Почему мы любим углеводы? Истоки предшествуют земледелию и, возможно, даже нашему разделению с неандертальцами

Если вам когда-либо было трудно сократить потребление углеводов, в этом может быть виновата древняя ДНК. Давно известно, что люди несут несколько копий гена, который позволяет нам начинать расщеплять сложный углеводный крахмал уже во рту, что является первым шагом в метаболизме крахмалистой пищи, такой как хлеб и макароны.

Однако исследователям было крайне сложно определить, как и когда количество этих генов увеличилось.

Новое исследование под руководством Университета Буффало (UB) и Лаборатории Джексона (JAX) показывает, как ранние дупликации этого гена заложили основу для широкого генетического разнообразия, которое существует до сих пор и влияет на то, насколько эффективно люди переваривают крахмалистую пищу.

Результаты исследования, опубликованные в онлайн-выпуске журнала Science от 17 октября, показывают, что дупликация этого гена — известного как ген слюнной амилазы (AMY1) — могла не только помочь сформировать адаптацию человека к крахмалистой пище, но и произойти еще более 800 000 лет назад, задолго до появления земледелия.

«Идея в том, что чем больше у вас генов амилазы, тем больше амилазы вы можете производить и тем эффективнее можете переваривать крахмал», — сказал автор-корреспондент исследования Омер Гокчумен, профессор кафедры биологических наук UB. Амилаза — это фермент, который не только расщепляет крахмал до глюкозы, но и придает хлебу его вкус.

Гокчумен и его коллеги, включая соавтора Чарльза Ли из JAX, использовали оптическое картирование генома и секвенирование длинными ридами — методологический прорыв, позволивший с необычайной детализацией картировать регион гена AMY1.

Традиционные методы короткого секвенирования плохо справляются с точным различением копий генов в этом регионе из-за их почти идентичной последовательности. Однако длинное секвенирование позволило Гокчумену и Ли преодолеть эту проблему у современных людей, дав более четкую картину эволюции дупликаций AMY1.

Древние охотники-собиратели и даже неандертальцы уже имели несколько копий AMY1

Проанализировав геномы 68 древних людей, включая образец из Сибири возрастом 45 000 лет, исследовательская группа обнаружила, что у доаграрных охотников-собирателей уже было в среднем от четырех до восьми копий AMY1 на диплоидную клетку. Это говорит о том, что люди уже ходили по Евразии с широким разнообразием высоких чисел копий AMY1 задолго до того, как начали одомашнивать растения и есть избыточное количество крахмала.

Исследование также показало, что дупликации гена AMY1 происходили у неандертальцев и денисовцев. «Это позволяет предположить, что ген AMY1 мог впервые дуплицироваться более 800 000 лет назад, задолго до разделения людей и неандертальцев и намного раньше, чем считалось ранее», — сказал Квондо Ким, один из ведущих авторов исследования из лаборатории Ли в JAX.

«Первоначальные дупликации в наших геномах заложили основу для значительной вариативности в регионе амилазы, позволив людям адаптироваться к меняющимся диетам по мере того, как потребление крахмала резко возросло с появлением новых технологий и образа жизни», — сказал Гокчумен.

Зародыши генетической вариативности

Первоначальная дупликация AMY1 была подобна первому кругу на воде, создав генетическую возможность, которая впоследствии сформировала наш вид. По мере расселения людей по разным средам гибкость в количестве копий AMY1 давала преимущество для адаптации к новым диетам, особенно богатым крахмалом.

«После первоначальной дупликации, приведшей к трем копиям AMY1 в клетке, локус амилазы стал нестабильным и начал создавать новые вариации, — сказала Хариклея Карагеоргиу, один из ведущих авторов исследования в UB. — От трех копий AMY1 можно дойти до девяти копий или даже вернуться к одной копии на гаплоидную клетку».

Сложное наследие земледелия

Исследование также подчеркивает, как земледелие повлияло на вариативность AMY1. В то время как у ранних охотников-собирателей было несколько копий гена, у европейских земледельцев за последние 4000 лет наблюдался всплеск среднего числа копий AMY1, вероятно, из-за их богатой крахмалом диеты. Предыдущие исследования Гокчумена показали, что одомашненные животные, живущие рядом с людьми, такие как собаки и свиньи, также имеют большее число копий AMY1 по сравнению с животными, не зависящими от крахмалистой диеты.

«Особи с большим числом копий AMY1, вероятно, переваривали крахмал более эффективно и имели больше потомства, — сказал Гокчумен. — Их линии в конечном итоге преуспели в долгосрочной эволюционной перспективе лучше, чем линии с меньшим числом копий, распространяя это число копий AMY1».

Эти выводы согласуются с исследованием под руководством Калифорнийского университета в Беркли, опубликованным в сентябре 2024 года в журнале Nature, которое показало, что у людей в Европе среднее число копий AMY1 увеличилось с четырех до семи за последние 12 000 лет.

«Учитывая ключевую роль вариаций числа копий AMY1 в эволюции человека, эта генетическая вариативность представляет собой захватывающую возможность изучить ее влияние на метаболическое здоровье и раскрыть механизмы, участвующие в переваривании крахмала и метаболизме глюкозы», — сказала Фейза Йылмаз, ассоциированный вычислительный ученый в JAX и ведущий автор исследования.

«Будущие исследования могут раскрыть его точные эффекты и сроки отбора, предоставив важную информацию о генетике, питании и здоровье».