布法羅大學：研究揭開人類對碳水渴望背後的古老秘密

澱粉酶基因座及其如何進化以影響人類消化麵包和義大利麵等複雜碳水化合物的圖示。 資料來源：傑克遜實驗室

準確確定這些基因複製是如何以及何時增加的，一直是研究人員面臨的重大挑戰。 布法羅大學（UB）和傑克遜實驗室（JAX）最近的一項研究揭示，該基因的早期複製為我們今天看到的基因多樣性鋪平了道路，而基因多樣性影響著人類消化澱粉類食物的能力。

該研究結果發表在今天10月17日出版的《科學》（Science）網路版高階刊物上，它揭示了這種被稱為唾液澱粉酶基因（AMY1）的複製不僅可能幫助人類形成了對澱粉類食物的適應，而且可能早在80多萬年前就已經發生了，遠遠早於農耕時代的到來。

這項研究的通訊作者、伯明翰大學文理學院生物科學系教授奧馬爾-戈克庫門（Omer Gokcumen）博士說：”我們的想法是，澱粉酶基因越多，就能產生越多的澱粉酶，就能有效消化越多的澱粉。 研究人員解釋說，澱粉酶是一種不僅能把澱粉分解成葡萄糖，還能讓麵包有味道的酶。”

Gokcumen 和他的同事，包括共同第一作者、JAX 教授兼羅伯特-阿爾文家族捐贈講座教授查爾斯-李，利用光學基因組圖譜和長讀數測序技術，實現了方法上的突破，這對繪製 AMY1 基因區域的詳細圖譜至關重要。 傳統的短執行緒測序方法很難準確區分該區域的基因複製，因為它們的序列幾乎完全相同。 然而，長執行緒測序讓Gokcumen和Lee克服了這一挑戰，為AMY1複製是如何進化的提供了更清晰的影像。

研究小組分析了68個古人類的基因組，包括來自西伯利亞的一個4.5萬年前的樣本，發現農業化前的狩獵採集者每個二倍體細胞平均已經有4到8個AMY1複製，這表明人類在開始馴化植物和食用過量澱粉之前，就已經在歐亞大陸上行走，並擁有各種各樣的高AMY1複製數。

研究還發現，AMY1基因複製發生在尼安德特人和丹尼索瓦人身上。”這表明AMY1基因可能是在80多萬年前首次複製的，遠遠早於人類從尼安德特人中分離出來的時間，比以前認為的時間要早得多，”這項研究的主要作者之一、來自JAX李實驗室的Kwondo Kim說。

Gokcumen說：”我們基因組中的最初複製為澱粉酶區域的顯著變異奠定了基礎，使人類能夠適應飲食的變化，因為隨著新技術和生活方式的出現，澱粉消耗量急劇增加。”

AMY1的最初複製就像池塘中的第一圈漣漪，創造了一個遺傳機會，後來塑造了我們的物種。 隨著人類在不同環境中傳播，AMY1複製數的靈活性為適應新的飲食，特別是富含澱粉的飲食提供了優勢。

該研究的主要作者之一、哥倫比亞大學的 Charikleia Karageorgiou 說：”經過最初的複製，細胞中出現了三個 AMY1 副本，澱粉酶基因座變得不穩定，並開始產生新的變異。從三個AMY1複製，你可以一直增加到九個複製，甚至回到每個單倍體細胞只有一個複製的狀態。”

研究還強調了農業如何影響AMY1變異。 早期的狩獵採集者有多個基因複製，而在過去的4000年中，歐洲農民的AMY1複製平均數量激增，這很可能是由於他們的飲食富含澱粉。 Gokcumen 的先前研究表明，與人類生活在一起的馴化動物，如狗和豬，與不依賴澱粉含量高的飲食的動物相比，也有較高的AMY1複製數。

Gokcumen 說：”AMY1複製數較高的個體消化澱粉的效率可能更高，後代也更多。在漫長的進化過程中，它們的品系最終比那些複製數較低的品系表現得更好，從而傳播了AMY1複製的數量。”

這些發現與上個月發表在Nature上的一項由加州大學伯克利分校牽頭的研究相吻合，該研究發現，在過去的1.2萬年間，歐洲人類的AMY1 複製的平均數量從4個增加到了7個。

“鑑於AMY1複製數變異在人類進化中的關鍵作用，這種遺傳變異為探索其對代謝健康的影響以及揭示澱粉消化和葡萄糖代謝的相關機制提供了一個令人興奮的機會。未來的研究可能會揭示它的精確作用和時機選擇，為遺傳學、營養學和健康提供重要的見解”。