Генетична адаптация към съдържанието на селен в храната в новата човешка история
Генетична адаптация на хората към наличието на хранителни вещества
Откакто са емигрирали от Африка преди около 60 000 години [1], хората са се заселили в най-различни области. За да се развият добре в тези разнообразни среди, отделните групи хора не само са се възползвали от културния и технологичен напредък, но често са се адаптирали и на генетично ниво. Така че те трябваше да се приспособят към регионалните различия в състава на храните. Например, повечето бозайници не могат да усвоят млечната захар лактоза след кърмене. В човешките популации в Европа и Африка, които отглеждат говеда за производство на мляко, е настъпила адаптация в гена на лактазата. Той също така позволява на възрастните да усвояват лактозата и по този начин продължават да се радват на хранителна полза от млякото [2].
Микронутриентът селен е съществен компонент на човешката диета.Диетичното му съдържание се определя главно от концентрацията на селен в почвата, върху която се отглежда храната. Количеството селен, съдържащо се в почвата, варира значително по целия свят. Така че, откакто мигрират от Африка, хората са се заселили по целия свят в райони с изключително различни количества селен в диетата си.
Защо хората се нуждаят от селен
Хората се нуждаят от селен в диетата си, за да изградят 25-те човешки протеини, които съдържат селен под формата на 21-ва аминокиселина селеноцистеин (Sec). Тези Sec-съдържащи протеини се наричат селенопротеини и участват в жизненоважни процеси, например за защита на клетките от окислително увреждане. Sec е аналог на по-често срещаната аминокиселина цистеин (Cys), като серният атом във функционалната група на Cys в Sec е заменен със селен. Смята се, че Sec има уникална химическа роля, която Cys не може да направи в същата степен. В допълнение към селенопротеините, хората имат и шест гена, получени от селенопротеини, които съдържат Cys вместо Sec (това са Cys-съдържащите паралози). Всеки от тези гени играе подобна роля за селенопротеините, но не изисква прием на селен, за да функционира.
Sec има особеността, че свързаният с него кодон (т.е. триплет от последователни нуклеобази в генома, в които е кодирана структурата на определена аминокиселина) UGA обикновено е стоп кодон. За да може UGA кодонът да се чете като Sec, са необходими редица специализирани функционални механизми за протеини: Превръщането на този ген в селенопротеин в организма изисква действието на поне 19 други протеини, които заедно се наричат регулаторни протеини. Тези протеини регулират селена в организма, синтезират Sec и контролират включването на Sec в аминокиселинната верига.
Смята се, че около един милиард души в диетата си имат дефицит на селен [3], въпреки че това е ограничено до определени региони по света. Например Китай има едни от най-високите и някои от най-ниските нива на селен в света. В региони с тежък дефицит на селен, заболяване на сърдечния мускул (болест на Кешан) с висока смъртност при деца и увреждащо заболяване на костите и хрущялите (болест на Кашин-Бек) е възникнало ендемично преди наскоро въведените програми за добавки на селен 4]. Лекият дефицит на селен може да причини неправилно функциониране на имунната система, намалена плодовитост, когнитивна слабост и повишен риск от смъртност [5]. Тъй като адекватният прием на селен е толкова важен за човешкото здраве и плодовитост, а количеството на селен в храната варира в широки граници по света, изследователи от катедрата по еволюционна генетика предположиха, че разликите в диетичния прием на селен може да са много Влияеше върху еволюцията на селен-свързани гени при хората в продължение на поколения.
Търсенето на адаптация в свързани със селен гени
Фиг. 1: Пространствено разположение на човешките популации от цял свят, анализирано в тази работа.
В търсене на адаптация към нивата на селен, изследователите изследват генетичните вариации в селенопротеиновите гени, съдържащите Cys паралози и регулаторните гени на селен при 855 души от 50 популации по света (Фиг. 1). Тази широчина на популациите осигурява широк спектър от фонове по отношение на съдържанието на селен в храната. Изследователите са съхранили събраните данни в базата данни SelenoDB (www.selenodb.org) [6], за да ги направят достъпни за общността на селеновите биолози.
Адаптиране към дефицит на селен
Фиг. 2: Сравнение на необичайно големи разлики в честотата на генетичните варианти между популациите от различни региони на света. (А) Сравнение между регионите по света. (Б) Сравнение между популациите в Китай, които живеят или в региони с дефицит на селен, или в региони с достатъчно селен (по отношение на други региони по света).
Изследователите установяват, че в Централна Южна Азия и Източна Азия има данни за локална адаптация както в селенопротеините, така и в регулаторните гени, а освен това има и други доказателства за селенопротеините в Америка (регион в червено в Фигура 2А). Повечето популации на Източна Азия идват от Китай, където има големи региони с недостиг на селен. Ниско съдържание на селен в почвата може да се намери и в Пакистан, откъдето идват повечето проби от Централна Южна Азия. Следователно е вероятно тези признаци на положителен подбор да отразяват приспособяване към нивото на селен в околната среда. Признакът за положителен подбор в Америка се тълкува по-предпазливо, тъй като не е доказан недостиг на селен при хората в тази част на света.
За паралозите, съдържащи Cys, обаче няма данни за адаптация в нито един регион по света. Тези гени имат сходни функции с селенопротеините и поради това може да се подозира, че те играят роля за компенсиране на селенопротеиновата функция, когато селенът е оскъден. Известно е обаче, че Sec и Cys се различават по своите каталитични свойства и не са функционално взаимозаменяеми. Следователно това може да ограничи способността на съдържащите Cys гени да надвишават функцията на селенопротеините. Всъщност липсата на значителни доказателства за адаптация в тези гени вероятно отразява тяхната независимост от селена и предполага, че гените, съдържащи цистеин, не играят компенсаторна роля при ниски нива на селен.
След това изследователите разгледаха по-отблизо признаците на адаптация в Азия. Повечето от изследваните популации са от Китай, част от света, която има дефицит на селен в големи региони и където болестите с тежък дефицит като болестта на Кешан са ендемични. Те разделиха популациите в Китай на две групи, в зависимост от това дали живеят в региони с дефицит на селен или райони с достатъчно селен. Това показа, че показанията за адаптация са ограничени до регионите на Китай с дефицит на селен (Фигура 2В, Фигура 3). Това подкрепя предположението, че дефицитът на селен е това, което движи адаптацията в тези гени.
Фиг. 3: Популациите от части на Китай с дефицит на селен дават най-ясните индикации за местна адаптация в рамките на Китай. Розовите области на картата са региони с дефицит на селен, където болестите на селен дефицит са ендемични. За популациите, маркирани с червено, които живеят в розовите райони, има ясни доказателства за адаптация в свързаните със селен гени. Популациите, маркирани в синьо, които живеят в региони с достатъчно селен (зелени площи на картата), не дават никакви признаци на адаптация в свързаните със селен гени.
Заключения
Резултатите предполагат, че микроелементът селен е бил важен по време на скорошната еволюция на човека: Тъй като хората се разпространяват по света, адаптация в гените, които съдържат селен или регулират употребата му, може да е помогнала на хората да станат бедни на селен региони населявам. В резултат на това човешките популации днес, в резултат на тяхната история, могат да имат различни нива на риск да страдат от свързани със селен заболявания.