A főtt étrend emberi alkalmazkodásának genetikai bizonyítékai

Rachel N. Carmody

1 Humán evolúciós biológia tanszék, Harvard Egyetem

Michael Dannemann

2 Evolúciós genetika tanszék, Max Planck Evolúciós Antropológiai Intézet, Lipcse, Németország

Adrian W. Briggs

1 Humán evolúciós biológia tanszék, Harvard Egyetem

3 AbVitro Inc., Boston, Massachusetts

Birgit Nickel

2 Evolúciós genetika tanszék, Max Planck Evolúciós Antropológiai Intézet, Lipcse, Németország

Emily E. Groopman

1 Humán evolúciós biológia tanszék, Harvard Egyetem

4 Columbia Orvosok és Orvosok Főiskolája, New York, New York

Richard W. Wrangham

1 Humán evolúciós biológia tanszék, Harvard Egyetem

Janet Kelso

2 Evolúciós genetika tanszék, Max Planck Evolúciós Antropológiai Intézet, Lipcse, Németország

Társított adatok

Absztrakt

Állítólag az emberek biológiailag alkalmazkodtak a főtt étrendhez, de ezt a hipotézist még nem tesztelték molekuláris szinten. Itt ötvözzük az egereken végzett ellenőrzött etetési kísérleteket az összehasonlító főemlős-genomikával, hogy megmutassuk, hogy a főtt étrend fogyasztása befolyásolja a génexpressziót, és hogy az érintett gének pozitív szelekcióval jelzik az emberi vonalat. A hús vagy gumó standardizált étrendjével táplált egerek májgénexpressziós profilját az ételtípus és a főzés befolyásolta, de a kalóriabevitel vagy a fogyasztói energiamérleg nem. A főzés által érintett gének szoros összefüggésben voltak azokkal a génekkel, amelyekről ismert, hogy az emberek és más főemlősök között a májban differenciáltan expresszálódnak, és ebben az átfedésű halmazban több gén mutatja a pozitív szelekció jeleit az emberekben, mint véletlenül várható lenne. A szelekció alatt álló gének szekvenciaváltozásai a modern emberek és két archaikus emberi csoport, a Neandertals és a Denisovans közötti szétválás előtt jelennek meg, támogatva azt az elképzelést, hogy az emberi alkalmazkodás a főtt étrendhez legalább 275 000 évvel ezelőtt kezdődött.

Bevezetés

Az étrend módosításai korábban kimutatták, hogy genetikai adaptációt okoznak. Számos tejelő örökséggel rendelkező populáció a laktáz enzim fennmaradásával képes megszerezni a laktóz felnőttkori emésztését (Bersaglieri et al. 2004; Gerbault et al. 2011), amely tulajdonság az elmúlt körülbelül 7000 évben többször is fejlődött. erős pozitív szelekció (Tishkoff et al. 2007; Ranciaro et al. 2014). Ezenkívül azt állítják, hogy a keményítőben gazdag ételek fogyasztásának előzményei szerint a szájban a keményítő emésztéséért felelős enzim, a nyál amilázt kódoló gén nagyobb példányszámot mutat (Perry et al. 2007). Úgy gondolják, hogy a főzés elfogadása részben felelős az adaptív kovariációért, mivel az amiláz nem hatékony a keményítő emésztésében, hacsak nem először hőkezelték (Hardy et al. 2015). Az, hogy a modern populációk között léteznek étrend által kiváltott genetikai adaptációk, azt sugallja, hogy a hosszabb evolúciós előzményekkel és széles szisztémás hatásokkal járó étrendi módosítások szélesebb körű genetikai változást okozhatnak.

A főtt étrendhez való genetikai alkalmazkodás vizsgálata emberben nem végezhető el a szigorú kísérleti kontrollok és a szöveti biopsziák miatt (Somel és mtsai 2008). Ezért a nyers és a főtt étrendre adott válaszként gén expressziós változásokat alkalmaztunk egy modell organizmusban, hogy azonosítsuk azokat a jelölt géneket, amelyeket az étrend változása befolyásolhatott az emberi evolúció során. Ezután azt teszteltük, hogy ezek a gének mutatnak-e expressziós különbségeket az emberek és a nem főemlősök között, összehasonlítva őket publikált, emberspecifikus expressziós mintákat mutató génekkel (Somel és mtsai 2008; Blekhman és mtsai 2010). Összehasonlítottuk azokat a géneket, amelyeket a főzés és/vagy az ételtípus befolyásolt, majd teszteltük a pozitív szelekció jeleit embereken. Ezekre a hatásokra összpontosítottunk a májban, egy olyan szövetben, amelynek étrendje kimutatták, hogy megváltoztatja a génexpressziót (Somel és mtsai. 2008), és katalogizáltuk az emberek és a főemlősök közötti génexpressziós különbségeket (Blekhman és mtsai 2010).

Anyagok és metódusok

Összegzés

Tanulmányozza az állatokat és azok karbantartását

A kísérleteket a Biológiai Kutatási Infrastruktúra gáton végezték a Harvard Egyetem Állattenyésztési és Felhasználási Bizottságának felügyelete alatt (10-04. Jegyzőkönyv). A beltenyésztett hím BALB/c egereket (n = 24, négy sorozat hat alomtársból) 21 napos korban a Charles River Laboratories-tól szereztük be, és standard körülmények között (ad libitum chow és víz; 12 órás világos/sötét ciklus; 22 ± 1 ° C, 30 ° C-50% páratartalom), amíg a növekedési ráta 8. hét korában el nem csökken. 8 hetes korukban az egereket egyenként szellőztetett ketrecekben helyezték el, dróthálós padlóval a koprofágia minimalizálása érdekében. A hálós padló alatti szennyeződés és étrendvesztés megelőzése érdekében a diétákat súlyozott Petri-csészékben adtuk, amelyek teteje négy szimmetrikus etetőnyílással volt ellátva. A ketreceket naponta sterilizálták, és dúsításként friss pamut fészket és kunyhót biztosítottak. Az egerek 3 nappal az étrend-manipulációk megkezdése előtt hozzászoktak ehhez a kísérleti beállításhoz.

Kísérleti diéták

Táplálási protokoll

Az egereket 5 napig tenyésztették MRF, MCF, MCR, TRF, TCF vagy TCR diétákon (n = 4 diétánként), az alomtársakat szimmetrikusan osztva az étrendcsoportok között. A diétákat minden nap ugyanabban az időben adták elő, hogy szabványos adatgyűjtési ciklust kapjanak. A napi beavatkozás során az egereket inaktív időszakban lemértük. Összegyűjtöttük az elmúlt 24 órában elutasított ételeket, lemértük a friss súlyfelvétel ellenőrzésére, majd később fagyasztva szárítottuk a száraz tömeg bevitelének meghatározására.

Szövet betakarítása

Az etetési kísérlet végén (5. nap) az egereket egy éjszakán át (12 óra) éheztettük, hogy elősegítsük az igény szerinti élelmiszer-fogyasztást. Két órával az áldozat előtt az egereknek bemutatták a hozzájuk rendelt étrendet, és minden esetben azonnal elkezdtek enni. A testtömeget közvetlenül az eutanizálás előtt vettük CO2 belégzéssel. A máj jobb lebenyének 50 mm 2 -es szakaszainak ismétlődéseit a halál bekövetkeztétől számított 60 másodpercen belül steril, RNáz-mentes eszközökkel kivágtuk. A szöveteket flash folyadékban fagyasztottuk, és az elemzésig -80 ° C-on tároltuk.

Könyvtár előkészítése, szekvenálása és alaphívás

Könyvtárunkat az Illumina HiSeq 2500 négy sávján szekvenáltuk a gyártói protokollok nyomán, 75 bp-os páros végű olvasmányokat kapva. A HiSeq szekvenálási futtatásokat a nyers intenzitásból kiindulva elemeztük. A bázis hívást és a minőségi pontszám kiszámítását a freeIBIS bázis hívó (Renaud et al. 2013) segítségével végeztük, trainedX174 vezérlőolvasásokra oktatva. Kizárták azokat az olvasásokat, amelyeknél ötnél több bázis volt, az alapminőségi pontszám 10 alatt. Az adapter szekvenciákat levágtuk, és az összes megmaradt leolvasást megtartottuk a későbbi elemzéshez.

Térképezés és kifejezés

Miután két sávot kizártunk a szekvenálási artefaktumok miatt, az összes fennmaradó olvasatot feltérképeztük az egér genomjára (NCBI37/mm9) a TopHat térképező (Trapnell et al. 2009) és a standard paraméterek segítségével. Az összes olvasmány 97,4% -át (egyének közötti tartomány: 94,9–99,6%) tudtuk feltérképezni. Az összes leképezett leolvasást, amely meghaladja a minimum 30 feltérképezési minőséget, megtartottuk és hozzárendeltük az egér ENSEMBL gén annotációja által meghatározott génekhez (65. verzió). Az összes olyan gént, amelynek legalább két egyednél nullánál nagyobb az olvasási száma, expresszióként definiáltuk.

Differenciál expressziós elemzés

Prím RNAseq adatkészlet

Több ember, csimpánz és rhesus makákó RNSseq-alapú májtranszkripciós adatait használtuk fel Blekhman és mtsai. (2010) (ArrayExpress sorozat belépési száma> GSE17274). Az olvasásokat a megfelelő hg19, pantro2 és rhemac2 genomokhoz térképeztük fel TopHat (Trapnell et al. 2009) segítségével, standard paraméterekkel, és minden leképezett olvasást megtartottunk, minimum 30 térképezési minőséggel. Kifejezési értékeket kaptunk egyénenként úgy, hogy mandzsettagombokat futtattunk (Trapnell és mtsai. 2010) az összes leképezett olvasáson. Az emberi gének génjellemzőit Ensembl-ből (59. változat) nyertük, és a csimpánz és a rhesus makákó ortológ régióit liftover segítségével határoztuk meg (Hinrichs et al. 2006). Csak azokat az exonokat használták, amelyeket mindhárom fajnál a liftover azonosított.

Levelezés külső adathalmazokkal

Transzkripciós faktor elemzés

Transzkripciós faktorok és azok megjósolt célgénjeinek (Matys és mtsai 2006) segítségével megvizsgáltuk, hogy a célgének expressziójának változásai hajlamosak-e megegyezni egér expressziós adataink és a Blekhman főemlős expressziós adatai között (Blekhman et al. 2010). A korábbiakhoz hasonlóan a „hús” és a „főtt” kezeléseket emberi alanyokhoz, a „gumós” és a „nyers” kezeléseket hasonlítottuk össze a nem főemlős személyekhez. Ezután az egyoldalú Fisher pontos teszttel teszteltük, hogy az átfedés nagyobb volt-e, mint véletlenül vártuk, összehasonlítva az egyes transzkripciós faktorok célgénjeinek átfedését az összes többi gén átfedésével.

Átfedés a pozitívan kiválasztott génekkel

A génexpresszió változásainak összefoglalása. (a) A differenciálisan expresszált gének száma tápláléktípusonként, ételkészítés és kalóriabevitel szerint, FDR 0,05) és nyers gumóval etetett egerekben, szemben a főtt gumóval (P 0,05). Ezek az adatok összhangban állnak a korábbi érvekkel, miszerint az AMY1 magasabb expressziója a keményítő emésztésének magasabb igényét tükrözi (Perry et al. 2007; Axelsson et al. 2013; Hardy et al. 2015). Ezzel szemben a lipid metabolikus folyamatokban részt vevő gének nagymértékben expresszálódtak a húst tápláló egerekben (11,5 ± 0,6% lipid, száraz tömegre vonatkoztatva) a gumóval etetett egerekhez képest (0,8 ± 0,2%). Megfigyeltük a főtt lipidanyagcserével kapcsolatos gének alacsonyabb expresszióját a nyers húshoz képest, ezt az eredményt a főzés során bekövetkező lipidveszteség és/vagy a főtt lipidek alacsonyabb emésztési igénye magyarázhatja (Wrangham és Carmody, megjelenés alatt).

A hússal és a főzéssel kapcsolatos kifejezési különbségek tükrözik az ember és a nem emberi főemlősök között megfigyelteket

Ha a megnövekedett húsfogyasztást és főzést az emberhez társított étrendi tulajdonságként kezelik, akkor az ételtípus és az ételkészítés genetikai aláírása, amelyet tükörkülönbségeket figyeltünk meg, amelyekről korábban beszámoltunk, hogy léteznek az emberi és csimpánz étrenddel etetett egerek (Somel és mtsai 2008) között a nem emberi főemlősök májával szemben (Blekhman et al. 2010). A hússal táplált egereink májgén expressziós mintázatot mutattak, amelyek jobban hasonlítottak az emberi étrendet tápláló egerekhez, és jobban hasonlítottak az emberi májhoz, mint a gumóval táplált egerek esetében (3. ábra és az S3 kiegészítő táblázat, Kiegészítő anyag online). Hasonlóképpen, a főtt étellel táplált egerek kifejezése jobban hasonlít az emberi étrenddel táplált egerek és az emberi máj kifejezéseire, mint a nyers táplálékkal etetett egerek expressziója. Ezzel ellentétben gumóival vagy nyers ételekkel táplált egereink máj expressziós mintázata jobban hasonlított a csimpánz étrenddel etetett egerekéhez és a nem emberi főemlősöknél megfigyelt expressziós mintázatokhoz. Azt feltételeztük, hogy a máj gén expressziójának különbségeit részben befolyásolhatják a specifikus transzkripciós faktorok aktivitásának változásai. A többszörös tesztelésre elvégzett korrekció után azonban nem találtunk szignifikáns gazdagodást az adott transzkripciós faktor által megcélzott gének expressziójában összehasonlítás céljából.

Megjegyzés: - Pozitívan szelektált gének halmaza, amelyek különbözõen fejezõdtek ki a nyers kontra fõtt ételben és a nyers kontra főtt húsban.

Ezen túlmenően, mivel a főzés előnyei elméletileg csökkenthetik egyes gének szelekcióját a funkció fenntartása érdekében, azt is megvizsgáltuk, hogy a főzéssel kapcsolatos gének esetleg elvesztették-e funkcionális kényszerüket az emberi származásban. Két olyan emberi pszeudogén családot azonosítottunk, amelyeknél az egerek funkcionális ekvivalensei alacsonyabb expressziót mutatnak főtt étrendeken (S3. Kiegészítő ábra, Kiegészítő anyag online), beleértve a fő vizeletfehérje (Mup) géneket, valamint a CMP-szialinsav-hidroxilázt (Cmah ), amely a Neu5Gc termeléséért felelős enzim. Ezen és más, erős főzéssel kapcsolatos differenciális expressziójú gének szelekciójának további tanulmányai lehetővé tehetik azoknak a mechanizmusoknak az útvonalszintű értékelését, amelyek révén a főzés befolyásolja az ételek biológiai értékét. Ez az alapvető téma továbbra is feltáratlan.

A feltételezett főzéssel kapcsolatos gének pozitív szelekciója megjósolja a modern ember eredetét

Vita

Minden emberi társadalom főz. Ez a gyakorlat megkülönböztet minket más fajoktól, és állítólag kötelezőnek tekinthető, tekintettel a magas színvonalú étrend melletti biológiai elkötelezettségünkre, valamint arra, hogy a főzés jelentősen növeli a nettó energianyereséget (Wrangham és Conklin-Brittain 2003; Carmody és Wrangham 2009; Wrangham és Carmody 2010). Az emberi emésztőrendszer más főemlősökhöz viszonyított megértésének jelenlegi megértése azonban nagyrészt anatómiai és nem fiziológiai jellemzőkre korlátozódik, ideértve a száj, a fogak, a gyomor és a vastagbél csökkenését. Bár ezek a változások erősen jelzik az alkalmazkodást a könnyen rágható és gyorsan emészthető élelmiszerekhez való támaszkodáshoz, néhány nyers étel megfelel ennek a leírásnak, például gyümölcsök, velő, agy, máj, méz, és olyan termékek, mint a magvak, amelyek jelentős előnyöket élveznek a nem termikus feldolgozásban. A főtt étrend molekuláris adaptációjának megértése nélkül tehát lehetetlen megbizonyosodni arról, hogy a szokásos főzés formálta-e fiziológiánkat, és ha igen, hogyan.

Ebben a tanulmányban az első bizonyítékot szolgáltatjuk arra, hogy a főtt és a nyers ételek fogyasztása befolyásolja a máj gén expresszióját. Szintén bőséges különbségeket találunk a gén expressziójában a hús és a gumó étrendje között, a lipiddel kapcsolatos anyagcsere-folyamatok dúsításával a hús-étrendeken és a szénhidrát-anyagcsere-folyamatok között a gumós étrendeken. Ezzel szemben a kalóriabevitel körülményeinek vagy a fogyasztói energiamérleg manipulálásának minimális hatása volt a génexpresszióra. Ezek az eredmények együtt azt sugallják, hogy a differenciál expressziót elsősorban a tápanyagok elérhetőségének változásai és/vagy specifikus fiziológiai folyamatok vezérelték, szemben az egyszerűen energiaáramlással.

A gumó esetében azt tapasztaltuk, hogy a szénhidrát anyagcsere folyamatokban részt vevő gének kevésbé fejeződtek ki főzve, mint a nyers gumós étrendben. Ez összhangban áll egy bevett irodalommal, amely azt mutatja, hogy a főzés fokozza a szénhidrát emésztés hatékonyságát a keményítő zselatinizálásával, ez a folyamat a keményítőt hajlamosabbá teszi a nyál- és hasnyálmirigy-amilázok általi emésztésre (Carmody és Wrangham 2009). Feltételezik, hogy a nyálamiláz (AMY1) példányszámának növekedése a modern emberi populációkban és a hasnyálmirigy-amiláz (AMY2B) a házi kutyákban - mindkettő viszonylag keményítőben gazdag étrenddel - tükrözi a fokozott expressziós szelekciót a keményítő emésztésének javítása érdekében. -gazdag ételek (Perry és mtsai 2007; Axelsson és mtsai 2013). Ezzel egyetértésben azt tapasztaltuk, hogy az Amy1 expressziós szintje magasabb volt ott, ahol a diéták nagyobb igényt támasztottak a keményítő emésztésére, ideértve a nyersen etetett egereket a főtt gumóval szemben, és a gumóval etetett egerekben a hússal szemben.

Azok a gének, amelyeket egerekben különféle módon expresszáltak az ételtípusokkal és az ételkészítéssel, a véletlenségen túlmutató mértékben átfedték azokat a géneket, amelyekről ismert, hogy az expressziójuk különbözik az emberek és a nem emberi főemlősök között. Sőt, amikor a tényezőket összevetjük azzal a feltételezéssel, hogy az emberek több húst és főtt terméket fogyasztanak, mint a nem főemlősök, megfigyeltük, hogy az egér adatkészlete, valamint az emberi és nem emberi főemlősök adatkészletei között az expressziós minták iránya erősen megfelel. Ez a levelezés megerősíti, hogy az egereken végzett ellenőrzött etetési kísérletek hasznos információkkal szolgálhatnak az emberi és nem főemlősök táplálkozási divergenciájának szempontjairól (Somel et al. 2008; Carmody et al. 2011). Fontos, hogy azt is sugallja, hogy az emberek és a főemlősök májgén expressziójában közölt különbségei részben összetéveszthetők az étrenddel.

Noha az étel típusa és az ételkészítés mind a génexpresszióban bekövetkezett jelentős változásokhoz kapcsolódott, azt tapasztaltuk, hogy csak a főzéssel kapcsolatos gének gazdagodtak olyan gének között, amelyek bizonyítják a pozitív szelekciót az emberi származásban. Megemlítendő, hogy a feltételezhetően kiválasztott, főzéssel kapcsolatos gének közül hét közül hat olyan immungént képvisel, amelyet a főtt és a nyers hús étrendjeiben észlelt expressziójukban csökkent szabályozás jellemez. Eddig a főzés evolúciós hatásairól szóló legtöbb jelentés az energianyereség fokozására összpontosított a tápanyagok emészthetőségének növelésével és az emésztés csökkentett költségeivel. Új eredményeink azonban azt mutatják, hogy a szokásos főzés az immunszabályozásra fordított energia csökkenését is eredményezte volna, különösen, ha az őshomininek már a főzés elfogadása előtt rutinszerűen kihasználták a húst, amint azt a jelenlegi régészeti feljegyzések sugallják (Ferraro et al. 2013; Zink és Lieberman 2016).

A főzés elfogadásának időzítése továbbra sem tisztázott, a biológiai mutatók 2 millió körüli korai időpontra utalnak (Wrangham et al. 1999), régészeti bizonyítékok arra utalnak, hogy 1 Ma-nál ellenőrzött tűz van (Berna és mtsai 2012), és a kandallók 300 000 évvel ezelőtt ( Shahack-Gross és mtsai 2014), bár a neandertali foglalkozások közül csak kb. 40 000 évvel ezelőtt (Sandgathe és mtsai. 2011), a főtt ételek fogyasztásának legkorábbi közvetlen bizonyítéka pedig csak 50 000 évvel ezelőtt volt (Henry és mtsai. 2011). ). Adatkészletünkben a feltételezhetően kiválasztott, főzéssel kapcsolatos gének valamennyien megelőzik az emberi és a Neandertal – Denisovan törzs közötti megosztást, ez egy esemény 275 000 és 765 000 évvel ezelőttre datálódott (Prufer és mtsai 2014). Ezek az új adatok alátámasztják azt a nézetet, hogy 1) a főzés megelőzte a modern emberek fejlődését; és 2) a főzést elég gyakran gyakorolták ahhoz, hogy szelektív hatást gyakoroljon a neandertaliakra és a denisovánokra, annak ellenére, hogy szórványosan előfordultak a tűz régészeti bizonyítékai (Roebroeks és Villa 2011).

Eredményeink összességében új figyelmet hívnak fel a főzésnek az energia-egyensúly és az ételválasztás potenciálisan átalakító szerepére az emberi evolúció során. Emellett támogatják azt az elképzelést, hogy a főzés több hominin taxon között volt korábban, mint a főzés legkorábbi közvetlen bizonyítéka a régészeti nyilvántartásban. A főtt étrend molekuláris szintű hatásait vizsgáló jövőbeni munka megvilágítja az emberi étrendi rést, és végső soron mechanikus megértést adhat a főzés emberi egészségre gyakorolt különféle pozitív és negatív következményeiről.