Как земледелие помогло людям эволюционировать для получения большей энергии из углеводов

Некоторые человеческие популяции приобрели дополнительные гены, помогающие расщеплять крахмал, всего за 12 000 лет.

Нашему организму абсолютно необходимы углеводы для получения энергии. Это вопрос выживания . Настолько, что некоторые человеческие популяции за последние 12 000 лет фактически увеличили количество генов , помогающих расщеплять крахмал и сахара. За это время у европейцев количество генов, расщепляющих крахмал, увеличилось со среднего показателя в восемь до более чем одиннадцати. 

Адаптация отражает переход от образа жизни охотников-собирателей к более земледельческому , поскольку земледелие распространилось по Европе из Ближнего Востока. В рационе человека резко возросло количество продуктов с высоким содержанием углеводов, таких как пшеница , и способность эффективно усваивать всю эту энергию оказалась выгодной. Результаты подробно изложены в исследовании, опубликованном 4 сентября в журнале Nature .

Некоторые из примерно 19 900 известных генов в геноме человека способны создавать специфические белки, кодируемые этими генами, называемые ферментами . Ферменты выполняют множество функций, и амилаза — это тот фермент, который помогает организму расщеплять углеводы. Амилаза вырабатывается в слюне и поджелудочной железе для переваривания крахмала до сахара, который питает организм. 

«Если взять кусочек сухой пасты и положить его в рот, со временем он станет немного сладким», — заявил в своем сообщении соавтор исследования и биолог из Калифорнийского университета в Беркли Питер Судмант . «Это фермент слюнной амилазы расщепляет крахмал на сахара. Это происходит у всех людей, а также у других приматов».

Наличие большего количества копий гена обычно означает, что организм имеет более высокий уровень белков, которые этот ген кодирует для определенных ферментов . Геномы бонобо, шимпанзе и неандертальцев содержат одну копию гена AMY1 . Этот ген на хромосоме 1 кодирует слюнную амилазу. В их геномах также присутствует одна копия двух генов панкреатической амилазы, AMY2A и AMY2B . Все три этих гена расположены близко друг к другу в области генома приматов, которую ученые называют локусом амилазы . Однако геномы человека несколько отличаются. 

«Наше исследование показало, что каждая копия генома человека содержит от одной до одиннадцати копий гена AMY1, от нуля до трех копий гена AMY2A и от одной до четырех копий гена AMY2B», — заявил в своем заявлении соавтор исследования и научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли Руньянг Николас Лу . «Количество копий коррелирует с экспрессией генов и уровнем белка, а следовательно, и со способностью переваривать крахмал».

С помощью генетического анализа команда обнаружила, что около 12 000 лет назад у людей по всей Европе в среднем было четыре копии гена слюнной амилазы. Со временем это число увеличилось примерно до семи. Общее количество копий двух генов панкреатической амилазы также увеличилось в среднем на половину гена. Это увеличение количества генов, кодирующих углеводы, предполагает, что наличие хромосом с несколькими копиями генов амилазы дает значительное преимущество в выживании . 

Важно отметить, что команда исследователей также обнаружила свидетельства увеличения количества генов амилазы в других сельскохозяйственных популяциях по всему миру . Область хромосом, где расположены эти гены амилазы, также выглядит одинаково во всех этих популяциях, независимо от того, какое крахмалистое растение было одомашнено в той или иной культуре. 

По мнению исследовательской группы , это демонстрирует, что по мере развития сельского хозяйства в разных странах мира, оно, по-видимому, быстро изменяло геном человека невероятно похожим образом, чтобы использовать возросший доступ к углеводам в своих интересах. Скорость эволюции, приводящая к изменениям числа копий гена амилазы, была примерно в 10 000 раз выше, чем скорость изменений отдельных пар оснований ДНК в геноме человека.

«Долгое время существовала гипотеза о том, что количество копий генов амилазы увеличилось у европейцев с момента зарождения земледелия, но раньше нам никогда не удавалось полностью секвенировать этот локус. Он чрезвычайно повторяющийся и сложный», — сказал Судмант. «Теперь мы, наконец, можем полностью зафиксировать эти структурно сложные регионы и, таким образом, исследовать историю отбора в этом регионе, сроки эволюции и разнообразие в популяциях по всему миру. Теперь мы можем начать думать о связи с заболеваниями человека».

Одна из предполагаемых связей связана с кариесом . Некоторые более ранние исследования показывают, что большее количество копий гена AMY1 связано с более частым возникновением кариеса. Это может быть связано с тем, что слюна лучше преобразует крахмал в пережеванной пище в сахар, который служит пищей для бактерий, разрушающих зубы .  

В исследовании также использовался метод генетического секвенирования, называемый секвенированием длинных прочтений . Это позволяет ученым считывать последовательности ДНК длиной в тысячи пар оснований, чтобы точно определить местоположение повторяющихся участков.  

На момент проведения исследования Консорциум по изучению пангенома человека (HPRC) собрал последовательности длинных прочтений 94 гаплоидных геномов человека. Команда использовала эти геномы для оценки разнообразия современных регионов амилазы. Затем они оценили тот же регион в 519 древних европейских геномах. Использование геномов из HPRC — так называемого пангенома — позволило получить более полную эталонную последовательность, которая более точно отражает разнообразие человечества.

Джоана Роча, соавтор исследования и научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли, сравнила область, где группируются гены амилазы , со «скульптурами, сделанными из разных кубиков Lego. Это гаплотиповые структуры. В предыдущих работах приходилось сначала демонтировать скульптуру и на основе груды кубиков делать выводы о том, как она могла выглядеть. Методы секвенирования длинных прочтений и пангеномики теперь позволяют нам непосредственно изучать скульптуру и, таким образом, предоставляют нам беспрецедентные возможности для изучения эволюционной истории и селективного воздействия различных гаплотиповых структур».

Ученые могут использовать секвенирование длинных прочтений для изучения других областей генома, включая те, которые участвуют в работе нашей иммунной системы, пигментации кожи и выработке слизи . Все эти участки подверглись быстрой дупликации генов в недавней истории человечества.

«Одно из самых интересных достижений нашего исследования — изучение как современных, так и древних геномов для анализа истории структурной эволюции в этом локусе», — заявил в своем сообщении соавтор исследования и специалист по вычислительной биологии из Медицинского научного центра Университета Теннесси Эрик Гаррисон. 

Эти методы также можно применять к другим видам, особенно к тем, которые часто находятся рядом с людьми . У собак, свиней, крыс и мышей больше копий гена амилазы, чем у их более диких сородичей, вероятно, для того, чтобы использовать в пищу объедки и мусор, которые мы едим .

Laura Baisas “How farming helped humans evolve to get more energy from carbs”

Перевод статьи «How farming helped humans evolve to get more energy from carbs» автора Laura Baisas, оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык

Фото: С распространением земледелия значительно увеличилось количество в рационе человека продуктов с высоким содержанием углеводов, таких как пшеница. Источник: Deposit Photos