Adaptare genetică la conținutul de seleniu al alimentelor din istoria umană recentă
Adaptarea genetică a oamenilor la disponibilitatea nutrienților
De când au emigrat din Africa cu aproximativ 60.000 de ani în urmă [1], oamenii s-au stabilit într-o varietate de zone diferite. Pentru a se dezvolta bine în aceste medii diverse, grupurile individuale de oameni nu numai că au făcut uz de progresele culturale și tehnologice, dar s-au adaptat adesea și la nivel genetic. Așa că au trebuit să se adapteze la diferențele regionale în compoziția alimentelor. De exemplu, majoritatea mamiferelor sunt incapabile să digere lactoza din lapte după alăptare. La populațiile umane din Europa și Africa care păstrează bovine pentru producerea laptelui, a avut loc o adaptare a genei lactazei. De asemenea, permite adulților să digere lactoza și, prin urmare, să se bucure în continuare de un beneficiu nutrițional din lapte [2].
Seleniul micronutrienților este o componentă esențială a dietei umane. Conținutul său alimentar este determinat în principal de concentrația de seleniu din solul pe care este cultivat alimentul. Cantitatea de seleniu conținută în sol variază foarte mult în întreaga lume. Deci, de la migrarea din Africa, oamenii s-au stabilit peste tot în lume în zone cu cantități extrem de diferite de seleniu în dieta lor.
De ce oamenii au nevoie de seleniu
Oamenii au nevoie de seleniu în hrana lor pentru a construi cele 25 de proteine umane care conțin seleniu sub forma celui de-al 21-lea aminoacid selenocisteină (Sec). Aceste proteine care conțin Sec sunt numite selenoproteine și sunt implicate în procese vitale, de exemplu pentru a proteja celulele de deteriorarea oxidativă. Sec este un analog al aminoacizilor mai frecvenți cisteină (Cys), atomul de sulf din grupul funcțional al Cys din Sec fiind înlocuit cu seleniu. Se crede că Sec are un rol chimic unic pe care Cys nu îl poate face în aceeași măsură. Pe lângă selenoproteine, oamenii au și șase gene derivate din selenoproteine care conțin Cys în loc de Sec (acestea sunt paralogii care conțin Cys). Aceste gene joacă fiecare un rol similar pentru selenoproteine, dar nu necesită un aport de seleniu pentru a funcționa.
Sec are particularitatea că codonul său asociat (adică un triplet de nucleobaze succesive din genom, în care structura unui anumit aminoacid este codificat) UGA este de obicei un codon stop. Pentru ca codonul UGA să poată fi citit ca Sec, sunt necesare mai multe mașini de proteine funcționale specializate: Conversia acestei gene în selenoproteină din organism necesită acțiunea a cel puțin alte 19 proteine, care sunt denumite în mod colectiv proteine reglatoare. Aceste proteine reglează seleniul din organism, sintetizează sec și controlează încorporarea sec în lanțul de aminoacizi.
Se estimează că aproximativ un miliard de oameni consumă deficiență de seleniu [3], deși acest lucru este limitat la anumite regiuni ale lumii. De exemplu, China are unele dintre cele mai ridicate și unele dintre cele mai scăzute niveluri de seleniu din lume. În regiunile cu deficit sever de seleniu, o boală a mușchiului inimii (boala Keshan) cu o rată ridicată a mortalității la copii și o boală invalidantă a oaselor și a cartilajului (boala Kashin-Beck) a apărut endemic, înainte de recentele programe de supliment de seleniu introduse [ 4]. Deficiența ușoară de seleniu poate provoca disfuncționalități ale sistemului imunitar, scăderea fertilității, slăbiciune cognitivă și risc crescut de mortalitate [5]. Deoarece aportul adecvat de seleniu este atât de important pentru sănătatea și fertilitatea umană, iar cantitatea de seleniu din alimente variază foarte mult în întreaga lume, cercetătorii de la Departamentul de Genetică Evolutivă au emis ipoteza că diferențele în aportul de seleniu din dietă pot fi multe A influențat evoluția genelor asociate seleniului la oameni de generații.
Căutarea adaptării la gene legate de seleniu
Fig. 1: Localizarea spațială a populațiilor umane din întreaga lume analizată în această lucrare.
În căutarea adaptării la nivelurile de seleniu, cercetătorii au examinat variația genetică a genelor selenoproteice, a paralogilor care conțin Cys și a genelor de reglare a seleniului la 855 de persoane din 50 de populații din întreaga lume (Fig. 1). Această gamă de populații oferă o gamă largă de medii cu privire la conținutul de seleniu al alimentelor. Cercetătorii au stocat datele colectate în baza de date SelenoDB (www.selenodb.org) [6] pentru a le pune la dispoziția comunității biologilor din seleniu.
Adaptarea la deficitul de seleniu
Fig. 2: Compararea diferențelor neobișnuit de mari în frecvența variantelor genetice între populațiile din diferite regiuni ale lumii. (A) Comparație între regiunile lumii. (B) Comparație între populațiile din China care trăiesc fie în regiuni cu deficit de seleniu, fie în regiuni cu seleniu suficient (în raport cu alte regiuni ale lumii).
Cercetătorii au descoperit că în Asia de Sud Centrală și Asia de Est există dovezi ale adaptării locale atât în selenoproteine, cât și în genele reglatoare și, în plus, o altă dovadă în selenoproteinele din America (regiune în roșu în Fig. 2A). Majoritatea populațiilor din Asia de Est provin din China, unde pot fi găsite regiuni mari cu deficit de seleniu. Conținut scăzut de seleniu din sol poate fi găsit și în Pakistan, de unde provin majoritatea eșantioanelor din Asia de Sud. Prin urmare, este probabil ca aceste semne de selecție pozitivă să reflecte o ajustare la nivelul de seleniu din mediu. Semnul selecției pozitive în America este interpretat cu mai multă prudență, deoarece nu a fost demonstrată deficiența de seleniu la oameni în această parte a lumii.
Cu toate acestea, pentru paralogurile care conțin Cys, nu există dovezi ale adaptării în nicio regiune a lumii. Aceste gene au funcții similare cu selenoproteinele și, prin urmare, s-ar putea suspecta că joacă un rol în compensarea funcției selenoproteinelor atunci când seleniul este rar. Cu toate acestea, se știe că Sec și Cys diferă prin proprietățile lor catalitice și nu sunt interschimbabile funcțional. Prin urmare, acest lucru ar putea limita capacitatea genelor care conțin Cys de a depăși funcția selenoproteinelor. Într-adevăr, lipsa unor dovezi semnificative de adaptare la aceste gene reflectă probabil independența lor față de seleniu și sugerează că genele care conțin cisteină nu joacă un rol compensator la niveluri scăzute de seleniu.
În continuare, cercetătorii au analizat mai atent semnele adaptării în Asia. Majoritatea populațiilor studiate provin din China, o parte a lumii cu deficit de seleniu în regiuni mari în care bolile cu deficit sever, cum ar fi boala Keshan, erau endemice. Au împărțit populațiile din China în două grupuri, în funcție de faptul că locuiesc în regiuni cu deficit de seleniu sau în zone cu seleniu suficient. Acest lucru a arătat că indicațiile pentru adaptare sunt limitate la regiunile din China cu deficit de seleniu (Fig. 2B, Fig. 3). Acest lucru susține ipoteza că deficitul de seleniu este ceea ce determină adaptarea în aceste gene.
Fig. 3: Populațiile din părți ale Chinei cu deficit de seleniu oferă cele mai clare indicații de adaptare locală în China. Zonele roz de pe hartă sunt regiuni cu deficit de seleniu în care bolile cu deficit de seleniu erau endemice. Pentru populațiile marcate în roșu care trăiesc în zonele roz, există dovezi clare ale adaptării la genele legate de seleniu. Populațiile marcate cu albastru care trăiesc în regiuni cu seleniu suficient (zonele verzi de pe hartă) nu oferă semne de adaptare la genele legate de seleniu.
Concluzii
Rezultatele sugerează că seleniul cu micronutrienți a fost important în timpul evoluției umane recente: pe măsură ce oamenii s-au răspândit în întreaga lume, o adaptare a genelor care conțin seleniu sau reglează utilizarea acestuia ar fi putut ajuta oamenii să devină regiuni sărace în seleniu. popula. Ca rezultat, populațiile umane de astăzi, ca urmare a istoriei lor, pot avea diferite niveluri de risc de a suferi de boli legate de seleniu.