Science：为什么我们喜欢碳水化合物？

如果你曾经努力减少碳水化合物的摄入量，古老的DNA可能是罪魁祸首。

人们早就知道，人类携带一种基因的多个拷贝，这种基因使我们能够开始在口腔中分解复杂的碳水化合物淀粉，为代谢面包和意大利面等淀粉类食物提供了第一步。然而，众所周知，研究人员很难确定这些基因的数量是如何以及何时增加的。现在，由布法罗大学（UB）和杰克逊实验室（JAX）领导的一项新研究展示了该基因的早期复制如何为今天仍然存在的广泛遗传变异奠定了基础，影响了人类消化淀粉类食物的效率。

这项研究的发现发表在10月17日的《科学》高级网络版上，揭示了这种被称为唾液淀粉酶基因（AMY1）的基因的复制可能不仅有助于塑造人类对淀粉类食物的适应，而且可能早在80多万年前就发生了，远早于农业的出现。

该研究的通讯作者、UB文理学院生物科学系教授Omer Gokcumen博士说：“我们的想法是，你拥有的淀粉酶基因越多，你能产生的淀粉酶就越多，你能有效消化的淀粉也就越多。”研究人员解释说，淀粉酶不仅能将淀粉分解成葡萄糖，还能赋予面包口感。

Gokcumen和他的同事，包括共同资深作者Charles Lee，教授和JAX的Robert Alvine家族捐赠主席，使用光学基因组作图和长读测序，这是一个方法上的突破，对于绘制AMY1基因区域非常详细至关重要。传统的短读测序方法难以准确区分该区域的基因拷贝，因为它们的序列几乎相同。然而，长读测序让Gokcumen和Lee克服了当今人类的这一挑战，提供了AMY1复制如何进化的更清晰的画面。

古代的狩猎采集者甚至尼安德特人已经有了多个AMY1副本

研究小组分析了68个古人类的基因组，其中包括一个来自西伯利亚的4.5万年前的样本，发现农业前的狩猎采集者平均每个二倍体细胞就有4到8个AMY1拷贝，这表明，在人类开始驯化植物和食用过量淀粉之前，他们就已经带着各种各样的高AMY1拷贝数在欧亚大陆上行走了。

该研究还发现，AMY1基因复制发生在尼安德特人和丹尼索瓦人身上。“这表明AMY1基因可能在80多万年前首次复制，远远早于人类从尼安德特人分裂出来，比以前认为的要早得多，”来自JAX Lee实验室的这项研究的主要作者之一Kwondo Kim说。

Gokcumen说：“我们基因组的最初复制为淀粉酶区域的显著变化奠定了基础，使人类能够适应不断变化的饮食，因为随着新技术和生活方式的出现，淀粉消费量急剧增加。”

遗传变异的种子

AMY1最初的复制就像池塘里的第一道涟漪，创造了一个基因机会，后来塑造了我们这个物种。随着人类在不同的环境中传播，AMY1拷贝数量的灵活性为适应新的饮食，特别是那些富含淀粉的饮食提供了优势。

“在最初的复制之后，导致细胞中有三个AMY1拷贝，淀粉酶位点变得不稳定，并开始产生新的变异，”UB研究的主要作者之一Charikleia Karageorgiou说。“从3个AMY1拷贝，你可以得到9个拷贝，甚至每个单倍体细胞只有一个拷贝。”

农业的复杂遗产

该研究还强调了农业如何影响AMY1变异。虽然早期的狩猎采集者有多个基因拷贝，但在过去的4000年里，欧洲农民的平均AMY1拷贝数量激增，这可能是由于他们富含淀粉的饮食。Gokcumen之前的研究表明，与人类生活在一起的家养动物，如狗和猪，与不依赖高淀粉饮食的动物相比，AMY1拷贝数也更高。

“AMY1拷贝数较高的个体可能更有效地消化淀粉，并有更多的后代，”Gokcumen说。“在漫长的进化过程中，他们的血统最终比那些拷贝数较少的人表现得更好，从而传播了AMY1拷贝的数量。”

这一发现与加州大学伯克利分校上个月发表在《自然》杂志上的一项研究一致，该研究发现，在过去的12000年里，欧洲人类将AMY1的平均拷贝数从4个增加到7个。

“鉴于AMY1拷贝数变异在人类进化中的关键作用，这种遗传变异提供了一个令人兴奋的机会，可以探索其对代谢健康的影响，并揭示淀粉消化和葡萄糖代谢的机制，”JAX的副计算科学家、该研究的主要作者Feyza Yilmaz说。“未来的研究可能会揭示它的精确影响和时间选择，为遗传学、营养和健康提供重要的见解。”

这项研究是与康涅狄格大学健康中心合作进行的，并得到了美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院——国家人类基因组研究所的支持。