農業は人類が炭水化物からより多くのエネルギーを得る進化にどのように貢献したか

私たちの体はエネルギーを得るために炭水化物を絶対に必要とします。それは生き残るための問題です。そのため、一部の人類集団は過去 12,000 年間でデンプンや糖を分解する遺伝子の数を実際に増やしました。その間に、ヨーロッパ人はデンプン分解遺伝子を平均 8 個から 11 個以上に増やしました。

この適応は、農業が中東からヨーロッパ全土に広がるにつれ、狩猟採集生活からより農耕的な生活へと移行したことを示している。小麦などの高炭水化物の主食が人間の食事で劇的に増加し、そのエネルギーを効率的に吸収する能力が有利になった。この研究結果は、9月4日にネイチャー誌に掲載された研究で詳細に述べられている。

「アミラーゼ遺伝子座」に注目

ヒトゲノムには約 19,900 個の遺伝子が知られており、その一部は酵素と呼ばれる遺伝子がコードする特定のタンパク質を生成できます。酵素にはさまざまな機能があり、アミラーゼは体内で炭水化物を分解するのを助ける酵素です。アミラーゼは唾液と膵臓で生成され、デンプンを体にエネルギーを与える糖に消化します。

「乾いたパスタを口に入れると、やがて少し甘くなります」と、研究の共著者でカリフォルニア大学バークレー校の生物学者ピーター・サドマント氏は声明で述べた。「これは唾液中のアミラーゼ酵素がデンプンを糖に分解する働きです。これはすべての人間だけでなく、他の霊長類にも起こります。」

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遺伝子のコピー数が多いということは、通常、生物が特定の酵素をコードするタンパク質のレベルが高いことを意味します。ボノボ、チンパンジー、ネアンデルタール人のゲノムには、遺伝子 AMY1 のコピーが 1 つあります。染色体 1 にあるこの遺伝子は、唾液アミラーゼをコードします。また、これらのゲノムには、膵臓アミラーゼ遺伝子 AMY2A と AMY2B のコピーも 1 つあります。これら 3 つの遺伝子はすべて、科学者がアミラーゼ遺伝子座と呼ぶ霊長類ゲノムの領域に互いに近接して配置されています。ただし、ヒトのゲノムは少し異なります。

「私たちの研究で、ヒトゲノムの各コピーにはAMY1のコピーが1～11個、AMY2Aのコピーが0～3個、AMY2Bのコピーが1～4個あることが分かりました」と、研究の共著者でカリフォルニア大学バークレー校のポスドク研究員であるランヤン・ニコラス・ルー氏は声明で述べた。「コピー数は遺伝子発現やタンパク質レベルと相関しており、したがってデンプンを消化する能力とも相関しています。」

遺伝子分析により、研究チームは約 12,000 年前、ヨーロッパ全土の人類は唾液アミラーゼ遺伝子を平均 4 コピー持っていたことを発見しました。時が経つにつれ、その数は約 7 に増加しました。2 つの膵臓アミラーゼ遺伝子を合わせたコピー数も、平均で遺伝子の半分増加しました。この炭水化物遺伝子の増加は、染色体にアミラーゼ遺伝子の複数のコピーがあることが、生存に非常に有利であることを示唆しています。

ライフスタイルの変化

重要なのは、研究チームが世界中の他の農業集団でもアミラーゼ遺伝子が増加している証拠を発見したことだ。これらのアミラーゼ遺伝子が位置する染色体の領域も、その文化で栽培されたでんぷん質の植物に関係なく、これらの集団すべてで類似しているように見える。

研究チームによると、これは世界中の人々の間で農業が始まったとき、炭水化物へのアクセス増加を有利に利用するために、信じられないほど似た方法でヒトゲノムを急速に変化させたことを示しているという。アミラーゼ遺伝子のコピー数の変化につながる進化の速度は、ヒトゲノムの単一DNA塩基対の変化の速度の約1万倍速かった。

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「ヨーロッパ人のアミラーゼ遺伝子のコピー数は農業が始まって以来増加していると長い間考えられてきましたが、これまでこの遺伝子座の完全な配列を解明できたことはありませんでした。この遺伝子座は極めて反復性が高く、複雑です」とサドマント氏は言う。「今回、ようやく構造的に複雑な領域を完全に捉えることができ、それによってこの領域の選択の歴史、進化のタイミング、世界中の人々の多様性を調査できるようになりました。これで、人間の病気との関連性について考え始めることができます。」

疑われている関連性の 1 つは、虫歯です。以前の研究では、AMY1 のコピー数が多いほど虫歯になりやすいことが示唆されています。これは、唾液が噛んだ食べ物のデンプンを糖に変換する働きが優れており、それが歯を食べる細菌の栄養となるためと考えられます。

ロングリードシーケンシング

この研究では、ロングリードシーケンシングと呼ばれる遺伝子配列決定プロセスも活用しました。これにより、科学者は数千塩基対の長さの DNA 配列を読み取り、反復配列がどこにあるかを正確に把握できます。

研究当時、ヒト・パンゲノム・リファレンス・コンソーシアム（HPRC）は、94 のヒト半数体ゲノムのロングリード配列を収集していました。研究チームはこれらのゲノムを使用して、現代のアミラーゼ領域の多様性を評価しました。次に、同じ領域を 519 の古代ヨーロッパのゲノムで評価しました。HPRC のゲノム（パンゲノムと呼ばれる）を使用することで、より包括的で、より正確に人間の多様性を捉えたリファレンスが得られました。

研究の共著者でカリフォルニア大学バークレー校のポスドク研究員であるジョアナ・ロチャ氏は、アミラーゼ遺伝子が密集している領域を「さまざまなレゴブロックで作られた彫刻」に例えました。「それがハプロタイプ構造です。これまでの研究では、まず彫刻を解体し、ブロックの山から彫刻がどのような外観だったかを推測する必要がありました。現在では、ロングリードシーケンスとパンゲノミクス手法により、彫刻を直接調べることができるため、さまざまなハプロタイプ構造の進化の歴史と選択的影響を研究する前例のない力が得られます。」

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科学者はロングリードシーケンシングを使用して、免疫システム、皮膚の色素、粘液の生成に関与するゲノムの他の領域を調査することができます。これらの領域はすべて、最近の人類の歴史の中で急速な遺伝子複製を経験しました。

「ここで私たちが成し遂げた興味深いことの一つは、現代と古代のゲノムの両方を調査して、この遺伝子座における構造進化の歴史を分析することだ」と、研究の共著者でテネシー大学健康科学センターの計算生物学者エリック・ギャリソン氏は声明で述べた。

これらの方法は、他の種、特に人間の周りにいることが多い種にも適用できます。犬、豚、ネズミ、マウスはすべて、野生の同族よりもアミラーゼ遺伝子のコピーが多く、私たちの食卓の残り物やゴミを利用する可能性が高いです。