Эволюция амилазы: ученые изучают ферменты, благодаря которым мы усваиваем крахмал

Как только вы отправляете в рот порцию любой еды, содержащей крахмал, не важно, в виде пельменей, картофельного пюре или крекера, она начинает расщепляться при помощи фермента в слюне.

Этот фермент, известный как амилаза, сыграл важнейшую роль в эволюции нашего вида, когда мы приспосабливались к меняющимся условиям питания. Два новых исследования показали, что наши предки обзавелись разными видами генов отвечающих за выработку этого фермента в течение двух основных периодов. Первый произошел несколько сотен тысяч лет назад, возможно, в результате того, что люди начали готовить пищу на огне, а второй — после сельскохозяйственной революции 12 000 лет назад.

«Это сочетание адаптации к различным условиям окружающей среды и модификации рациона питания является основным фактором, благодаря которому мы стали похожи на самих себя сейчас», — утверждает Омер Гёкчумен, генетик из Университета Буффало, возглавивший одно из исследований, результаты которого были опубликованы в журнале Science.

Согласно новому исследованию, по мере того как древние общества осваивали различные диеты, у них развивалось разное количество генов амилазы. Доктор Гёкчумен предположил, что современные люди с меньшим количеством амилазы более уязвимы к таким заболеваниям, как диабет, которые развиваются в результате современной диеты с высоким содержанием крахмала. В дальнейшем полученные результаты могут указать на потенциальные способы лечения заболеваний с помощью амилазы.

«Конечно, это все в будущем, но я думаю, что наши исследования закладывают основу», — отмечает Гёкчумен.

Первые подсказки о необычной истории генов появились в 1960-х годах, когда ученые обнаружили, что у некоторых людей в слюне образуется дополнительная амилаза. Но только в последние несколько лет технология секвенирования ДНК стала достаточно точной, чтобы расшифровать гены, отвечающие за выработку этого фермента.

«Мы блуждали в потемках, а теперь смотрим при ясном свете», — убежден Питер Садмант, генетик из Калифорнийского университета в Беркли, руководитель еще одного исследования, которое было опубликовано недавно в журнале Nature.

Команды доктора Садманта и доктора Гёкчумена выявили широкий спектр типов амилазы в ДНК человека. У некоторых людей на каждой копии хромосомы 1 был один ген амилазы, в то время как у большинства людей их было гораздо больше: в некоторых случаях до 11 типов.

Эта особенность отличает человека от других видов. Шимпанзе и другие обезьяны также производят амилазу в слюне, но они обладают только одним геном для этого фермента.

Команда доктора Гёкчумена нашла ископаемые доказательства того, как наши древние предки обзавелись большим количеством генов, ответственных за амилазу. Исследователи изучили фрагменты ДНК, извлеченные из костей охотников-собирателей, живших 45 000 лет назад. По их оценкам, у древних людей было около пяти типов таких генов. При изучении останков неандертальцев они также обнаружили доказательства наличия нескольких копий.

По словам ученых, поскольку общий предок современных людей и неандертальцев жил более 600 000 лет назад, вполне возможно, что к тому времени дополнительные гены для амилазы уже успели развиться, возможно, после того, как люди овладели огнем.

До появления кулинарии предки человека получали мало питательных веществ из сырых клубней и других растений, богатых крахмалом. Но жар костра мог разрушать жесткие волокна растений, так они легче усваивались.

«С кулинарией все стало по-другому», — считает Гёкчумен.

Он предполагает, что по мере того как люди все больше зависели от крахмала в рационе, естественный отбор мог благоприятствовать тем, кто вырабатывал больше амилазы в слюне. Дополнительные ферменты также помогали усваивать больше питательных веществ.

В исследовании доктор Садмант также нашел доказательства того, что гены, отвечающие за выработку амилазы, начали дублироваться у наших предков сотни тысяч лет назад. Хотя вполне возможно, что огонь подстегнул эволюцию дополнительных генов, ученый предупреждает, что доказательств этой гипотезы пока мало: «Это всего лишь предположение».

У древних охотников-собирателей происходили мутации, которые добавляли в ДНК еще больше генов для амилазы. У некоторых произошли мутации, в результате которых гены исчезли, а их копии оказались меньше, чем у предков. Но новые исследования не обнаружили никаких доказательств того, что охотники-собиратели получили какое-либо эволюционное преимущество от наличия дополнительных генов для производства амилазы.

Однако около 12000 лет назад ситуация кардинально изменилась. Именно тогда, в конце последнего ледникового периода, ряд сообществ начали выращивать сельскохозяйственные культуры, в том числе богатые крахмалом продукты: пшеницу, ячмень и картофель.

По всей Европе и Западной Азии археологи обнаружили огромное количество скелетов этого периода, из которых генетики восстановили ДНК. Новые исследования показали, что ДНК, содержащая дополнительные гены амилазы, стала более распространенной за последние 12 000 лет.

Ученые пришли к выводу, что наилучшим объяснением этой тенденции является естественный отбор. Люди с большим количеством таких генов имели гораздо больше шансов выжить и иметь детей, чем те, у кого их было меньше.

Обе исследовательские команды обнаружили дополнительные свидетельства того, что естественный отбор отдавал предпочтение амилазе не только в Европе и Западной Азии, но и в других местах, где люди переходили на рацион, богатый крахмалом.

В исследовании, результаты которого еще не опубликованы, группа доктора Гёкчумена обнаружила, что количество дополнительных копий амилазы быстро увеличилось за последние несколько тысяч лет в Перу, где картофель стали выращивать более 5 000 лет назад.

«Идея о том, что амилаза прошла интенсивный естественный отбор в определенных регионах мира, может показаться удивительным и в некотором роде безумным утверждением, — отмечает Садмант. — Но, возможно, это не так уж и безумно, потому что эта область генома одновременно пластична и влиятельна».

Амилаза до сих пор представляет собой удивительную загадку. Сегодня количество фермента, вырабатываемого конкретным человеком, не оказывает существенного влияния на здоровье или репродуктивный успех. Если сегодня «лишние» гены не дают никаких преимуществ, то что они могли подарить нашим предкам?

По словам Гёкчумена, чтобы ответить на этот вопрос, нам, возможно, придется переосмыслить роль амилазы. Исследователи традиционно считали, что этот фермент является первым шагом в переваривании крахмала. Но, возможно, его настоящая задача — давать организму сигнал о том, что пища уже на подходе.

Если это так, то большее количество амилазы побуждает вырабатывать больше инсулина, что, в свою очередь, помогает усваивать больше сахара из крахмала, как считает ученый.

В тучные годы этот сигнал не особо значим. Но во времена голода он мог гарантировать, что люди смогут извлечь максимум пользы из того небольшого количества пищи, которое удастся найти.

«Если хлеба много, то и проблемы нет, — объясняет Гёкчумен. — Но если вы на грани выживания, то вопрос усваивания — это вопрос жизни и смерти».

Джордж Перри, антрополог-генетик из Университета штата Пенсильвания, не принимавший участия в исследованиях, отмечает, что естественный отбор амилазы может быть не единственным объяснением того, почему она стала столь распространенной в Европе и Западной Азии.

Время от времени большие группы людей прибывали из других мест, резко вытесняя тех, кто жил здесь тысячи лет. Пришельцы могли просто принести с собой дополнительные копии генов.

Источник