intel Parallel Studio Plattform programmiert, unter Verwendung des von Wutke et al (42, 43) gemeldeten Codes, verfügbar unter www.dropbox.com/sh/uns1gsprj7xbbzo/AAAEr4hfya16P5nejpXVVnUfa ? dl=0. Tabelle S1.

Testen von Zeitänderungen der Allelfrequenzen zwischen den vier Zeitintervallen. Réglages der MCMC-Prozedur und der Operatoren, die für die endgültige Ableitung von Selektionskoeffizienten und anderen Parametern verwendet werden. Die Y-HT-1 zeigte bei frühen Hauspferden eine sehr niedrige Allelhäufigkeit. Die Trois-Simulationsansätze stimmen in Bezug auf eine niedrige Anfangsfrequenz Y-HT-1 überein.

Die Analysen unterstützen die Auswahl von Y-HT-1 sehr gut. Ein Auswahlkoeffizient für Y-HT-1 über alle Zeiträume hinweg wurde am häufigsten unterstützt. Die Haplotypen des Y-Chromosoms wurden ausgewählt. D: W. Anthony, Das Pferd, Das Rad und die Sprache : P. Kelekna, Das Pferd in der Menschheitsgeschichte (Cambridge Univ. Press, 2009).

S. Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden Interessen haben.