İnsanların, kompleks karbonhidrat olan nişastayı ağızda parçalamaya başlamasını sağlayan bir genin birden fazla kopyasını taşıdığı uzun zamandır biliniyor. Bu gen, ekmek ve makarna gibi nişastalı gıdaların metabolize edilmesinde ilk adımı sağlıyor. Ancak, bu genlerin sayısının ne zaman ve nasıl arttığını tespit etmek, araştırmacılar için her zaman zorlu bir süreç olmuştur.
Buffalo Üniversitesi ve Jackson Laboratuvarı (JAX) liderliğinde yapılan yeni bir çalışma, bu genin - tükürük amilaz geni (AMY1) olarak bilinir - kopyalanmasının, insanların nişastalı gıdalara uyum sağlamasında nasıl rol oynadığını ve bunun tarımın ortaya çıkmasından çok önce, 800.000 yıldan daha eski bir tarihte gerçekleşmiş olabileceğini ortaya koyuyor.
Bu bulgular, 17 Ekim'de Science dergisinin çevrim içi sayısında yayınlanan çalışmada sunuldu. Çalışma, bu genin erken dönemdeki kopyalanmalarının, günümüzde hala mevcut olan geniş genetik çeşitliliğin temelini nasıl oluşturduğunu ve insanların nişastalı gıdaları sindirme becerilerini nasıl etkilediğini gözler önüne seriyor.
"Fikir şu: Ne kadar çok amilaz geniniz varsa, o kadar fazla amilaz üretebilir ve nişastayı o kadar etkili bir şekilde sindirebilirsiniz," diyor çalışmanın baş yazarı, Buffalo Üniversitesi Sanat ve Bilimler Fakültesi Biyolojik Bilimler Bölümü’nden Prof. Dr. Omer Gokcumen.
Araştırmacılar, amilazın sadece nişastayı glukoza parçalayan bir enzim olmadığını, aynı zamanda ekmeğe lezzetini veren bir madde olduğunu belirtiyorlar.
Gokcumen ve ekibi, bu çalışmada, AMY1 gen bölgesini detaylı bir şekilde haritalamak için optik genom haritalama ve uzun okuma dizileme yöntemlerini kullandılar. Geleneksel kısa okuma dizileme yöntemleri, bu bölgedeki gen kopyalarını doğru bir şekilde ayırt etmekte zorlanırken, uzun okuma dizileme yöntemi Gokcumen ve Lee'nin bu zorluğun üstesinden gelmelerine olanak tanıdı ve günümüz insanlarında AMY1 kopyalarının nasıl evrildiğine dair daha net bir tablo sundu.
Antik avcı-toplayıcılar ve hatta Neandertallerde bile birden fazla AMY1 kopyası vardı.
Sibirya'dan 45.000 yıllık bir örnek de dahil olmak üzere 68 antik insanın genomlarını inceleyen araştırma ekibi, tarım öncesi avcı-toplayıcıların, diploid hücre başına ortalama dört ila sekiz AMY1 kopyasına sahip olduğunu buldu. Bu da, insanların bitkileri evcilleştirmeye ve fazla miktarda nişasta tüketmeye başlamadan önce bile Avrasya’da yüksek AMY1 kopya sayılarıyla dolaştığını gösteriyor.
Çalışma ayrıca AMY1 gen kopyalarının Neandertaller ve Denisovanlarda da görüldüğünü ortaya koydu.
"Bu, AMY1 geninin, insanların Neandertallerden ayrılmasından çok önce, 800.000 yıldan daha eski bir tarihte kopyalanmış olabileceğini gösteriyor," diyor, çalışmanın Jackson Laboratuvarı'ndaki Lee Laboratuvarı'ndan baş yazar Kwondo Kim.
"Gelişen bu ilk kopyalar, amilaz bölgesinde önemli bir çeşitlilik zemini hazırlayarak, insanların nişasta tüketimi yeni teknolojiler ve yaşam tarzlarıyla birlikte dramatik şekilde artarken değişen diyetlere uyum sağlamasına olanak tanıdı," diye ekliyor Gokcumen.
Genetik çeşitliliğin tohumları
AMY1’in ilk kopyalanması, göletteki ilk dalga gibi, daha sonra türümüzü şekillendirecek bir genetik fırsat yarattı. İnsanlar farklı ortamlara yayıldıkça, AMY1 kopya sayısındaki esneklik, nişasta açısından zengin diyetlere uyum sağlamak için bir avantaj sundu.
"Başlangıçtaki kopyalanmanın ardından, hücre başına üç AMY1 kopyasına sahip hale gelindiğinde, amilaz lokusu kararsız hale geldi ve yeni varyasyonlar oluşturmaya başladı," diyor, çalışmanın UB'den baş yazarlarından Charikleia Karageorgiou. "Üç AMY1 kopyasından, hücre başına dokuz kopyaya kadar çıkabilir veya bir kopyaya geri dönebilirsiniz."
Tarımın karmaşık mirası
Araştırma, tarımın AMY1 çeşitliliği üzerindeki etkisini de vurguluyor. Erken avcı-toplayıcılar birden fazla gen kopyasına sahipken, Avrupa'da çiftçiler, nişasta açısından zengin diyetleri nedeniyle son 4.000 yılda ortalama AMY1 kopya sayısında bir artış yaşadı. Gokcumen'in önceki araştırmaları, insanların yanında yaşayan evcil hayvanların, örneğin köpeklerin ve domuzların, nişasta ağırlıklı diyetlere bağımlı olmayan hayvanlara kıyasla daha yüksek amilaz gen kopya sayılarına sahip olduğunu gösterdi.
"Yüksek AMY1 kopya sayılarına sahip bireyler, muhtemelen nişastayı daha verimli sindiriyor ve daha fazla sayıda çocuk sahibi oluyordu," diyor Gokcumen. "Bu kişilerin soyları, uzun bir evrimsel süreçte daha düşük kopya sayılarına sahip olanlara göre daha başarılı oldu ve AMY1 kopya sayılarının artmasına yol açtı."
Bu bulgular, geçen ay Nature dergisinde yayınlanan, California Üniversitesi, Berkeley liderliğindeki bir çalışmanın sonuçlarıyla da örtüşüyor. O çalışma, Avrupa'da yaşayan insanların son 12.000 yıl içinde ortalama AMY1 kopya sayılarını dörtten yediye çıkardıklarını tespit etmişti.
"AMY1 kopya sayısı çeşitliliğinin insan evrimindeki kritik rolü göz önüne alındığında, bu genetik çeşitlilik, metabolik sağlık üzerindeki etkisini keşfetmek ve nişasta sindirimi ile glukoz metabolizmasının ardındaki mekanizmaları açığa çıkarmak için heyecan verici bir fırsat sunuyor," diyor, çalışmanın Jackson Laboratuvarı'ndaki baş yazarlarından Feyza Yılmaz. "Gelecekteki araştırmalar, bu süreçlerin kesin etkilerini ve seçilim zamanlamasını ortaya çıkararak, genetik, beslenme ve sağlık konularında önemli içgörüler sağlayabilir."
Çalışmanın UB’den diğer yazarları arasında doktora öğrencileri Petar Pajic ve Kendra Scheer de bulunuyor.
Bu araştırma, Connecticut Üniversitesi Sağlık Merkezi ile iş birliği içinde gerçekleştirildi ve Ulusal Bilim Vakfı, Ulusal İnsan Genomu Araştırma Enstitüsü ve Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından desteklendi.
