人类身上的这种基因,为什么越来越多?

作者: Takeko

来源: Nature

发布日期: 2024-09-08 20:30:30

一项新研究显示,在过去1.2万年间,欧洲人消化碳水化合物的能力大幅提高,分解淀粉酶的基因数量从平均8个增加到了超过11个。这反映了农业向欧洲的扩散。研究还发现,世界各地其他农业人口中淀粉酶基因增加的证据,表明随着农业在世界各地的独立发展,它似乎以几乎相同的方式迅速改变了不同人群的基因组,来应对饮食中碳水化合物的增加。

我们的祖先很早就开始以野生谷物为食。但驯化作物,也就是农业的发展,在人类历史上则晚得多。有证据显示,大约一万多年前开始,人类开始了驯化谷物,逐渐从原先的狩猎采集生活,过渡到了定居的农业生活方式。此后,人类饮食中有了越来越多碳水化合物的主食,比如小麦和其他谷物,淀粉含量变得越来越高。

饮食是自然选择的重要驱动力。比如,大约一万年前,产奶动物被驯化之后,一种能消化奶的基因变异就在人类中传播开来。因此科学家也一直怀疑,随着农业的发展,人类消化淀粉的能力也应该有所提高。一项发表在《自然》上的新研究显示,在过去1.2万年间,欧洲人消化碳水化合物的能力大幅提高,分解淀粉酶的基因数量从平均8个增加到了超过11个。这反映了农业向欧洲的扩散。

消化淀粉的能力 淀粉的消化主要依赖淀粉酶。

它会在唾液和胰腺中产生,将淀粉分解成糖,为身体提供能量。这也是为什么如果你不停咀嚼米饭或者馒头,就会注意到它们会慢慢变甜。那就是唾液中的淀粉酶起了作用。人类和其他一些灵长类动物都有这种能力。黑猩猩、倭黑猩猩和尼安德特人的基因组在1号染色体上都有编码唾液淀粉酶的单个基因拷贝,称为AMY1。两个胰淀粉酶基因AMY2A和AMY2B也是如此。

这三个基因彼此靠得很近,都在灵长类动物基因组中被称为淀粉酶基因座的区域。

长期以来,人们一直假设,自农业出现以来,人类的淀粉酶基因拷贝数也在增加,拥有更多基因拷贝通常意味着基因编码的蛋白质水平也更高了,换句话说,消化淀粉的能力也会提高。但以前的研究从未对这一基因座进行过全面测序。这主要是因为,这些拷贝所在的区域一直难以研究。传统测序技术被称为短读测序,它要先将基因组切割成约100个碱基对的片段,再对数百万个片段进行测序,然后重新组合成基因组,这样就无法区分基因拷贝。

而长读测序技术的发展让科学家开始有能力解析这片区域,读取数千个碱基对长的DNA序列,并准确捕捉那些重复序列。更多拷贝 在进行这项研究时,人类泛基因组参考联盟(HPRC)已经收集了94个人类单倍体基因组中的长读取序列。这些基因组被称为“泛基因组”,因为它不局限于单一的基因组作为参考,而提供了一种更具包容性的参考,更准确地捕捉人类的多样性。

团队利用这些序列评估了当代淀粉酶区域的多样性。

利用数学模型,研究人员在这94个长读基因组和数千个重新排列的短读基因组中发现了28种不同的单倍体基因型结构,每种结构都有不同的序列特征和独特的AMY1、AMY2A和AMY2B拷贝数配置。此外,他们还研究了519个古欧洲基因组中的相同区域。研究发现,纵观历史,大约1.2万年前,整个欧洲的人类平均拥有大约4个唾液淀粉酶基因的拷贝,而现在这个数字已经增加到了7个左右。

在欧洲,两个胰淀粉酶基因拷贝数的总和也平均增加了0.5。

研究人员还发现了世界各地其他农业人口中淀粉酶基因增加的证据。无论这些文明驯化了哪种淀粉植物,这些淀粉酶基因所在的染色体区域在所有人口中看起来都很相似。也就是说,随着农业在世界各地的独立发展,它似乎以几乎相同的方式迅速改变了不同人群的基因组,来应对饮食中碳水化合物的增加。事实上,导致淀粉酶基因拷贝数变化的进化速度,达到了人类基因组中单个DNA碱基对变化速度的一万倍。

对当代人类基因组的分析还表明,28万年前,人类基因组中出现了最初的复制事件,增加了两个AMY1的拷贝。生存优势和疾病关联 研究终于完全捕捉到这些结构复杂的区域,科学家也可以开始思考它与人类疾病的关联。比如,一种可疑的关联是蛀牙。有研究表明,AMY1拷贝越多,蛀牙越多,这可能是因为唾液能更好地将咀嚼食物中的淀粉转化为糖,而糖也滋养了那些侵蚀牙齿的细菌。

研究人员还认为,新方法还为探索基因组的其他领域提供了途径。比如,涉及免疫系统、皮肤色素和黏液分泌的领域,都在人类近代史上经历了快速的基因复制。同时探测现代和古代基因组,就能剖析这些位置的结构进化史。这些方法也可以应用在其他物种身上。在人类周围活动的动物,比如狗、猪、大鼠和小鼠,它们的淀粉酶基因拷贝都比它们的野生近亲要多,这显然是为了更好地利用我们丢弃的食物。

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