Lighter variations of pigmentation in humans are associated with diminished number, size, and density of melanosomes, the pigmented organelles of melanocytes. Here we show that zebrafish golden mutants share these melanosomal changes and that golden encodes a putative cation exchanger slc24a5 (nckx5) that localizes to an intracellular membrane, likely the melanosome or its precursor. The human ortholog is highly similar in sequence and functional in zebrafish. The evolutionarily conserved ancestral allele of a human coding polymorphism predominates in African and East Asian populations. In contrast, the variant allele is nearly fixed in European populations, is associated with a substantial reduction in regional heterozygosity, and correlates with lighter skin pigmentation in admixed populations, suggesting a key role for the SLC24A5 gene in human pigmentation.

Identifying genomic regions that have been targets of natural selection remains one of the most important and challenging areas of research in genetics. To this end, we report an analysis of 26,530 single nucleotide polymorphisms (SNPs) with allele frequencies that were determined in three populations. Specifically, we calculated a measure of genetic differentiation, F(ST), for each locus and examined its distribution at the level of the genome, the chromosome, and individual genes. Through a variety of analyses, we have found statistically significant evidence supporting the hypothesis that selection has influenced extant patterns of human genetic variation. Importantly, by contrasting the F(ST) of individual SNPs to the empirical genome-wide distribution of F(ST), our results are not confounded by tenuous assumptions of population demographic history. Furthermore, we have identified 174 candidate genes with distribution of genetic variation that indicates that they have been targets of selection. Our work provides a first generation natural selection map of the human genome and provides compelling evidence that selection has shaped extant patterns of human genomic variation.

SummaryWe analyzed the European genetic contribution to 10 populations of African descent in the United States (Maywood, Illinois; Detroit; New York; Philadelphia; Pittsburgh; Baltimore; Charleston, South Carolina; New Orleans; and Houston) and in Jamaica, using nine autosomal DNA markers. These markers either are population-specific or show frequency differences >45% between the parental populations and are thus especially informative for admixture. European genetic ancestry ranged from 6.8% (Jamaica) to 22.5% (New Orleans). The unique utility of these markers is reflected in the low variance associated with these admixture estimates (SEM 1.3%–2.7%). We also estimated the male and female European contribution to African Americans, on the basis of informative mtDNA (haplogroups H and L) and Y Alu polymorphic markers. Results indicate a sex-biased gene flow from Europeans, the male contribution being substantially greater than the female contribution. mtDNA haplogroups analysis shows no evidence of a significant maternal Amerindian contribution to any of the 10 populations. We detected significant nonrandom association between two markers located 22 cM apart (FY-null and AT3), most likely due to admixture linkage disequilibrium created in the interbreeding of the two parental populations. The strength of this association and the substantial genetic distance between FY and AT3 emphasize the importance of admixed populations as a useful resource for mapping traits with different prevalence in two parental populations. We analyzed the European genetic contribution to 10 populations of African descent in the United States (Maywood, Illinois; Detroit; New York; Philadelphia; Pittsburgh; Baltimore; Charleston, South Carolina; New Orleans; and Houston) and in Jamaica, using nine autosomal DNA markers. These markers either are population-specific or show frequency differences >45% between the parental populations and are thus especially informative for admixture. European genetic ancestry ranged from 6.8% (Jamaica) to 22.5% (New Orleans). The unique utility of these markers is reflected in the low variance associated with these admixture estimates (SEM 1.3%–2.7%). We also estimated the male and female European contribution to African Americans, on the basis of informative mtDNA (haplogroups H and L) and Y Alu polymorphic markers. Results indicate a sex-biased gene flow from Europeans, the male contribution being substantially greater than the female contribution. mtDNA haplogroups analysis shows no evidence of a significant maternal Amerindian contribution to any of the 10 populations. We detected significant nonrandom association between two markers located 22 cM apart (FY-null and AT3), most likely due to admixture linkage disequilibrium created in the interbreeding of the two parental populations. The strength of this association and the substantial genetic distance between FY and AT3 emphasize the importance of admixed populations as a useful resource for mapping traits with different prevalence in two parental populations.

High-altitude hypoxia (reduced inspired oxygen tension due to decreased barometric pressure) exerts severe physiological stress on the human body. Two high-altitude regions where humans have lived for millennia are the Andean Altiplano and the Tibetan Plateau. Populations living in these regions exhibit unique circulatory, respiratory, and hematological adaptations to life at high altitude. Although these responses have been well characterized physiologically, their underlying genetic basis remains unknown. We performed a genome scan to identify genes showing evidence of adaptation to hypoxia. We looked across each chromosome to identify genomic regions with previously unknown function with respect to altitude phenotypes. In addition, groups of genes functioning in oxygen metabolism and sensing were examined to test the hypothesis that particular pathways have been involved in genetic adaptation to altitude. Applying four population genetic statistics commonly used for detecting signatures of natural selection, we identified selection-nominated candidate genes and gene regions in these two populations (Andeans and Tibetans) separately. The Tibetan and Andean patterns of genetic adaptation are largely distinct from one another, with both populations showing evidence of positive natural selection in different genes or gene regions. Interestingly, one gene previously known to be important in cellular oxygen sensing, EGLN1 (also known as PHD2), shows evidence of positive selection in both Tibetans and Andeans. However, the pattern of variation for this gene differs between the two populations. Our results indicate that several key HIF-regulatory and targeted genes are responsible for adaptation to high altitude in Andeans and Tibetans, and several different chromosomal regions are implicated in the putative response to selection. These data suggest a genetic role in high-altitude adaption and provide a basis for future genotype/phenotype association studies necessary to confirm the role of selection-nominated candidate genes and gene regions in adaptation to altitude.

Genetic variation at 20 microsatellite loci was surveyed to determine the evolutionary relationships and molecular biogeography of 20 different cattle populations from Africa, Europe and Asia. Phylogenetic reconstruction and multivariate analysis highlighted a marked distinction between humpless (taurine) and humped (zebu) cattle, providing strong support for a separate origin for domesticated zebu cattle. A molecular clock calculation using bison (Bison sp.) as an outgroup gave an estimated divergence time between the two subspecies of 610,000-850,000 years. Substantial differences in the distribution of alleles at 10 of these loci were observed between zebu and taurine cattle. These markers subsequently proved very useful for investigations of gene flow and admixture in African populations. When these data were considered in conjunction with previous mitochondrial and Y chromosomal studies, a distinctive male-mediated pattern of zebu genetic introgression was revealed. The introgression of zebu-specific alleles in African cattle afforded a high resolution perspective on the hybrid nature of African cattle populations and also suggested that certain West African populations of valuable disease-tolerant taurine cattle are under threat of genetic absorption by migrating zebu herds.

Identifying regions of the human genome that have been targets of natural selection will provide important insights into human evolutionary history and may facilitate the identification of complex disease genes. Although the signature that natural selection imparts on DNA sequence variation is difficult to disentangle from the effects of neutral processes such as population demographic history, selective and demographic forces can be distinguished by analyzing multiple loci dispersed throughout the genome. We studied the molecular evolution of 132 genes by comprehensively resequencing them in 24 African-Americans and 23 European-Americans. We developed a rigorous computational approach for taking into account multiple hypothesis tests and demographic history and found that while many apparent selective events can instead be explained by demography, there is also strong evidence for positive or balancing selection at eight genes in the European-American population, but none in the African-American population. Our results suggest that the migration of modern humans out of Africa into new environments was accompanied by genetic adaptations to emergent selective forces. In addition, a region containing four contiguous genes on Chromosome 7 showed striking evidence of a recent selective sweep in European-Americans. More generally, our results have important implications for mapping genes underlying complex human diseases.

To control for hidden population stratification in genetic-association studies, statistical methods that use marker genotype data to infer population structure have been proposed as a possible alternative to family-based designs. In principle, it is possible to infer population structure from associations between marker loci and from associations of markers with the trait, even when no information about the demographic background of the population is available. In a model in which the total population is formed by admixture between two or more subpopulations, confounding can be estimated and controlled. Current implementations of this approach have limitations, the most serious of which is that they do not allow for uncertainty in estimations of individual admixture proportions or for lack of identifiability of subpopulations in the model. We describe methods that overcome these limitations by a combination of Bayesian and classical approaches, and we demonstrate the methods by using data from three admixed populations—African American, African Caribbean, and Hispanic American—in which there is extreme confounding of trait-genotype associations because the trait under study (skin pigmentation) varies with admixture proportions. In these data sets, as many as one-third of marker loci show crude associations with the trait. Control for confounding by population stratification eliminates these associations, except at loci that are linked to candidate genes for the trait. With only 32 markers informative for ancestry, the efficiency of the analysis is ∼70%. These methods can deal with both confounding and selection bias in genetic-association studies, making family-based designs unnecessary. To control for hidden population stratification in genetic-association studies, statistical methods that use marker genotype data to infer population structure have been proposed as a possible alternative to family-based designs. In principle, it is possible to infer population structure from associations between marker loci and from associations of markers with the trait, even when no information about the demographic background of the population is available. In a model in which the total population is formed by admixture between two or more subpopulations, confounding can be estimated and controlled. Current implementations of this approach have limitations, the most serious of which is that they do not allow for uncertainty in estimations of individual admixture proportions or for lack of identifiability of subpopulations in the model. We describe methods that overcome these limitations by a combination of Bayesian and classical approaches, and we demonstrate the methods by using data from three admixed populations—African American, African Caribbean, and Hispanic American—in which there is extreme confounding of trait-genotype associations because the trait under study (skin pigmentation) varies with admixture proportions. In these data sets, as many as one-third of marker loci show crude associations with the trait. Control for confounding by population stratification eliminates these associations, except at loci that are linked to candidate genes for the trait. With only 32 markers informative for ancestry, the efficiency of the analysis is ∼70%. These methods can deal with both confounding and selection bias in genetic-association studies, making family-based designs unnecessary.

Human skin pigmentation shows a strong positive correlation with ultraviolet radiation intensity, suggesting that variation in skin color is, at least partially, due to adaptation via natural selection. We investigated the evolution of pigmentation variation by testing for the presence of positive directional selection in 6 pigmentation genes using an empirical F(ST) approach, through an examination of global diversity patterns of these genes in the Centre d'Etude du Polymorphisme Humain (CEPH)-Diversity Panel, and by exploring signatures of selection in data from the International HapMap project. Additionally, we demonstrated a role for MATP in determining normal skin pigmentation variation using admixture mapping methods. Taken together (with the results of previous admixture mapping studies), these results point to the importance of several genes in shaping the pigmentation phenotype and a complex evolutionary history involving strong selection. Polymorphisms in 2 genes, ASIP and OCA2, may play a shared role in shaping light and dark pigmentation across the globe, whereas SLC24A5, MATP, and TYR have a predominant role in the evolution of light skin in Europeans but not in East Asians. These findings support a case for the recent convergent evolution of a lighter pigmentation phenotype in Europeans and East Asians.

Dramatic pigmentation changes have evolved within most vertebrate groups, including fish and humans. Here we use genetic crosses in sticklebacks to investigate the parallel origin of pigmentation changes in natural populations. High-resolution mapping and expression experiments show that light gills and light ventrums map to a divergent regulatory allele of the Kit ligand (Kitlg) gene. The divergent allele reduces expression in gill and skin tissue and is shared by multiple derived freshwater populations with reduced pigmentation. In humans, Europeans and East Asians also share derived alleles at the KITLG locus. Strong signatures of selection map to regulatory regions surrounding the gene, and admixture mapping shows that the KITLG genomic region has a significant effect on human skin color. These experiments suggest that regulatory changes in Kitlg contribute to natural variation in vertebrate pigmentation, and that similar genetic mechanisms may underlie rapid evolutionary change in fish and humans.