Эволюция человека от охотника до земледельца изменила гены ферментов, расщепляющих углеводы

Изменение рациона человека в ходе эволюции повлияло на его геном. Авторы статьи в Nature описывают, каким образом человечество приобрело способность переваривать углеводы при переходе от охоты и собирательства к земледелию.

Credit:
123rf.com

Питание служит значимым фактором естественного отбора. Например, способность переваривать молоко во взрослом возрасте появилась у нашего вида не так давно — около 10 тысяч лет назад, после того, как человек обзавелся молочным скотом. А 12 тысяч лет назад, благодаря переходу части людей от охотников-собирателей к земледелию, появились гены, кодирующие ферменты альфа-амилазы, облегчающие переваривание крахмала.

Геном приматов содержит три гена амилазы, расположенных рядом друг с другом в одном локусе: AMY1 (экспрессируется исключительно в слюнных железах, продукт — слюнная амилаза), а также AMY2A и AMY2B (экспрессируются исключительно в поджелудочной железе, продукт — панкреатическая амилаза). У шимпанзе, бонобо и неандертальца в геноме имеется по одной копии каждого из трех генов. А вот у человека локус амилазы имеет массу вариаций, в том числе и по количеству копий генов, входящих в него: от 1 до 11 копий AMY1, от 0 до 3 копий AMY2A и от 1 до 4 копий AMY2B. Чем больше копий, тем выше экспрессия генов и уровень выработки амилазы, а значит выше и способность переваривать крахмал. Действительно, анализ семи человеческих популяций показал, что в сообществах с высоким потреблением крахмала повышено и число копий гена AMY1.

Международный исследовательский коллектив воспользовался данными секвенирования с длинными прочтениями (секвенирование третьего поколения) в рамках Консорциума референсного пангенома человека (HPRC), чтобы выявить вариации генов в локусе амилазы, влияние дупликаций на работу генов, а также проследить историю их эволюционных изменений.

Ученые скомпилировали 4292 современных генома и оценили количество копий генов в диплоидных наборах в 147 человеческих популяциях. Оказалось, что количество копий гена AMY1 колеблется от 2 до 20 и выше всего в популяциях с океанических, восточноазиатских и южноазиатских субконтинентов. Для гена AMY2A (0–6 копий) самое высокое среднее количество копий отмечалось для африканских популяций, за пределами которых чаще происходила делеция гена. Дупликации гена AMY2B (2–7 копий) не встречались в центральноазиатских/сибирских, восточноазиатских и океанических популяциях.

Исследователи сравнили геном 382 человек из 33 различных популяций с преобладанием определенного типа промысла: охотники-собиратели, земледельцы, рыболовы или скотоводы. Оказалось, что число копий всех трех генов амилазы было выше в популяциях земледельцев; более всего разница была выражена для гена AMY1.

По результатам анализа, гаплотип амилазы из человеческого референсного генома (GRCh38) состоит из нескольких длинных и почти идентичных участков дупликации размером порядка 200 кб. На основе 94 гаплотипов амилазы из полученных геномных сборок исследователи построили пангеномный граф — математическую модель, учитывающую генетические вариации в локусе амилазы, и выявили 28 уникальных структурных гаплотипов в локусе амилазы, из которых ранее были секвенированы и описаны только 2 (гаплотипы референсного генома шимпанзе и человека). Оказалось, что структурно вариабельная область локуса амилазы охватывает все три гена, начиная с AMY2B и заканчивая AMY1, и имеет примерный размер от 95 до 471 кб.

Исследователи проанализировали однонуклеотидные полиморфизмы (SNP) в гаплотипах и построили эволюционное древо, с помощью которого можно было отслеживать и датировать появление отдельных структур генов амилазы. Оказалось, что все структурные гаплотипы амилазы у современных людей произошли от одного гаплотипа примерно 279 тыс. лет назад, то есть первая дупликация предкового гаплотипа произошла задолго до экспансии человека из Африки. Ученым удалось идентифицировать 26 уникальных дупликаций гена AMY1 и 24 делеции, что соответствует частоте мутаций на поколение (λ) 2,09 × 10−4. Ген AMY2A менялся реже, для него ученые насчитали шесть дупликаций и две делеции (λ = 3,07 × 10−5), последняя дупликация случилась 9,4 тыс. лет назад. Для гена AMY2B выявлены только две дупликации (46–107,8 тыс.лет назад и 4,1–19,5 тыс. лет назад) и между ними произошла одна делеция (26,9–46 тыс. лет назад) (λ = 7,36 × 10−6). То есть, некоторые из структур возникали и исчезали несколько раз. Такая «повторяющаяся эволюция» позволяет объяснить, почему не удавалось выстроить схему влияния естественного отбора при использовании метода картирования коротких прочтений.

Расчеты показали, что скорость эволюции локуса амилазы, приводящая к увеличению числа копий гена амилазы, в 10 тыс. раз выше, чем скорость эволюции одной пары оснований ДНК в человеческом геноме.

Полученные данные использовали при анализе 533 геномов, полученных из древних человеческих останков, возраст которых составлял от 12 тысяч до 250 лет, обнаруженных на территории Западной Евразии. Согласно полученным данным, общее число копий гена AMY1 увеличилось в среднем примерно на 2,9 копий за этот период времени, а число копий генов AMY2A и AMY2B увеличились в среднем на 0,4 и 0,1 копии соответственно. В целом за последние 12 тысяч лет хромосомы с несколькими копиями генов амилазы стали встречаться в 7 раз чаще, чем у неандертальцев и шимпанзе, что обеспечило человеку преимущество в плане выживания, и произошло это после того, как обитатели Западной Евразии перешли к активному земледелию.

Сходные выводы для генов амилазы были получены при анализе других популяций по всему миру, питание которых связано с развитием земледелия. То есть, изменения человеческого генома в плане развития способности переваривать углеводы шли по одному и тому же пути в разных регионах.

По данным ранее проведенных исследований, увеличение числа копий AMY1 также связано с повышением риска развития кариеса, так как амилаза в слюне делает глюкозу в ротовой полости более доступной для кариесных бактерий. Ученые в этом случае говорят о возможном эволюционном компромиссе. Кроме того, увеличение числа копий гена амилазы выявлено также у животных, обитающих рядом с людьми — у собак, свиней, крыс и мышей, по сравнению с их дикими предками.

Источник

Bolognini D. et al. Recurrent evolution and selection shape structural diversity at the amylase locus // Nature. 04 September 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07911-1

Добавить в избранное