Земледелие способствовало отбору на увеличение числа генов амилаз у людей

Рис. 1. Не только земледельцы едят много крахмала. На фото — новогвинейские охотники-собиратели из народности короваи разделывают ствол саговой пальмы, чтобы добраться до съедобной крахмалистой сердцевины. Фото с сайта goltsovs.ru

Современные методы секвенирования геномов в сочетании с успехами палеогенетики позволили проследить эволюцию генов амилаз (ферментов, расщепляющих крахмал) в человеческих популяциях. Исходно у Homo sapiens было три таких гена: AMY1, работающий в слюнных железах, и AMY2A и AMY2B, работающие в поджелудочной железе. Такая же ситуация характерна для неандертальцев, денисовцев и других больших человекообразных обезьян. Однако еще задолго до выхода из Африки у наших предков начали распространяться генотипы с повышенным числом генов амилаз. Этот процесс резко ускорился около 12 тысяч лет назад, по-видимому, в связи с появлением сельского хозяйства, которое привело к росту доли крахмала в рационе. Как выяснилось, в земледельческих популяциях Западной Евразии генотипы с повышенным числом копий генов амилаз поддерживались сильным отбором на протяжении тысячелетий. В современных популяциях с давней историей земледелия число генов амилаз в среднем выше, чем у охотников-собирателей и потомственных скотоводов. Исследование добавляет еще один пример в копилку детально изученных случаев влияния культурных инноваций на биологическую эволюцию человека.

Скорость и направленность биологической эволюции Homo sapiens во многом определяется культурой. Культурные инновации — будь то теплая одежда, приготовление пищи на огне, жилища или земледелие — меняют «окружающую среду», к которой мы адаптируемся в ходе биологической эволюции, и определяют силу и направленность действующего на нас естественного отбора.

Хрестоматийные примеры того, как культурно-обусловленные изменения диеты направляют биологическую эволюцию людей — это распространение аллелей переносимости лактозы в связи с развитием молочного животноводства (см. Ген переносимости лактозы распространился среди европейцев за последние три тысячи лет, «Элементы», 08.09.2020) и эволюция генов метаболизма полиненасыщенных жирных кислот в популяциях, в чьей диете много таких кислот (M. Fumagalli et al., 2015. Greenlandic Inuit show genetic signatures of diet and climate adaptation). Еще одним хрестоматийным примером теперь должна стать эволюция генов амилаз в связи с распространением земледелия. История этих генов детально разобрана статье американских, итальянских и британских генетиков, опубликованной недавно в журнале Nature.

Млекопитающие переваривают крахмал при помощи ферментов α-амилаз. У людей есть три разных α-амилазы: в слюнных железах производится фермент AMY1, а в поджелудочной железе — AMY2A и AMY2B. Все гены амилаз находятся по соседству друг с другом на 1-й хромосоме, образуя «амилазный локус». Три гена амилазного локуса появились в результате двух последовательных дупликаций одного исходного гена. Первая дупликация произошла у общих предков обезьян Старого Света, вторая — у предков больших человекообразных обезьян. У орангутанов, горилл, шимпанзе, неандертальцев и денисовцев амилазный локус включает ровно по одной копии каждого из трех генов. Такое состояние было исходным и для Homo sapiens. Однако у современных людей широко распространены варианты (гаплотипы) амилазного локуса со значительно большим числом копий генов амилаз.

Ранее уже высказывалось предположение, что отбор поддерживал дупликации генов амилаз у наших предков в связи с ростом доли растительной пищи и крахмала в диете. Было показано, что число копий гена AMY1 в геноме положительно коррелирует с уровнем амилазы в слюне, и что у людей из популяций, исторически придерживавшихся диеты с высоким содержанием крахмала, в среднем больше копий AMY1, чем у тех, в чьей пище крахмала меньше (G. H. Perry et al., 2007. Diet and the evolution of human amylase gene copy number variation). Однако эти выводы базировались на небольшом числе популяций и геномов, не учитывали палеогенетические данные и в целом оставались предположительными.

Участки генома с многочисленными повторами — такие, как амилазный локус Homo sapiens, — трудно изучать, потому что для точной реконструкции их структуры нужно секвенировать очень длинные непрерывные фрагменты ДНК. Соответствующие технологии стали развиваться лишь относительно недавно (см. Third generation sequencing; Нанопоровое секвенирование), тогда как старые, классические методы предполагают секвенирование коротких отрезков ДНК («прочтений»), из которых потом собирают более длинные по перекрывающимся концам. Этот подход плохо работает для участков с повторами.

Впрочем, даже не зная в точности структуру локуса и имея лишь короткие прочтения, можно определить число копий того или иного гена в геноме по числу прочтений, соответствующих этому гену. Конечно, для такого анализа нужны геномы, отсеквенированные пусть и короткими отрезками, но с высоким покрытием (Coverage).

Этот подход авторы применили к 4292 человеческим геномам из 147 популяций со всего мира. Анализ показал огромную изменчивость по числу копий всех трех амилазных генов (рис. 2).

Рис. 2. Изменчивость числа копий трех амилазных генов в человеческих популяциях. Размер кружочков на картах отражает число проанализированных геномов, а их цвет — среднее число копий гена в данной популяции (в расчете на диплоидный геном). Диаграмма внизу справа показывает частоту встречаемости генотипов с разным числом копий генов амилаз в популяциях, исторически питавшихся в основном продуктами земледелия (Agriculture) или рыбалки, охоты и скотоводства (Fishing/hunting/pastoralism). По горизонтальной оси — число копий в диплоидном геноме, размер кружочка — частота встречаемости. Ромбики — средние значения. Рисунок из обсуждаемой статьи

Число копий гена AMY1 (в расчете на диплоидный геном) в изученной выборке варьирует от 2 до 20, AMY2A — от 0 до 6, AMY2B — от 2 до 7. Заодно авторы перепроверили данные по неандертальцам (три генома с высоким покрытием) и денисовцам (один геном) и убедились, что во всех четырех случаях в диплоидном геноме присутствует ровно по две копии каждого из трех генов — как и у других больших человекообразных обезьян. Таким образом, изменчивость по числу копий амилазных генов является специфической особенностью именно нашего вида. Кроме того, подтвердились прежние наблюдения (основанные на менее представительных выборках) о повышенном числе копий амилазных генов в популяциях земледельцев по сравнению с охотниками и скотоводами (рис. 2, внизу справа).

Однако для того, чтобы разобраться в эволюции амилазного локуса, нужны полные нуклеотидные последовательности вариантов (гаплотипов), а не просто данные о числе копий генов в геномах. Такие последовательности авторам удалось реконструировать для полусотни диплоидных геномов (то есть для ста гаплотипов) из разных популяций, отсеквенированных недавно при помощи новейших методов с использованием длинных прочтений (см. W.-W. Liao et al., 2023. A draft human pangenome reference). Структурное разнообразие обнаруженных гаплотипов показано на рис. 3.

Рис. 3. 28 вариантов структуры амилазного локуса. Отрезками одинакового цвета обозначены гомологичные участки. Закрашенные оранжевые стрелки — копии гена AMY2B (на рисунке обозначены как 2B), зеленые — копии гена AMY2A (2A; 2A^P — неполная, неработающая копия гена), красные — копии гена AMY1 (на рисунке обозначены как 1). Эти 28 вариантов распадаются на 11 групп, условные наименования которых подписаны справа. В каждой группе — определенное число рабочих копий каждого из трех генов. Рисунок из обсуждаемой статьи

Всего было выявлено 28 структурных вариантов амилазного локуса. Они распадаются на 11 групп по числу рабочих копий каждого из трех генов. Например, в группе с пятью копиями AMY1, одной копией AMY2A и одной копией AMY2A — целых 10 вариантов, а в группе с одной копией каждого из трех генов — только один вариант (предковый; на рисунке 3 он показан в самом низу).

Между разными структурными вариантами амилазного локуса почти никогда не происходит рекомбинация (гаплотипы не обмениваются участками при кроссинговере), и поэтому в разных структурных вариантах накапливаются разные наборы однонуклеотидных полиморфизмов. Анализ этих полиморфизмов позволил в общих чертах реконструировать эволюционную историю амилазного локуса. Получилось, что варианты с повышенным числом копий генов амилаз присутствовали в генофонде Homo sapiens уже очень давно — начиная как минимум с 280 тысяч лет назад, то есть задолго до выхода из Африки. Гены амилаз многократно дуплицировались, утрачивались и снова дуплицировались. При этом похожие и даже совершенно идентичные структурные варианты возникали много раз независимо.

Получив в свое распоряжение полные последовательности ста гаплотипов амилазного локуса, исследователи разработали методику, позволяющую с приемлемой (примерно 95-процентной) точностью идентифицировать структурные варианты даже для геномов, отсеквенированных при помощи коротких прочтений. Методику применили к палеогенетическим данным (где прочтения, конечно, короткие), а именно к 533 геномам обитателей Западной Евразии (по другим регионам данных пока недостаточно), жившим от 12 000 до 250 лет назад. Как раз в это время в регионе появилось и распространилось сельское хозяйство, что должно было привести к увеличению количества крахмала в рационе. Новые данные позволили проследить (не слишком детально, но хотя бы в общих чертах) динамику частоты встречаемости структурных вариантов амилазного локуса в Западной Евразии за последние 12 000 лет.

Результаты совпали с теоретическими ожиданиями (рис. 4).

Рис. 4. Изменение частоты встречаемости различных гаплотипов амилазного локуса в Западной Евразии на протяжении последних 12 000 лет. Показаны места, откуда происходят 533 древних генома, и их распределение по возрастам (на врезке вверху справа). Внизу показаны самые распространенные гаплотипы амилазного локуса и динамика частоты их встречаемости. Видно, что в начале рассматриваемого периода в регионе преобладали гаплотипы с тремя копиями генов амилаз (H1^a и H2A0). В дальнейшем они постепенно вытеснялись гаплотипами с повышенным числом копий (от пяти до девяти). Рисунок из обсуждаемой статьи

К моменту появления земледелия, около 12 000 лет назад, в Западной Евразии решительно преобладали гаплотипы с тремя рабочими копиями генов амилаз (H1^a и H2A0). Но затем их доля стала быстро снижаться, а доля гаплотипов с 5–9 копиями — расти. Авторы показали при помощи моделирования, что такую картину невозможно объяснить генетическим дрейфом, то есть случайными колебаниями частот гаплотипов. Столь быстрые и радикальные изменения могут объясняться только отбором в пользу гаплотипов с повышенным числом копий генов амилаз, причем отбором довольно сильным.

Авторы использовали несколько изощренных методик для оценки силы этого отбора. Получилось, что в среднем на протяжении рассматриваемого периода коэффициент отбора (s; selection coefficient) в пользу гаплотипов с 5–9 копиями находился в пределах 0,018–0,027. Упрощенно говоря, это значит, что индивиды с повышенным числом генов амилаз оставляли на 2% больше доживающих до зрелости потомков, чем индивиды с низким числом этих генов.

Возможно, отбор не всегда работал с одинаковой силой: один из примененных подходов показал, что самый сильный отбор, вероятно, действовал 12000–9000 лет назад, то есть на самых ранних этапах развития сельского хозяйства. В это время сила отбора могла достигать s = 0,06. Это очень сильный отбор, сопоставимый с тем, который обеспечил распространения аллеля переносимости лактозы у европейцев (см. Ген переносимости лактозы распространился среди европейцев за последние три тысячи лет, «Элементы», 08.09.2020). В дальнейшем отбор постепенно слабел, а в последние пару тысячелетий коэффициент отбора снизился почти до нуля.

Пока это, конечно, лишь очень грубая оценка. Что такое 533 генома для такого большого региона и такого длительного интервала времени? По мере появления новых данных картина обязательно будет уточняться и детализироваться. На данном этапе важно, что авторам в принципе удалось показать, что отбор был. Причем это видно не только по палеогенетическим данным, показывающим быстрый рост частоты встречаемости гаплотипов с повышенным числом копий генов амилаз, но и по распределению генетического полиморфизма в окрестностях амилазного локуса в современных геномах. Уровень полиморфизма там значимо понижен, что считается надежным указанием на отбор, поддержавший недавно какие-то варианты данного локуса (см. Selective sweep).

Дальнейшие исследования обязательно внесут множество уточнений и дополнений в эту картину, которая сейчас только начала прорисовываться. Например, интересно было бы узнать, какие гаплотипы амилазного локуса распространены у охотников-собирателей, в диете которых много крахмала (рис. 1). Кроме того, хотелось бы лучше понять, каким именно образом повышенное число копий генов амилаз увеличивает дарвиновскую приспособленность индивидов, поедающих много крахмала. Этот вопрос пока в деталях не изучен. К тому же недавно было показано, что повышенное число копий гена AMY1 (который экспрессируется в слюнных железах) может иметь негативные последствия для здоровья. А именно, оно вроде бы способствует кариесу (R. Mauricio-Castillo et al., 2023. Dental caries prevalence and severity positively associate with AMY1 gene copy number). В таком случае рост частоты встречаемости гаплотипов с множеством копий AMY1 после перехода к сельскому хозяйству мог быть результатом эволюционного компромисса (evolutionary tradeoff), в ходе которого земледельческие популяции «пожертвовали» здоровьем своих зубов ради более эффективного переваривания крахмала.

Источник: Davide Bolognini, Alma Halgren, Runyang Nicolas Lou, Alessandro Raveane, Joana L. Rocha, Andrea Guarracino, Nicole Soranzo, Chen-Shan Chin, Erik Garrison & Peter H. Sudmant. Recurrent evolution and selection shape structural diversity at the amylase locus // Nature. 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07911-1.

См. также:
Ген переносимости лактозы распространился среди европейцев за последние три тысячи лет, «Элементы», 08.09.2020.

Александр Марков