Персистентность лактазы как недавняя генетическая черта

Персистентность лактазы или восприимчивость лактозы – генетическая черта, возникшая у людей 2-20 тысяч лет назад. Этой чертой обладают около 35% людей.

Зачастую речь идет о том, почему существует невосприимчивость лактозы. Приводится логичный аргумент, что отказ взрослых особей от детской еды исключает конкуренцию за продукты между детьми и родителями – и как следствие дает виду эволюционное преимущество. И тогда вопрос лактозы разворачивается в сторону рассуждений о том, что дает переносимость лактозы. Забегая вперед, скажу, что это корректная точка зрения. Способность взрослых «переваривать» молочную продукцию – недавнее приобретение человечества.

Лактоза – дисахарид, состоящий из глюкозы и галактозы. В кишечнике его распад до моносахаридов катализирует фермент лактаза.

Персистентность лактазы и немного базовой генетики

Фермент лактазу кодирует LCT ген.

Я вкратце напомню центральную догму генетики: из ДНК при помощи транскрипции получается РНК. Затем из РНК при помощи трансляции получается белок. И из всего нашего генома меньше 2% отвечает за кодировку белков.

По отношению к гену (перед участком начала транскрипции) есть так называемый регуляторный участок (regulatory region), включающий в себя promoter (близко к началу транскрипции) и enhancer (несколько подальше).

Enhancer и promoter не влияют на функцию белка (в том числе фермента), но они влияют на количество ДНК, которую будет транскриптировано в РНК.

Типичная вариация для людей -13910C приводит к тому, что люди с возрастом теряют способность транскриптировать ДНК LCT гена, кодирующего лактазу.

Технически корректный термин неперсистентность лактазы (lactase nonpersistance). Персистетность – грубая калька с английского, но я ее оставил, так как слово обозначает и стойкость и продолжительность эффекта по времени одновременно.

персистентность лактазы

На рисунке выше [2] карта распространения вариации -13910T, которая дает нам персистетность лактазы (lactase persistance), то есть экспрессию LCT гена, кодирующего лактазу, в зрелом возрасте. Как видите, это не самая распространенная мутация/вариация. И в целом черта восприимчивости лактозы есть только у 35% людей.

Эволюция и персистентность лактазы. Опять немного базовой генетики

Хромосомы во время мета-фазы I мейоза проходят усиленную рекомбинацию. Однако есть как участки повышенной рекомбинации (recombination hotspots) и устойчивые к рекомбинации участки. Речь идет о так называемой linkage disequilibrium (неравновестности сцепления). Это приводит к тому, что некая черта (в данном случае персистентность лактазы) сохраняется из поколения в поколение. Это может быть обосновано положительным отбором, структурными особенностями этого участка генома, эпигенетикой итд.

Тем не менее процессы рекомбирации при мейозе сохраняются и участок linkage disequilibrium, окружающий нашу вариацию, уменьшается до размеров стандартного гаплоблока (haploblock) – это 10-20 килобаз (Кбаз, 10-20 тысяч пар нуклеотидов).

Размер участка неравновесности сцепления говорит нам о давности той или иной черты в популяции.

Размер участка linkage disequilibrium у вариаций восприимчивость лактозы – 2 Мбаз или 2 000 Кбаз, в 100-200 раз больше, чем размер стандартного гаплоблока. Эти размеры говорят нам о положительном отборе вариации и о нее «свежести».

Персистентность лактазы появилась всего 2-20 тысяч лет назад. И это одна из самых недавних подобных черт, судя по размеру участка linkage disequilibrium.

Поэтому совершенно нормально, что кто-то во взрослом возрасте не может переносить молочную продукцию.

Эволюционно положительный отбор этой черты объяснить просто. При переходе от охоты и собирательства к производству продовольствия молочная продукция – надежный (даже по сравнению с самим сельским хозяйством) источник белковой пищи и нутриентов. Способность переваривать молочную продукцию во время зачатков сельского хозяйства дает очевидные преимущества.

Вариации и персистентность лактазы

-13910T – самая изученная вариация, Северная Европа, Западная Африка, Ближний Восток; чаще всего персистентность лактазы тестируют при помощи этой вариации, что не всегда корректно, но для людей европейского происхождения это скорее всего так, мы можем ограничиться тестом на 1 эту вариацию;

-14010C, -13907G, -13915G – полиморфизмы Восточной Африки: Танзании, Судана и Кении;

Ряд тибетских вариаций [4] и так далее.

Как видите (по номеру), все эти вариации находятся в enhancer части LCT гена.

Персистентность лактазы. Выводы

  • Невосприимчивость лактозы во взрослой жизни – норма, ситуация стала драматически меняться всего 2-20 тысяч лет назад;
  • Персистеность лактазы / неперсистентность лактазы – технические правильные термины, так как речь идет о выраженности LCT гена, корирующего фермент лактазу, который катализирует «расщепление» лактозы до глюкозы и галактозы;
  • Персистеность лактазы зависит от enhancer вариаций LCT гена, нужными для восприимчивости лактозы мутациями обладает лишь 35% населения Земли;
  • -13910T – самая распространенная вариация, дающая «белым людей» возможность «переваривать» лактозу.

Источники:

  1. A worldwide correlation of lactase persistence phenotype and genotypes;
  2. diagram of the LCT (lactase gene) gene regulation system in humans;
  3. World-wide distributions of lactase persistence alleles and the complex effects of recombination and selection;
  4. Lactase persistence may have an independent origin in Tibetan populations from Tibet, China;
  5. Evolutionary Genetics: Genetics of lactase persistence – fresh lessons in the history of milk drinking;
  6. Convergent adaptation of human lactase persistence in Africa and Europe

P.S. Вообще я готовлюсь подступиться к сложным темам иммунологии и рака, поэтому хотелось написать что-то легкое и простое.

Поделиться:

Энергетика сложности генома

Энергетика сложности генома
Короткая, но очень интересная теоретическая статья.

С обывательской точки зрения, жизнь — это сложные многоклеточные формы. То есть эукариоты.
С ядерными организмами был вопрос из серии «курица или яйцо»: сложность организма позволила ему обрести митохондрии или митохондрии позволили более сложной форме жизни появиться.
Статья как раз о том, что для более сложного генома нужны принципиально другие энергетические ресурсы, чем у доядерных. Тезисы ниже.

Все эукариоты произошли от одного предка.
То есть это такое редкое событие, что за 4 млрд лет оно произошло 1 раз (как точно — до сих пор спорят; общий консенсус, что был эндосимбиоз, но я сейчас не об этом вообще).

На репликацию генов тратится только 2% всего «энергетического бюджета» клетки;
На синтез белков уходит 75% энергии клетки;
То есть увеличить геном в 10 раз можно (если большие прокариоты с большим количеством ДНК), но цена экспрессии этого ДНК значительно большая.
у E. coli до 13 тысяч рибосом, только в эндоплазмическом ритикулуме клетки печени человека 13 млн рибосом.

Наличие митохондрий по расчетам исследователей позволяет в 200 000 раз увеличить экспрессию генов.
Без мощной «энергостанции», которая будет все это питать, это невозможно. Что блестяще показывают авторы исследования.
Получается, что митохондрии — основа всей многоклеточной жизни.

Поток энергии не может прекращаться. Митохондрии должны моментально реагировать на любые изменения потенциала мембран, поэтому у энергостанций свой ДНК, мтДНК.

Кислород сам по себе (без митохондрий) не может объяснить процессов появления многоклеточной жизни. Митохондрии не защищают клетки от кислорода.
Более того, кислород реактивен только в присутствии доноров электронов. Чего как раз в митохондриях предостаточно (отсюда реактивные виды кислорода и супероксиды в митохондриях).

Поделиться: