Si alguna vez ha tenido dificultades para reducir su consumo de carbohidratos, el ADN antiguo podría ser el culpable.
Se sabe desde hace mucho tiempo que los humanos portamos múltiples copias de un gen que nos permite comenzar a descomponer el almidón de carbohidratos complejos en la boca, proporcionando el primer paso en la metabolización de alimentos con almidón como el pan y la pasta. Sin embargo, ha resultado notoriamente difícil para los investigadores determinar cómo y cuándo se expandió el número de estos genes.
Ahora, un nuevo estudio dirigido por la Universidad de Buffalo y el Laboratorio Jackson (JAX) revela cómo la duplicación de este gen, conocido como gen de la amilasa salival (AMY1), puede no solo haber ayudado a moldear la adaptación humana a los alimentos ricos en almidón. , pero puede haber ocurrido hace más de 800.000 años, mucho antes de la llegada de la agricultura.
Informado hoy en la edición avanzada en línea del 17 de octubre de Ciencia, En última instancia, el estudio muestra cómo las duplicaciones tempranas de este gen prepararon el escenario para la amplia variación genética que todavía existe hoy en día, lo que influye en la eficacia con la que los humanos digieren los alimentos ricos en almidón.
«La idea es que cuantos más genes de amilasa tengas, más amilasa podrás producir y más almidón podrás digerir de manera efectiva», dice el autor correspondiente del estudio, Omer Gokcumen, PhD, profesor del Departamento de Ciencias Biológicas de la UB. Facultad de Artes y Ciencias.
La amilasa, explican los investigadores, es una enzima que no sólo descompone el almidón en glucosa, sino que también le da sabor al pan.
Gokcumen y sus colegas, incluido el coautor principal, Charles Lee, profesor y catedrático de la familia Robert Alvine en JAX, utilizaron el mapeo óptico del genoma y la secuenciación de lectura larga, un avance metodológico crucial para mapear la región del gen AMY1 con extraordinario detalle. Los métodos tradicionales de secuenciación de lectura corta tienen dificultades para distinguir con precisión entre copias de genes en esta región debido a su secuencia casi idéntica. Sin embargo, la secuenciación de lectura larga permitió a Gokcumen y Lee superar este desafío en los humanos actuales, proporcionando una imagen más clara de cómo evolucionaron las duplicaciones de AMY1.
Los antiguos cazadores-recolectores e incluso los neandertales ya tenían múltiples copias de AMY1
Al analizar los genomas de 68 humanos antiguos, incluida una muestra de Siberia de 45.000 años de antigüedad, el equipo de investigación encontró que los cazadores-recolectores preagrícolas ya tenían un promedio de cuatro a ocho copias de AMY1 por célula diploide, lo que sugiere que los humanos ya estaban caminando. alrededor de Eurasia con una amplia variedad de números altos de copias de AMY1 mucho antes de que comenzaran a domesticar plantas y a comer cantidades excesivas de almidón.
El estudio también encontró que se produjeron duplicaciones del gen AMY1 en neandertales y denisovanos.
«Esto sugiere que el gen AMY1 puede haberse duplicado por primera vez hace más de 800.000 años, mucho antes de que los humanos se separaran de los neandertales y mucho antes de lo que se pensaba», dice Kwondo Kim, uno de los autores principales de este estudio del Lee Lab en JAX. .
«Las duplicaciones iniciales en nuestros genomas sentaron las bases para una variación significativa en la región de la amilasa, permitiendo a los humanos adaptarse a dietas cambiantes a medida que el consumo de almidón aumentó dramáticamente con la llegada de nuevas tecnologías y estilos de vida», añade Gokcumen.
Las semillas de la variación genética.
La duplicación inicial de AMY1 fue como la primera onda en un estanque, creando una oportunidad genética que luego dio forma a nuestra especie. A medida que los humanos se extendieron por diferentes entornos, la flexibilidad en el número de copias de AMY1 proporcionó una ventaja para adaptarse a nuevas dietas, particularmente aquellas ricas en almidón.
«Tras la duplicación inicial, que dio lugar a tres copias de AMY1 en una célula, el locus de amilasa se volvió inestable y comenzó a crear nuevas variaciones», dice Charikleia Karageorgiou, una de las autoras principales del estudio en la UB. «A partir de tres copias de AMY1, se pueden obtener hasta nueve copias, o incluso volver a una copia por célula haploide».
El complicado legado de la agricultura
La investigación también destaca cómo la agricultura afectó la variación de AMY1. Mientras que los primeros cazadores-recolectores tenían múltiples copias de genes, los agricultores europeos vieron un aumento en el número promedio de copias de AMY1 en los últimos 4.000 años, probablemente debido a sus dietas ricas en almidón. La investigación anterior de Gokcumen demostró que los animales domesticados que viven junto a los humanos, como perros y cerdos, también tienen un mayor número de copias del gen de la amilasa en comparación con los animales que no dependen de dietas ricas en almidón.
«Los individuos con un mayor número de copias de AMY1 probablemente digerían el almidón de manera más eficiente y tenían más descendencia», dice Gokcumen. «En última instancia, a sus linajes les fue mejor durante un largo período evolutivo que aquellos con números de copias más bajos, propagando el número de AMY1 copias.»
Los hallazgos coinciden con un estudio dirigido por la Universidad de California, Berkeley, publicado el mes pasado en Nature, que encontró que los humanos en Europa expandieron su número promedio de copias de AMY1 de cuatro a siete en los últimos 12.000 años.
«Dado el papel clave de la variación del número de copias de AMY1 en la evolución humana, esta variación genética presenta una oportunidad emocionante para explorar su impacto en la salud metabólica y descubrir los mecanismos implicados en la digestión del almidón y el metabolismo de la glucosa», dice Feyza Yilmaz, científica computacional asociada en JAX y autor principal del estudio. «Investigaciones futuras podrían revelar sus efectos precisos y el momento de la selección, proporcionando conocimientos críticos sobre genética, nutrición y salud».
Otros autores de la UB que participaron en el estudio incluyen a los estudiantes de doctorado Petar Pajic y Kendra Scheer.
La investigación fue una colaboración con el Centro de Salud de la Universidad de Connecticut y contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias y el Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano, Institutos Nacionales de Salud.
