Ons lichaam heeft absoluut koolhydraten nodig voor energie. Het is een kwestie van overleven. Zozeer zelfs dat sommige menselijke populaties de afgelopen 12.000 jaar het aantal genen die helpen bij het afbreken van zetmeel en suikers zelfs hebben vergroot. Gedurende die tijd gingen de Europeanen van een gemiddelde van acht zetmeelafbrekende genen naar meer dan elf.
Aanpassing volgt op de verschuiving van een levensstijl van jagers-verzamelaars naar een meer agrarische levensstijl, terwijl de landbouw zich vanuit het Midden-Oosten over Europa verspreidde. Basisproducten met een hoog koolhydraatgehalte, zoals tarwe, namen dramatisch toe in het menselijke dieet en het vermogen om al die energie efficiënt te absorberen was een voordeel. De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een onderzoek dat op 4 september in het tijdschrift werd gepubliceerd Natuur.
Focus op de “amylase-locus”
Sommige van de ongeveer 19.900 bekende genen in het menselijk genoom kunnen specifieke eiwitten maken waarvoor het gen codeert, de zogenaamde enzymen. Enzymen hebben verschillende functies, en amylase is degene die het lichaam helpt koolhydraten af te breken. Amylase wordt geproduceerd in speeksel en de alvleesklier om zetmeel te verteren tot suiker die het lichaam van energie voorziet.
“Als je een stuk droge pasta neemt en het in je mond stopt, wordt het een beetje zoet”, zegt co-auteur en bioloog Peter Sudmant van de University of California, Berkeley. ‘Het is je speekselamylase-enzym dat zetmeel afbreekt tot suikers. Dit gebeurt bij alle mensen, maar ook bij andere primaten.”
[Related: Is butter a carb?]
Het hebben van meer kopieën van een gen betekent meestal dat een organisme hogere niveaus van eiwitten heeft die de genen coderen voor specifieke enzymen. De genomen van bonobo’s, chimpansees en neanderthalers hebben één kopie van het AMY1-gen. Dit gen op chromosoom 1 codeert voor speekselamylase. Hun genomen bevatten ook één kopie van twee pancreasamylasegenen, AMY2A en AMY2B. Alle drie deze genen bevinden zich dicht bij elkaar in een gebied van het primatengenoom dat wetenschappers de amylaselocus noemen. Het menselijk genoom is echter een beetje anders.
“Uit onze studie bleek dat elke kopie van het menselijk genoom één tot elf kopieën van AMY1, nul tot drie kopieën van AMY2A en één tot vier kopieën van AMY2B bevat”, zegt Nicolas Lou, co-auteur van de studie en UC Berkeley Runyang Postdoctoral Fellow. stelling. “Het aantal kopieën correleert met genexpressie en eiwitniveaus, en dus met het vermogen om zetmeel te verteren.”
Door middel van genetische analyse ontdekte het team dat mensen in heel Europa ongeveer 12.000 jaar geleden gemiddeld vier exemplaren van het speekselamylase-gen hadden. In de loop van de tijd is dat aantal toegenomen tot ongeveer zeven. Het gecombineerde aantal kopieën van de twee pancreasamylasegenen nam ook toe met gemiddeld een half gen. Deze toename in koolhydraatgenen suggereert dat er een krachtig overlevingsvoordeel moet zijn in het hebben van een chromosoom met meerdere kopieën van amylasegenen.
Veranderingen in levensstijl
Belangrijk is dat het team ook bewijs heeft gevonden voor verhoogde amylasegenen in andere landbouwpopulaties over de hele wereld. De regio van het chromosoom waar deze amylasegenen zich bevinden, ziet er ook hetzelfde uit in al deze populaties, ongeacht welke zetmeelrijke plant in die cultuur werd gedomesticeerd.
Volgens het team toont dit aan dat toen de landbouw in populaties over de hele wereld opkwam, deze het menselijk genoom snel op opmerkelijk vergelijkbare manieren lijkt te hebben veranderd om deze toegenomen toegang tot koolhydraten in ons voordeel te gebruiken. De evolutiesnelheid die leidde tot veranderingen in het kopieaantal van het amylasegen was ongeveer 10.000 keer sneller dan de verandering van een enkel DNA-basenpaar in het menselijk genoom.
[Related: Love corn? Thank interbreeding.]
“Er is lang aangenomen dat het aantal kopieën van het amylase-gen bij Europeanen is toegenomen sinds het begin van de landbouw, maar we zijn er nooit eerder in geslaagd deze locus volledig te sequencen. Het is extreem repetitief en complex”, aldus Sudmant. “We zijn nu eindelijk in staat om deze structureel complexe regio’s volledig vast te leggen, en daarmee de geschiedenis van regioselectie, evolutionaire tijd en diversiteit onder de wereldbevolking te verkennen.” Nu kunnen we gaan nadenken over het verband met ziekten bij de mens.”
Een van deze twijfelachtige associaties heeft betrekking op tandcariës. Uit eerder onderzoek blijkt dat meer exemplaren van AMY1 in verband worden gebracht met meer cariës. Dit kan zijn omdat speeksel het zetmeel in gekauwd voedsel beter omzet in suiker, wat de tandetende bacteriën voedt.
Lange leessequenties
De studie maakte ook gebruik van een genetisch sequencing-proces dat long-read sequencing wordt genoemd. Hierdoor kunnen wetenschappers DNA-sequenties van duizenden basenparen lang lezen om precies vast te leggen waar de repetitieve gebieden zich bevinden.
Ten tijde van het onderzoek had het Human Pangenome Reference Consortium (HPRC) langgelezen sequenties verzameld van 94 menselijke haploïde genomen. Het team gebruikte deze genomen om de diversiteit van moderne amylaseregio’s te schatten. Vervolgens evalueerden ze diezelfde regio in 519 oude Europese genomen. Het gebruik van de genomen van de HPRC – het pangenoom genoemd – leverde een meer inclusieve referentie op die de menselijke diversiteit nauwkeuriger vastlegt.
Joana Rocha, co-auteur van de studie en postdoctoraal onderzoeker aan UC Berkeley, vergeleek de regio waar de amylase-genen zich clusteren met “sculpturen gemaakt van verschillende Lego-blokken. Dit zijn haplotypestructuren. Bij eerdere werkzaamheden moest het beeldhouwwerk eerst worden verwijderd en uit de stapel stenen worden afgeleid hoe het beeldhouwwerk eruit zou kunnen hebben gezien. Langdurige sequencing en pan-genomische methoden stellen ons nu in staat de sculptuur rechtstreeks te onderzoeken en bieden ons dus een ongekende kracht om de evolutionaire geschiedenis en de selectieve invloed van verschillende haplotypestructuren te bestuderen.
[Related: The final missing piece of the human genome has been decoded.]
Wetenschappers kunnen longread-sequencing gebruiken om andere delen van het genoom te onderzoeken, inclusief de gebieden die betrokken zijn bij ons immuunsysteem, huidpigmentatie en slijmproductie. Al deze pleisters hebben in de recente menselijke geschiedenis een snelle genduplicatie ondergaan.
“Een van de opwindende dingen die we hier hebben kunnen doen, is het onderzoeken van zowel moderne als oude genomen om de geschiedenis van de structurele evolutie op deze plek te ontleden”, zegt co-auteur van de studie en computationeel bioloog van de Universiteit van Tennessee Erik Garrison, een computationeel bioloog. . .
Deze methoden kunnen ook op andere soorten worden toegepast, vooral op de soorten die vaak in de buurt van mensen voorkomen. Honden, varkens, ratten en muizen hebben meer kopieën van amylasegenen dan hun wilde verwanten, die waarschijnlijk onze tafelresten en afval gebruiken.