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農業如何幫助人類進化，從碳水化合物中獲得更多能量

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農業如何幫助人類進化，從碳水化合物中獲得更多能量


當農業開始普及時 ， 像小麥這樣的高碳水化合物主食在人類飲食中的比例急劇上升 。（圖片：Deposit Photos）
據《大眾科學》（勞拉·貝薩斯）：我們的身體絕對需要碳水化合物來提供能量 。這是一個生存問題 。在過去的12000年里 ， 一些人類群體實際上增加了幫助分解淀粉和糖的基因數量 。在那段時間里 ， 歐洲人的淀粉分解基因從平均8個增加到11個以上 。
隨著農業從中東蔓延到整個歐洲 ， 這種適應追蹤了從狩獵采集生活方式向更農業生活方式的轉變 。小麥等高碳水化合物主食在人類飲食中的含量急劇增加，有效吸收所有這些能量的能力是有利的 。9月4日發表在《自然》雜志上的一項研究詳細介紹了這些發現 。
關注“淀粉酶基因座”
人類基因組中大約19900個已知基因中的一些可以產生基因編碼的特定蛋白質 ， 稱為酶 。酶具有多種功能，淀粉酶是幫助身體分解碳水化合物的酶 。淀粉酶在唾液和胰腺中產生，將淀粉消化成糖，為身體提供能量 。
該研究的合著者、加州大學伯克利分校的生物學家Peter Sudmant在一份聲明中說：“如果你把一塊干意大利面放進嘴里，最終它會變得有點甜 ?！??！斑@是唾液淀粉酶將淀粉分解成糖 。這發生在所有人類以及其他靈長類動物身上 ?！?br>擁有更多的基因拷貝通常意味著生物體具有更高水平的蛋白質 ， 這些蛋白質由基因編碼特定的酶 。倭黑猩猩、黑猩猩和尼安德特人的基因組都有一個AMY1基因的拷貝 。1號染色體上的這個基因編碼唾液淀粉酶 。他們的基因組也有兩個胰腺淀粉酶基因AMY2A和AMY2B的一個拷貝 。這三個基因都位于靈長類動物基因組中科學家稱之為淀粉酶基因座的區域內，彼此靠近 。然而，人類基因組有點不同 。
“我們的研究發現，人類基因組的每個拷貝都含有1到11個AMY1拷貝、0到3個AMY2A拷貝和1到4個AMY2B拷貝，”該研究的合著者、加州大學伯克利分校博士后Runyang Nicolas Lou在一份聲明中說 ?！翱截悢蹬c基因表達和蛋白質水平相關 ， 從而與消化淀粉的能力相關 ?！?br>
農業如何幫助人類進化，從碳水化合物中獲得更多能量


大約12000年前，當人類馴化谷物時，自然選擇開始青睞具有編碼淀粉酶的額外基因的基因組，淀粉酶將淀粉轉化為糖 。這些額外的基因滑入了基因組中三個淀粉酶基因最初所在的同一區域（頂部箭頭），盡管有些基因發生了逆轉（下部箭頭） 。淀粉酶基因的多個拷貝可能使農業社會能夠更有效地從富含碳水化合物的飲食中提取能量 。致謝：加州大學伯克利分校的Peter Sudmant
通過基因分析 ， 研究小組發現，大約12000年前 ， 歐洲各地的人類平均擁有4個唾液淀粉酶基因拷貝 。隨著時間的推移，這一數字已增至約7人 。兩個胰腺淀粉酶基因的總拷貝數也平均增加了半個基因 。碳水化合物基因的增加表明，具有多拷貝淀粉酶基因的染色體一定具有強大的生存優勢 。
生活方式的轉變
重要的是，該團隊還發現了世界各地其他農業人群淀粉酶基因增加的證據 。這些淀粉酶基因所在的染色體區域在所有這些種群中看起來也很相似，無論在該文化中馴化了哪種淀粉植物 。
根據該團隊的說法，這表明隨著農業在世界各地的人口中興起，它似乎以令人難以置信的相似方式迅速改變了人類基因組，以利用這種增加的碳水化合物獲取來為我們帶來優勢 。導致淀粉酶基因拷貝數變化的進化速度比人類基因組中單個DNA堿基對變化的速度快約10000倍 。
Sudmant說：“長期以來，人們一直認為，自農業出現以來，歐洲人淀粉酶基因的拷貝數有所增加 ， 但我們以前從未能夠完全測序這個基因座 。這是極其重復和復雜的 ?！??！艾F在 ， 我們終于能夠完全捕捉到這些結構復雜的區域，并據此調查該區域的選擇歷史、進化時間和全球人口的多樣性 。現在 ， 我們可以開始思考與人類疾病的關聯 ?！?br>其中一個可疑的關聯是蛀牙 。一些早期的研究表明，擁有更多的AMY1拷貝與更多的蛀牙有關 。這可能是因為唾液在將咀嚼食物中的淀粉轉化為糖方面做得更好，糖為吃牙齒的細菌提供食物 。
長讀測序
該研究還利用了一種稱為長讀測序的基因測序過程 。這使科學家能夠讀取數千個堿基對長的DNA序列 ， 以準確捕捉重復片段的位置 。
在進行這項研究時，人類全基因組參考聯盟（HPRC）已經收集了94個人類單倍體基因組的長讀序列 。該團隊利用這些基因組來評估當代淀粉酶區域的多樣性 。然后，他們在519個古代歐洲基因組中評估了同一區域 。使用HPRC的基因組（稱為泛基因組）提供了一個更具包容性的參考，可以更準確地捕捉人類多樣性 。
該研究的合著者、加州大學伯克利分校的博士后Joana Rocha將淀粉酶基因聚集的區域與“由不同樂高積木制成的雕塑 。這些是單倍型結構 。之前的工作必須先取下雕塑，并從一堆積木中推斷出雕塑的樣子 。長讀測序和泛基因組學方法現在使我們能夠直接檢查雕塑 ， 從而為我們研究不同單倍型結構的進化歷史和選擇性影響提供了前所未有的力量 ?！?br>科學家們可以使用長讀測序來探索基因組的其他領域 ， 包括與我們的免疫系統、皮膚色素沉著和粘液產生有關的領域 。在人類近代史上，這些斑點都經歷了快速的基因復制 。
研究合著者、田納西大學健康科學中心計算生物學家埃里克·加里森在一份聲明中說：“我們在這里能夠做的一件令人興奮的事情是探測現代和古代基因組，以剖析該位點的結構進化史 ?！?。
這些方法也可以應用于其他物種，特別是那些經常在人類周圍的物種 。狗、豬、大鼠和小鼠都比它們更野生的親戚擁有更多的淀粉酶基因拷貝，可能會利用我們的餐桌殘渣和垃圾 。