农业如何帮助人类进化以从碳水化合物中获取更多能量

我们的身体绝对需要碳水化合物来提供能量。这是生存问题。在过去的 12,000 年里，一些人类种群实际上增加了帮助分解淀粉和糖的基因数量。在此期间，欧洲人的平均淀粉分解基因数量从 8 个增加到 11 个以上。

这种适应性反映了人类从狩猎采集生活方式向农耕生活方式的转变，因为农业从中东传播到了欧洲。小麦等高碳水化合物主食在人类饮食中急剧增加，而有效吸收所有能量的能力是有利的。该研究结果详述于 9 月 4 日发表在《自然》杂志上的一项研究中。

关注“淀粉酶基因座”

人类基因组中大约有 19,900 个已知基因，其中一些基因可以产生由基因编码的特定蛋白质，即酶。酶具有多种功能，而淀粉酶可以帮助人体分解碳水化合物。唾液和胰腺中会产生淀粉酶，将淀粉消化成糖，为身体提供能量。

“如果你把一片干面条放进嘴里，它最终会变得有点甜，”这项研究的共同作者、加州大学伯克利分校生物学家彼得·苏德曼特在一份声明中说。“这是唾液淀粉酶将淀粉分解成糖。所有人类以及其他灵长类动物都会发生这种情况。”

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基因拷贝数越多，通常意味着生物体拥有更高水平的蛋白质，而这些蛋白质是基因编码特定酶的。倭黑猩猩、黑猩猩和尼安德特人的基因组都有一个基因 AMY1 的拷贝。该基因位于 1 号染色体上，编码唾液淀粉酶。它们的基因组还拥有两个胰腺淀粉酶基因 AMY2A 和 AMY2B 的一个拷贝。这三个基因都位于灵长类动物基因组中一个彼此靠近的区域，科学家称之为淀粉酶位点。然而，人类基因组略有不同。

“我们的研究发现，人类基因组的每个副本都包含 1 到 11 个 AMY1 副本、0 到 3 个 AMY2A 副本和 1 到 4 个 AMY2B 副本，”研究合著者、加州大学伯克利分校博士后研究员 Runyang Nicolas Lou 在一份声明中表示。“副本数与基因表达和蛋白质水平相关，因此与消化淀粉的能力相关。”

通过基因分析，研究小组发现，大约 12,000 年前，欧洲各地的人类平均拥有 4 个唾液淀粉酶基因拷贝。随着时间的推移，这个数字增加到了 7 个左右。两种胰腺淀粉酶基因的拷贝数总和也平均增加了半个基因。碳水化合物基因的增加表明，拥有多个淀粉酶基因拷贝的染色体一定具有强大的生存优势。

生活方式的转变

重要的是，该团队还发现，世界各地的其他农业种群中淀粉酶基因有所增加。这些淀粉酶基因所在的染色体区域在所有这些种群中也看起来相似，无论该文化中驯化了哪种淀粉植物。

研究小组表示，这表明随着农业在世界各地人口中兴起，人类基因组似乎以极为相似的方式迅速改变，以利用这种增加的碳水化合物获取途径为我们带来优势。导致淀粉酶基因拷贝数变化的进化速度比人类基因组中单个 DNA 碱基对变化的速度快约 10,000 倍。

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“长期以来，人们一直假设，自农业出现以来，欧洲人的淀粉酶基因拷贝数有所增加，但我们之前从未能够对这个基因座进行完整的测序。它重复性极强，非常复杂，”Sudmant 说。“现在，我们终于能够完全捕捉到这些结构复杂的区域，并借此研究该区域的选择历史、进化时间和全球人口的多样性。现在，我们可以开始思考它与人类疾病的关联了。”

其中一个疑似关联是蛀牙。一些早期研究表明，AMY1 基因拷贝数越多，蛀牙越多。这可能是因为唾液能更好地将咀嚼食物中的淀粉转化为糖，而糖又为蛀牙的细菌提供养分。

长读长测序

这项研究还利用了一种名为长读测序的基因测序过程。这使科学家能够读取数千个碱基对长的 DNA 序列，以准确捕捉重复片段的位置。

在研究期间，人类泛基因组参考联盟 (HPRC) 已经收集了 94 个人类单倍体基因组的长读序列。该团队利用这些基因组评估了当代淀粉酶区域的多样性。然后，他们评估了 519 个古欧洲基因组中的同一区域。使用 HPRC 的基因组（称为泛基因组）可以提供更具包容性的参考，从而更准确地捕捉人类的多样性。

研究合著者、加州大学伯克利分校博士后研究员乔安娜·罗查 (Joana Rocha) 将淀粉酶基因聚集的区域比作“由不同乐高积木制成的雕塑。这些就是单倍型结构。以前的研究必须先拆下雕塑，然后从一堆砖块推断雕塑可能是什么样子。长读测序和泛基因组学方法现在使我们能够直接检查雕塑，从而为我们提供了前所未有的能力来研究不同单倍型结构的进化历史和选择性影响。”

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科学家可以利用长读测序探索基因组的其他区域，包括与我们的免疫系统、皮肤色素沉着和粘液产生有关的区域。在人类近代历史上，这些区域都经历了快速的基因复制。

这项研究的共同作者、田纳西大学健康科学中心计算生物学家埃里克·加里森在一份声明中说：“我们在这里能够做的令人兴奋的事情之一就是探测现代和古代基因组，以剖析该基因位点的结构进化历史。”

这些方法也可以应用于其他物种，特别是那些经常出现在人类周围的物种。狗、猪、大鼠和小鼠都比它们的野生近亲拥有更多的淀粉酶基因拷贝，很可能利用我们的餐桌残羹剩饭和垃圾。