Если свежий жевательный багет или сладкий жареный ямс дают вам заряд энергии, вы можете поблагодарить случайную генетическую мутацию, которая произошла сотни тысяч лет назад у наших предков. Это всего лишь один вывод из пары исследований — одно опубликовано в Nature, другое в Science — которые прослеживают эволюционную историю гена, который помогает расщеплять крахмал на сахара у нас во рту.
Большинство современных людей несут несколько копий этого гена слюнной амилазы, называемого AMY1. Некоторые популяции — как правило, те, кто ест много крахмала, будь то зерно или клубни — имеют еще больше копий, что усиливает их выработку фермента амилазы и позволяет им выжимать больше калорий из крахмалистой пищи. Но когда наши предки впервые приобрели эти копии, и почему именно этот ген так склонен к дупликации, остается загадкой.
Статьи Nature и Science расходятся на сотни тысяч лет относительно того, когда именно ген впервые дуплицировался. Но оба отслеживают позднюю эволюцию гена в мельчайших подробностях, показывая, как рост сельского хозяйства совпал с выраженным скачком числа копий AMY1 в некоторых популяциях. И оба исследования проливают свет на механизм, показывая, почему гены изначально были так склонны к самодублированию.
«Это такая изящная работа», — говорит Кристина Уориннер, биомолекулярный археолог из Гарвардского университета, которая нашла доказательства того, что древние люди, включая неандертальцев, потребляли крахмалы. «Она подробно описывает на механистическом уровне, как это происходит конкретно для генов амилазы, а также имеет более широкие последствия в целом для эволюции».
В 2007 году биоантрополог Джордж Перри, работавший тогда в Университете штата Аризона, и его коллеги выявили связь между употреблением большого количества крахмалистой пищи и наличием большего количества копий AMY1 в популяциях по всему миру. Перри, работающий сейчас в Университете штата Пенсильвания, выдвинул гипотезу, что когда люди начали выращивать пшеницу, ямс и другие крахмалистые культуры, люди с большим количеством копий AMY1 усваивали больше богатых энергией сахаров с каждым укусом — и имели больше выживших детей.
Но геномная технология того времени была недостаточно мощной, чтобы подтвердить этот сценарий. Ученые могли секвенировать только небольшие фрагменты ДНК за раз, что делало их фактически слепыми к лабиринтным участкам ДНК, заполненным множественными копиями генов. «Методы, которые я использовал, были чрезвычайно грубыми», — вспоминает Перри. «Эти новые статьи … способны рассмотреть это гораздо глубже».
Сегодня исследователи могут секвенировать более крупные фрагменты ДНК и таким образом выявлять множественные копии генов в их местах на хромосоме. В статье Nature за прошлый месяц группа под руководством интегративного биолога Питера Садманта из Калифорнийского университета в Беркли сообщила, что у людей по всему миру имеется до 11 копий AMY1 на хромосому, а также от нуля до четырех копий на хромосому одного из двух других генов, которые производят амилазу в поджелудочной железе. Группа также изучила древние геномы трех неандертальцев и одного денисовца и не обнаружила никаких признаков того, что у этих вымерших человеческих кузенов было несколько копий генов.
Затем Садмант и его коллеги проанализировали геномы 519 древних евразийцев, которые жили 12 000 лет назад, на заре развития сельского хозяйства на континенте. Среднее число копий AMY1 возросло с четырех до более чем семи около 5 000 лет назад, а доля людей, у которых был хотя бы один дублированный ген слюнной или панкреатической амилазы, также резко возросла.
Подсчитав небольшие различия в участках ДНК, фланкирующих дублированные гены, чтобы определить, как давно они разделились, Судмант и его коллеги построили генеалогическое древо слюнного гена и датировали его ветви. Они подсчитали, что ген был впервые дублирован по крайней мере 279 000 лет назад, а затем дублировался и удалялся много раз, что привело к появлению различных количеств копий у современных людей. «До того, как наш вид покинул Африку, уже было большее количество копий амилазы», — говорит Судмант. «Они ... были позже отобраны», когда крахмалистые сельскохозяйственные диеты сделали их благоприятными.
Сегодня в Science группа под руководством антропологического геномиста Омера Гоккумена из Университета Буффало сообщила о похожем всплеске копий AMY1 у европейских фермеров за последние 4000 лет, что подтверждает потенциальную связь с сельским хозяйством. Но они также обнаружили дупликации AMY1 в трех из шести геномов неандертальцев и одном геноме денисовца. Они пришли к выводу, что ген был впервые дуплицирован гораздо раньше, чем предполагала группа Садманта: до того, как современные люди отделились от своих близких родственников, что, по некоторым оценкам, произошло еще 800 000 лет назад. Но исследователи предупреждают, что также возможно, что первоначальная дупликация, которая привела к трем копиям AMY1 на одной хромосоме, произошла позже, у современных людей. Затем неандертальцы и денисовцы могли подхватить сегмент ДНК посредством скрещивания или независимо эволюционировать в несколько копий.
Раньянг Николас Лу из лаборатории Садманта, говорит, что его группа анализировала только древние геномы, которые были более полно секвенированы, чтобы исключить загрязнение современной ДНК. «Вот почему наши результаты различаются», — говорит он.
Команда Гоккумена также объяснила, как AMY1 так плодовито копирует себя. Как только появилась первоначальная трехкопийная версия, или гаплотип, сообщают они, расположение копий генов на хромосомах позволило ДНК из двух разных копий пересечься и повторить себя, дублируя — или иногда удаляя — две копии генов. «В тот момент, когда у нас есть трехкопийный гаплотип, это ступенька для эволюции этого локуса — мы можем либо подняться на две [копии], либо опуститься на две», — объясняет Хариклейя Карагеоргиу из лаборатории Гоккумена и соавтор статьи. «С этого момента все меняется».
Генетик из Йельского университета Диендо Массилани говорит, что «крайне захватывающие» статьи должны побудить исследователей древней ДНК задуматься о том, как структурные вариации геномов — в отличие от различий между генами — повлияли на отбор.
Уориннер считает, что подобные механизмы могли бы объяснить другие случаи вариации числа копий генов, например, наблюдаемые при болезни Хантингтона. А понимание эволюции AMY1 может помочь разгадать другие загадки амилазы. «Здесь все еще много неизвестного, но у нас наконец-то больше деталей этой головоломки, чем раньше», — говорит она.
