Ако някога сте се борили да намалите приема на въглехидрати и ви е било трудно, причината е древно дублиране на ген, станло преди 800 хиляди години, преди изобретяването на земеделието.

Отдавна е известно, че хората носят множество копия на ген, който ни позволява да започнем да разграждаме сложното въглехидратно нишесте в устата ни, осигурявайки първата стъпка в метаболизирането на нишестени храни като хляб и тестени изделия. Но за изследователите е изключително трудно да определят как и кога броят на тези гени се е увеличил.

Храната започва да се смила в устата. За тази цел нашата слюнка съдържа специални ензими. Един от тях, амилазата, улеснява разграждането на нишестето, с което са богати зърнените храни и някои кореноплодни. Генът AMY1 е отговорен за производството на амилаза в слюнката. В ДНК на съвременните хора често има три негови копия. Както установява ново проучване, ръководено от Университета в Бъфало и Лабораторията Джаксън (JAX), нашите предци са придобили тази характеристика преди около 800 000 години, преди отделянето им от денисовците и неандерталците. А през бронзовата епоха сред европейските фермери генът на амилазата преживява истински еволюционен разцвет.

Амилазата разгражда молекулите на нишестето до по-прости захари. При хоминидите процесът започва в устата и продължава в панкреаса. Необичайно голям брой копия на гена AMY1, отговорен за производството на амилаза в слюнката, при хората се свързва с адаптирането към селското стопанство, когато в диетата започват да се появяват богати на нишесте храни.

„Колкото повече амилазни гени имаме, колкото повече амилаза произвеждаме, толкова повече нишесте можем да усвоим ефективно“, обяснява Омер Гьокчумен (Omer Gokcumen), професор по биология в Държавния университет на Ню Йорк в Бъфало (САЩ) и съавтор на статията, публикувана в Science.

Изследователите обясняват, че амилазата е ензим, който не само разгражда нишестето до глюкоза, но и придава вкуса на хляба.

Гьокчумен и колегите му, сред които е и съавторът Чарлз Лий (Charles Lee), професор и преподавател в JAX по въпросите на семейството на Робърт Алвин, използват оптично картографиране на генома и секвениране с дълги четения - методологично откритие, което е от решаващо значение за изключително подробното картографиране на района на гена AMY1. Традиционните методи за секвениране с къс прочит трудно правят точно разграничение между генните копия в този участък поради почти идентичната им последователност. Секвенирането с дълги четения обаче позволява на Гьокчумен и Лий да преодолеят това предизвикателство при съвременните хора, предоставяйки по-ясна представа за това как са еволюирали дублиранията на AMY1.
Древните ловци-събирачи и дори неандерталците вече са имали множество копия на AMY1

Анализирайки геномите на 68 древни хора, включително 45 000-годишна проба от Сибир, изследователският екип установява, че предземеделските ловци-събирачи вече са имали средно от четири до осем копия на AMY1 на диплоидна клетка, което предполага, че хората вече са се разхождали из Евразия с голямо разнообразие от висок брой копия на AMY1 много преди да започнат да опитомяват растения и да консумират прекомерни количества нишесте.

Проучването също така установява, че дублиране на гена AMY1 е имало при неандерталците и денисовците.

„Това предполага, че генът AMY1 може да се е дублирал за първи път преди повече от 800 000 години, много преди хората да се отделят от неандерталците и много по-назад, отколкото се смяташе досега“, коментира Куондо Ким (Kwondo Kim), един от водещите автори на това проучване от лабораторията на Лий в JAX.

„Първоначалните дупликации в нашите геноми са поставили основата за значителни вариации в амилазния регион, което е позволило на хората да се адаптират към променящите се начини на хранене, тъй като консумацията на нишесте е нараснала драстично с появата на новите технологии и начин на живот“, добавя Гьокчумен.
Семената на генетичната вариация

Първоначалното дублиране на AMY1 е било като първата стъпка, създала генетична възможност, която по-късно е оформила нашия вид. Тъй като хората се разпространяват в различни среди, гъвкавостта в броя на копията на AMY1 осигурява предимство за адаптиране към нови хранителни навици, особено богати на нишесте.

„След първоначалното дублиране, довело до три копия на AMY1 в клетката, локусът на амилазата става нестабилен и започва да създава нови вариации“, обяснява Хариклея Карагеоргиу (Charikleia Karageorgiou), един от водещите автори на изследването в университета. „От три копия на AMY1 може да се стигне до девет копия или дори до едно копие на хаплоидна клетка."
Сложното наследство на земеделието

Изследването също така подчертава как земеделието е повлияло на вариациите на AMY1. Докато ранните ловци-събирачи са имали множество копия на гена, през последните 4000 години европейските фермери са отбелязали рязко увеличение на средния брой копия на AMY1, което вероятно се дължи на богатата им на нишесте диета. Предишни изследвания на Гьокчумен показаха, че опитомените животни, живеещи заедно с хората, като кучета и прасета, също имат по-голям брой копия на гена амилаза в сравнение с животните, които не са зависими от диета, богата на скорбяла.

„Индивидите с по-висок брой копия на AMY1 вероятно са усвоявали нишестето по-ефективно и са имали повече потомство“, посочва Гьокчумен. „В крайна сметка техните линии са се справяли по-добре в дълъг еволюционен период от време, отколкото тези с по-нисък брой копия, като са разпространявали броя на копията на AMY1.“

Констатациите съвпадат с проучване, ръководено от Калифорнийския университет в Бъркли, публикувано миналия месец в Nature, което установява, че хората в Европа са разширили средния си брой копия на AMY1 от четири на седем през последните 12 000 години.

„Като се има предвид ключовата роля на вариациите в броя на копията на AMY1 в човешката еволюция, тази генетична вариация предоставя интересна възможност да се изследва нейното въздействие върху метаболитното здраве и да се разкрият механизмите, участващи в храносмилането на нишестето и метаболизма на глюкозата“, отбелязва Фейза Йълмаз (Feyza Yilmaz), асоцииран компютърен учен в JAX и водещ автор на изследването. "„Бъдещите изследвания биха могли да разкрият точните му ефекти и времето на селекция, предоставяйки критични прозрения за генетиката, храненето и здравето."

Справка: Feyza Yılmaz, Charikleia Karageorgiou, Kwondo Kim, Petar Pajic, Kendra Scheer, Christine R. Beck, Ann-Marie Torregrossa, Charles Lee, Omer Gokcumen, Peter A. Audano, Olanrewaju Austine-Orimoloye, Christine R. Beck, Evan E. Eichler, Pille Hallast, William T. Harvey, Alex R. Hastie, Kendra Hoekzema, Sarah Hunt, Jan O. Korbel, Jennifer Kordosky, Charles Lee, Alexandra P. Lewis, Tobias Marschall, Katherine M. Munson, Andy Pang, Feyza Yilmaz. Reconstruction of the human amylase locus reveals ancient duplications seeding modern-day variation. Science, 2024; DOI: 10.1126/science.adn0609

Източник: University at Buffalo. „Why do we love carbs? The origins predate agriculture and maybe even our split from Neanderthals." ScienceDaily.