Kodėl mes mėgstame angliavandenius? Ištakos buvo anksčiau nei žemės ūkis ir galbūt net mūsų atsiskyrimas nuo neandertaliečių

Jau seniai žinoma, kad žmonės turi kelias geno kopijas, kurios leidžia mums pradėti skaidyti sudėtingą angliavandenių krakmolą burnoje, o tai yra pirmasis krakmolingo maisto, pavyzdžiui, duonos ir makaronų, metabolizmo žingsnis. Tačiau mokslininkams buvo labai sunku nustatyti, kaip ir kada šių genų skaičius išsiplėtė.

Dabar naujas tyrimas, kurį vedė Bafalo universitetas ir Džeksono laboratorija (JAX), atskleidžia, kaip šio geno, žinomo kaip seilių amilazės genas (AMY1), dubliavimasis galėjo ne tik padėti formuoti žmogaus prisitaikymą prie krakmolingo maisto. , bet galėjo atsirasti daugiau nei prieš 800 000 metų, gerokai prieš ūkininkavimo atsiradimą.

Pranešta šiandien spalio 17 d. išplėstiniame internetiniame numeryje mokslas, Tyrimas galiausiai parodo, kaip ankstyvas šio geno pasikartojimas sudaro pagrindą plačioms genetinėms variacijoms, kurios tebeegzistuoja ir šiandien, ir turi įtakos žmonių veiksmingumui virškinti krakmolingą maistą.

„Idėja yra ta, kad kuo daugiau amilazės genų turite, tuo daugiau amilazės galite gaminti ir tuo daugiau krakmolo galite efektyviai virškinti”, – sako tyrimo autorius, mokslų daktaras Omeras Gokcumenas, UB Biologijos mokslų katedros profesorius. Menų ir mokslų kolegija.

Mokslininkai aiškina, kad amilazė yra fermentas, kuris ne tik skaido krakmolą į gliukozę, bet ir suteikia duonai skonio.

Gokcumenas ir jo kolegos, įskaitant vyresnįjį autorių Charlesą Lee, profesorių ir Roberto Alvine'o šeimos pirmininką JAX, naudojo optinį genomo kartografavimą ir ilgai skaitytą sekos nustatymą – tai metodologinis proveržis, labai svarbus norint itin detaliai nustatyti AMY1 geno regioną. Tradiciniai trumpo skaitymo sekos nustatymo metodai stengiasi tiksliai atskirti genų kopijas šiame regione dėl jų beveik identiškos sekos. Tačiau ilgai skaityta seka leido Gokcumenui ir Lee įveikti šį iššūkį šiuolaikiniams žmonėms, suteikdami aiškesnį vaizdą apie tai, kaip išsivystė AMY1 dubliavimas.

Senovės medžiotojai-rinkėjai ir net neandertaliečiai jau turėjo keletą AMY1 kopijų

Analizuodama 68 senovės žmonių genomus, įskaitant 45 000 metų senumo mėginį iš Sibiro, tyrėjų komanda nustatė, kad iki žemės ūkio medžiotojai-rinkėjai jau turėjo vidutiniškai nuo keturių iki aštuonių AMY1 kopijų vienoje diploidinėje ląstelėje, o tai rodo, kad žmonės jau vaikšto. aplink Euraziją su dideliu AMY1 kopijų skaičiumi, dar prieš pradedant prijaukinti augalus ir valgyti perteklinį krakmolo kiekį.

Tyrimas taip pat parodė, kad AMY1 genų dubliavimasis įvyko neandertaliečių ir denisovanų tarpe.

„Tai rodo, kad AMY1 genas pirmą kartą galėjo dubliuotis daugiau nei prieš 800 000 metų, gerokai anksčiau nei žmonės atsiskyrė nuo neandertaliečių ir daug toliau, nei manyta anksčiau“, – sako Kwondo Kimas, vienas iš šio tyrimo autorių iš JAX Lee laboratorijos. .

„Pradiniai mūsų genomų dubliavimai padėjo pagrindą dideliems amilazės regiono skirtumams, o tai leido žmonėms prisitaikyti prie besikeičiančios dietos, nes krakmolo suvartojimas smarkiai išaugo atsiradus naujoms technologijoms ir gyvenimo būdui“, – priduria Gokcumen.

Genetinės variacijos sėklos

Pradinis AMY1 dubliavimas buvo tarsi pirmasis tvenkinio bangavimas, sukuriantis genetinę galimybę, kuri vėliau suformavo mūsų rūšį. Kadangi žmonės plinta įvairiose aplinkose, AMY1 kopijų skaičiaus lankstumas suteikė pranašumą prisitaikant prie naujų dietų, ypač tų, kuriose gausu krakmolo.

„Po pradinio dubliavimo, dėl kurio ląstelėje susidarė trys AMY1 kopijos, amilazės lokusas tapo nestabilus ir pradėjo kurti naujus variantus“, – sako Charikleia Karageorgiou, viena iš pagrindinių UB tyrimo autorių. „Iš trijų AMY1 kopijų galite gauti iki devynių kopijų arba netgi grįžti prie vienos kopijos vienoje haploidinėje ląstelėje.

Sudėtingas ūkininkavimo palikimas

Tyrimas taip pat pabrėžia, kaip žemės ūkis paveikė AMY1 pokyčius. Nors ankstyvieji medžiotojai-rinkėjai turėjo keletą genų kopijų, Europos ūkininkai pastebėjo, kad per pastaruosius 4000 metų vidutiniškai išaugo AMY1 kopijų skaičius, greičiausiai dėl jų dietos, kurioje gausu krakmolo. Ankstesni Gokcumen tyrimai parodė, kad prijaukinti gyvūnai, gyvenantys kartu su žmonėmis, pavyzdžiui, šunys ir kiaulės, taip pat turi didesnį amilazės geno kopijų skaičių, palyginti su gyvūnais, kurie nepriklauso nuo daug krakmolo turinčių dietų.

„Tikėtina, kad asmenys, turintys didesnį AMY1 kopijų skaičių, efektyviau virškindavo krakmolą ir susilaukdavo daugiau palikuonių“, – sako Gokcumenas. „Jų giminės galiausiai per ilgą evoliucijos laikotarpį sekėsi geriau nei tų, kurių kopijų skaičius buvo mažesnis, todėl daugėjo AMY1 kopijos“.

Išvados buvo pagrįstos Kalifornijos universiteto Berklio vadovaujamu tyrimu, kuris buvo paskelbtas praėjusį mėnesį žurnale „Nature“, kuriame nustatyta, kad per pastaruosius 12 000 metų Europos žmonių vidutinis AMY1 kopijų skaičius padidėjo nuo keturių iki septynių.

„Atsižvelgiant į pagrindinį AMY1 kopijų skaičiaus kitimo vaidmenį žmogaus evoliucijoje, ši genetinė variacija suteikia puikią galimybę ištirti jo poveikį medžiagų apykaitos sveikatai ir atskleisti mechanizmus, susijusius su krakmolo virškinimu ir gliukozės metabolizmu“, – sako asocijuotas skaičiavimo mokslininkas Feyza Yilmaz. JAX ir pagrindinis tyrimo autorius. „Būsimi tyrimai gali atskleisti tikslų jo poveikį ir atrankos laiką, suteikiant svarbių įžvalgų apie genetiką, mitybą ir sveikatą.”

Kiti UB autoriai tyrime yra doktorantai Petar Pajic ir Kendra Scheer.

Tyrimas buvo atliktas bendradarbiaujant su Konektikuto universiteto sveikatos centru ir jį palaikė Nacionalinis mokslo fondas ir Nacionalinis žmogaus genomo tyrimų institutas, Nacionaliniai sveikatos institutai.