Генетична адаптація до вмісту селену в їжі в новітній історії людства
Генетична адаптація людини до наявності поживних речовин
Оскільки вони емігрували з Африки приблизно 60 000 років тому [1], люди оселилися в самих різних районах. Для того, щоб добре розвиватися в цих різноманітних середовищах, окремі групи людей не тільки використовували культурні та технологічні досягнення, але й часто адаптувались на генетичному рівні. Тому їм довелося пристосуватися до регіональних відмінностей у складі їжі. Наприклад, більшість ссавців не можуть засвоювати молочний цукор лактозу після годування груддю. У популяціях людей в Європі та Африці, які утримують худобу для виробництва молока, відбулася адаптація гена лактази. Це також дозволяє дорослим засвоювати лактозу і, таким чином, продовжувати отримувати харчові переваги від молока [2].
Мікроелемент селен є важливим компонентом раціону людини, а його дієтичний вміст головним чином визначається концентрацією селену в ґрунті, на якому вирощується їжа. Кількість селену, що міститься в ґрунті, сильно різниться у різних країнах світу. Отже, з часу міграції з Африки люди поселились по всьому світу в районах із надзвичайно різною кількістю селену в раціоні.
Навіщо людям селен
Людям потрібен селен у їжі, щоб створити 25 людських білків, які містять селен у формі 21-ї амінокислоти селеноцистеїну (Sec). Ці Sec-містять білки називаються селенопротеїнами і беруть участь у життєво важливих процесах, наприклад, для захисту клітин від окисних пошкоджень. Sec є аналогом найбільш часто зустрічається амінокислоти цистеїн (Cys), при цьому атом сірки у функціональній групі Cys в Sec замінюється селеном. Вважається, що Sec має унікальну хімічну роль, яку Cys не може виконати в однаковій мірі. Окрім селенопротеїдів, у людини також є шість генів, отриманих із селенопротеїдів, які містять Cys замість Sec (це паралоги, що містять Cys). Кожен із цих генів відіграє подібну роль для селенопротеїнів, але для їх функціонування не потрібно споживання селену.
Sec має ту особливість, що пов'язаний з ним кодон (тобто триплет послідовних нуклеобаз у геномі, в яких кодується структура певної амінокислоти) UGA, як правило, є стоп-кодоном. Щоб кодон UGA можна було прочитати як Sec, потрібна низка спеціалізованих механізмів функціонального білка: Перетворення цього гена в селенопротеїн в організмі вимагає дії принаймні 19 інших білків, які в сукупності називаються регуляторними білками. Ці білки регулюють селен в організмі, синтезують Sec і контролюють включення Sec в амінокислотний ланцюг.
За підрахунками, близько мільярда людей їдять дефіцит селену [3], хоча це обмежено деякими регіонами світу. Наприклад, у Китаї є одні з найвищих та одні з найнижчих рівнів селену у світі. У регіонах з важким дефіцитом селену захворювання серцевого м’яза (хвороба Кешана) з високим рівнем смертності у дітей та інвалідизуюче захворювання кісток і хрящів (хвороба Кашина-Бека) траплялося ендемічно до нещодавно запроваджених програм доповнення селену [ 4]. Помірний дефіцит селену може спричинити збої в роботі імунної системи, знизити фертильність, когнітивну слабкість та збільшити ризик смертності [5]. Оскільки достатнє споживання селену є настільки важливим для здоров’я та родючості людини, а кількість селену в їжі в різних країнах дуже різниться, дослідники з Департаменту еволюційної генетики висунули гіпотезу про те, що різниці в харчовому споживанні селену може бути багато Впливав на еволюцію селеноасоційованих генів у людини протягом поколінь.
Пошук адаптації в селенових генах
Рис. 1: У цій роботі проаналізовано просторове розташування людських популяцій з усього світу.
У пошуках адаптації до рівнів селену дослідники вивчали генетичні зміни генів селенопротеїнів, паралогів, що містять Cys, та регуляторних генів селену у 855 людей із 50 популяцій у всьому світі (Рис. 1). Ця широта населення забезпечує широкий спектр передумов щодо вмісту селену в їжі. Дослідники зберегли зібрані дані в базі даних SelenoDB (www.selenodb.org) [6], щоб зробити їх доступними для спільноти біологів селену.
Адаптація до дефіциту селену
Рис.2: Порівняння незвично великих відмінностей у частоті генетичних варіантів між популяціями з різних регіонів світу. (А) Порівняння між регіонами світу. (B) Порівняння популяцій у Китаї, які проживають або в регіонах з дефіцитом селену, або в регіонах з достатньою кількістю селену (по відношенню до інших регіонів світу).
Дослідники виявили, що в Центральній Південній Азії та Східній Азії є дані про місцеву адаптацію як селенопротеїдів, так і регуляторних генів, і, крім того, ще одне свідчення про селенопротеїни в Америці (регіон червоного кольору у Рис. 2А). Більшість населення Східної Азії походить з Китаю, де є великі регіони дефіциту селену. Низький вміст селену в грунті також може бути виявлений у Пакистані, звідки походить більшість зразків Центральної Південної Азії. Тому цілком ймовірно, що ці ознаки позитивного відбору відображають пристосування до рівня селену в навколишньому середовищі. Ознака позитивного відбору в Америці трактується більш обережно, оскільки в цій частині світу не виявлено дефіциту селену у людей.
Однак для паралогів, що містять Cys, немає жодних доказів адаптації в жодному регіоні світу. Ці гени мають подібні функції з селенопротеїнами, і тому можна підозрювати, що вони відіграють роль у компенсації функції селенопротеїнів, коли селену бракує. Однак відомо, що Sec та Cys відрізняються своїми каталітичними властивостями і функціонально не взаємозамінні. Отже, це може обмежити здатність генів, що містять Cys, переважати над функцією селенопротеїдів. Дійсно, відсутність значних доказів адаптації в цих генах, ймовірно, відображає їх незалежність від селену і свідчить про те, що цистеїносодержащіе гени не відіграють компенсаторної ролі при низькому рівні селену.
Далі дослідники уважніше розглянули ознаки адаптації в Азії. Більшість досліджених популяцій походять з Китаю, частини світу, дефіцитом селену є великі регіони, і де такі захворювання, як хвороба Кешана, були ендемічними. Вони розділили населення Китаю на дві групи, залежно від того, живуть вони в регіонах із дефіцитом селену або районах із достатньою кількістю селену. Це показало, що показання до адаптації обмежені регіонами Китаю з дефіцитом селену (Рис. 2B, Рис. 3). Це підтверджує припущення, що дефіцит селену є тим, що рухає адаптацію в цих генах.
Рис.3: Населення з частин Китаю з дефіцитом селену дає найбільш чіткі ознаки місцевої адаптації в межах Китаю. Рожеві ділянки на карті - регіони з дефіцитом селену, де хвороби дефіциту селену були ендемічними. Для популяцій, позначених червоним кольором, які мешкають у рожевих районах, є чіткі докази адаптації генів, пов’язаних із селеном. Популяції, позначені синім кольором, які мешкають у регіонах з достатньою кількістю селену (зелені зони на карті) не дають жодних ознак адаптації у генах, пов’язаних із селеном.
Висновки
Результати свідчать про те, що мікроелементи селен були важливі під час недавньої еволюції людини: Коли люди поширювались по всьому світу, адаптація в генах, що містять селен або регулюють його вживання, могла допомогти людям стати бідними на селен регіонами заселити. Звідси випливає, що популяції людей сьогодні, внаслідок своєї історії, можуть мати різні ризики страждання від селенових захворювань.