Распространение земледелия ускорило эволюцию генома человека для усвоения крахмала
За последние 12 000 лет у жителей Европы резко возросла способность переваривать углеводы. Количество генов, кодирующих ферменты для расщепления крахмала, увеличилось в среднем с восьми до более чем одиннадцати. Это показало новое исследование учёных из США, Италии и Великобритании.
Рост числа копий этих генов совпадает с распространением земледелия из Ближнего Востока по Европе и связанным с этим переходом на богатую углеводами диету, включающую пшеницу и другие злаки. Большее число копий гена обычно означает более высокий уровень белка, который он кодирует, — в данном случае фермента амилазы. Этот фермент вырабатывается в слюне и поджелудочной железе и расщепляет крахмал до сахаров.
Исследование, опубликованное 4 сентября в журнале Nature, также предлагает новый метод для выявления причин заболеваний, связанных с генами, имеющими множественные копии в геноме человека, такими как гены амилазы.
Эволюционное преимущество множественных копий генов амилазы
Геномы шимпанзе, бонобо и неандертальцев содержат по одной копии гена слюнной амилазы AMY1 на хромосоме 1. То же верно для двух генов панкреатической амилазы, AMY2A и AMY2B. Эти три гена расположены близко друг к другу в области генома приматов, известной как локус амилазы.
Однако человеческие геномы содержат сильно различающееся количество копий каждого гена амилазы.
«Наше исследование показало, что каждая копия человеческого генома содержит от одной до 11 копий AMY1, от нуля до трёх копий AMY2A и от одной до четырёх копий AMY2B», — сказал один из первых авторов работы. «Число копий коррелирует с экспрессией гена, уровнем белка и, следовательно, со способностью переваривать крахмал».
Исследователи обнаружили, что около 12 000 лет назад у людей в Европе было в среднем около четырёх копий гена слюнной амилазы, а сейчас это число возросло примерно до семи. Совокупное число копий двух генов панкреатической амилазы также увеличилось в среднем на половину гена (0.5) за это время в Европе.
В целом, частота хромосом с множественными копиями генов амилазы (то есть с большим общим числом, чем у шимпанзе и неандертальцев) увеличилась в семь раз за последние 12 000 лет. Это говорит о том, что это давало преимущество для выживания нашим предкам.
Учёные также нашли свидетельства увеличения числа генов амилазы в других земледельческих популяциях по всему миру. При этом область хромосом, где расположены эти гены, выглядит сходной во всех этих популяциях, независимо от того, какое именно крахмалистое растение было одомашнено.
Выводы демонстрируют, что по мере независимого возникновения земледелия по всему миру оно, по-видимому, быстро изменило человеческий геном почти идентичным образом в разных популяциях, чтобы справиться с возросшим количеством углеводов в рационе.
Фактически, скорость эволюции, ведущей к изменениям числа копий генов амилазы, оказалась в 10 000 раз выше, чем скорость изменений отдельных пар оснований ДНК в геноме человека.
Новый метод для изучения сложных участков генома
Долгое время изучать локус амилазы было сложно из-за его высокой повторяемости и структурной сложности. Традиционное короткочитающее секвенирование не могло отличить копии генов друг от друга.
Длинночитающее секвенирование, позволяющее считывать последовательности длиной в тысячи пар оснований, решило эту проблему. В исследовании использовались данные Консорциума Референсного Пангенома Человека (HPRC), включающие длинные чтения 94 гаплоидных геномов человека. Это позволило оценить разнообразие современных вариантов (гаплотипов) региона амилазы.
Затем команда оценила тот же регион в 519 древних европейских геномах. Данные HPRC помогли избежать обычного смещения в сравнительных геномных исследованиях, которые использовали в качестве референса один усреднённый геном человека. Пангеном HPRC обеспечивает более инклюзивную и точную референсную базу, отражающую человеческое разнообразие.
Используя специально разработанное математическое моделирование, исследователи идентифицировали 28 различных структур гаплотипов среди 94 длинночитаемых геномов и тысяч перевыровненных короткочитаемых геномов человека. Все они группируются в 11 кластеров, каждый с уникальной комбинацией числа копий AMY1, AMY2A и AMY2B.
«Эти невероятно сложные структуры — области дупликации, инверсии и делеции генов в человеческом геноме — независимо эволюционировали в разных человеческих популяциях снова и снова, даже до возникновения земледелия», — отметил один из авторов.
Анализ множества современных геномов также указал на событие начальной дупликации, которое добавило две копии AMY1 в геном человека около 280 000 лет назад.
«Эта конкретная структура, предрасположенная к высоким темпам мутаций, возникла 280 000 лет назад, подготовив почву для последующих событий. Когда развилось земледелие, люди с большим числом копий получили преимущество в приспособленности, и эти числа копий стали объектом отбора», — пояснили учёные.
Новый метод открывает возможности для изучения других областей генома — связанных с иммунной системой, пигментацией кожи, выработкой слизи, — которые претерпели быструю дупликацию генов в недавней истории человечества. Его также можно применять к другим видам.