Los hallazgos son una oportunidad para mejorar la salud metabólica de las personas y y descubrir los mecanismos involucrados en la digestión del almidón y el metabolismo de la glucosa.
Tom Dinki | Nueva York, EE.UU. | Universidad de Búfalo | Todo El Campo | Si alguna vez has luchado por reducir tu ingesta 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 para metabolizar alimentos con almidón como el pan y la pasta. Sin embargo, ha sido notoriamente difícil para los investigadores determinar cómo y cuándo se expandió el número de estos genes.
Ahora, un nuevo estudio dirigido por la neoyorkina Universidad de Búfalo (UB) y el Laboratorio Jackson (JAX) revela cómo la duplicación de este gen, conocido como el gen de la amilasa salival (AMY1), no solo puede haber ayudado a dar forma a la adaptación humana a los alimentos con almidón, sino que puede haber ocurrido hace más de 800.000 años, mucho antes del advenimiento de la agricultura.
El estudio, publicado en la revista Science (*), muestra cómo las primeras duplicaciones de este gen preparan el escenario para la amplia variación genética que todavía existe hoy en día, influyendo en la eficacia con la que los humanos digieren los alimentos con almidón.
«La idea es que cuantos más genes de amilasa tengas, más amilasa puedes producir y más almidón puedes digerir de manera efectiva», dice Omer Gokcumen, profesor del Departamento de Ciencias Biológicas de la Facultad de Artes y Ciencias y autor del estudio.
La amilasa, explican los investigadores, es una enzima que no solo descompone el almidón en glucosa, sino que también le da al pan su sabor.
Gokcumen y sus colegas, entre los que se encuentra el coautor principal Charles Lee, profesor y presidente de la cátedra Robert Alvine Family 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 las 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.
MÚLTIPLES COPIAS AMY1 PARA CAZADORES-RECOLECTORES.
Al analizar los genomas de 68 humanos antiguos, incluida una muestra de 45.000 años de antigüedad de Siberia, el equipo de investigación descubrió 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 caminaban por Eurasia con una amplia variedad de copias de AMY1 mucho antes de que comenzaran a domesticar plantas y comer cantidades excesivas de almidón.
El estudio también encontró que las duplicaciones del gen AMY1 ocurrieron 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 más atrás de lo que se pensaba«, dice Kwondo Kim, uno de los autores principales del estudio del Laboratorio Lee en JAX.
«Las duplicaciones iniciales en nuestros genomas sentaron las bases para una variación significativa en la región de la amilasa, lo que permitió a los humanos adaptarse a dietas cambiantes a medida que el consumo de almidón aumentaba drásticamente con el advenimiento de nuevas tecnologías y estilos de vida», agrega Gokcumen.
La duplicación inicial de AMY1 fue como la primera onda en un estanque, creando una oportunidad genética que más tarde dio forma a nuestra especie. A medida que los humanos se extendían 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.
«Después de la duplicación inicial, que dio lugar a tres copias de AMY1 en una célula, el locus de la 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 impactó en 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 previa de Gokcumen mostró que los animales domésticos que viven junto a los humanos, como los perros y los 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.
«Es probable que los individuos con un mayor número de copias de AMY1 digieran el almidón de manera más eficiente y tuvieran más descendencia», dice Gokcumen. «En última instancia, a sus linajes les fue mejor durante un largo período de tiempo evolutivo que aquellos con un número de copias más bajo, propagando el número de copias AMY1».
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 involucrados en la digestión del almidón y el metabolismo de la glucosa», dice Feyza Yilmaz, científico computacional asociado en JAX y autor principal del estudio. «Las investigaciones futuras podrían revelar sus efectos precisos y el momento de la selección, proporcionando información crítica sobre la genética, la nutrición y la salud».
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Otros autores de la UB en el estudio incluyen a los estudiantes de doctorado Petar Pajic y Kendra Scheer.
La investigación, una colaboración con el Centro de Salud de la Universidad de Connecticut, fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias y el Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano de los Institutos Nacionales de Salud.
(*) Artículo publicado en la revista Science: La reconstrucción del locus amilasa humano revela antiguas duplicaciones que siembran la variación moderna | Ciencia
(**) Artículo publicado en la revista Nature: La evolución y selección recurrentes dan forma a la diversidad estructural en el locus de la amilasa | Naturaleza
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