A agricultura acelerou a evolução do genoma humano para capturar energia de alimentos ricos em amido

O aumento no número de genes que codificam essas enzimas acompanha a disseminação da agricultura pela Europa a partir do Oriente Médio e, com ela, uma dieta humana cada vez mais rica em amido, rica em alimentos básicos ricos em carboidratos, como trigo e outros grãos. Ter mais cópias de um gene geralmente se traduz em níveis mais altos da proteína que os genes codificam — neste caso, a enzima amilase, que é produzida na saliva e no pâncreas para quebrar o amido em açúcar para abastecer o corpo.

O estudo, publicado hoje (4 de setembro) na revista Naturezatambém fornece um novo método para identificar as causas de doenças que envolvem genes com múltiplas cópias no genoma humano, como os genes da amilase.

A pesquisa foi liderada por Peter Sudmant, professor assistente de biologia integrativa na Universidade da Califórnia, Berkeley, e Erik Garrison, do Centro de Ciências da Saúde da Universidade do Tennessee, em Memphis.

“Se você pegar um pedaço de macarrão seco e colocá-lo na boca, eventualmente ele ficará um pouco doce”, disse Sudmant. “Essa é sua enzima amilase salivar quebrando os amidos em açúcares. Isso acontece em todos os humanos, assim como em outros primatas.”

Os genomas de chimpanzés, bonobos e neandertais têm uma única cópia do gene no cromossomo 1 que codifica a amilase salivar, chamada de AMY1. O mesmo é verdade para os dois genes da amilase pancreática, AMY2A e AMY2B. Esses três genes estão localizados próximos um do outro em uma região do genoma do primata conhecida como locus da amilase.

Os genomas humanos, no entanto, abrigam números muito diferentes de cada gene da amilase.

“Nosso estudo descobriu que cada cópia do genoma humano abriga de uma a 11 cópias de AMY1, zero a três cópias de AMY2A e uma a quatro cópias de AMY2B”, disse o bolsista de pós-doutorado da UC Berkeley Runyang Nicolas Lou, um dos cinco primeiros autores do artigo. “O número de cópias está correlacionado com a expressão genética e o nível de proteína e, portanto, com a capacidade de digerir amido.”

Os pesquisadores descobriram que, enquanto há cerca de 12.000 anos os humanos por toda a Europa tinham uma média de cerca de quatro cópias do gene da amilase salivar, esse número aumentou para cerca de sete. O número combinado de cópias dos dois genes da amilase pancreática também aumentou em meio gene (0,5) em média ao longo desse tempo na Europa.

Vantagem de sobrevivência de múltiplos genes de amilase

No geral, a incidência de cromossomos com múltiplas cópias de genes de amilase (ou seja, mais cópias no total do que em chimpanzés e neandertais) aumentou sete vezes nos últimos 12.000 anos, sugerindo que isso proporcionou uma vantagem de sobrevivência para nossos ancestrais.

Os pesquisadores também encontraram evidências de um aumento nos genes da amilase em outras populações agrícolas ao redor do mundo, e que a região dos cromossomos onde esses genes da amilase estão localizados parece semelhante em todas essas populações, não importa qual planta amilácea específica essa cultura domesticou. As descobertas demonstram que, à medida que a agricultura surgiu independentemente ao redor do mundo, ela parece ter alterado rapidamente o genoma humano de maneiras quase idênticas em diferentes populações para lidar com o aumento de carboidratos na dieta.

De fato, os pesquisadores descobriram que a taxa de evolução que leva a mudanças no número de cópias do gene da amilase foi 10.000 vezes mais rápida do que a de mudanças em um único par de bases de DNA no genoma humano.

“Há muito tempo se levanta a hipótese de que o número de cópias dos genes da amilase aumentou nos europeus desde o início da agricultura, mas nunca fomos capazes de sequenciar esse locus completamente antes. Ele é extremamente repetitivo e complexo”, disse Sudmant. “Agora, finalmente somos capazes de capturar completamente essas regiões estruturalmente complexas e, com isso, investigar a história da seleção da região, o momento da evolução e a diversidade entre as populações mundiais. Agora, podemos começar a pensar sobre associações com doenças humanas.”

Uma associação suspeita é com cáries dentárias. Estudos anteriores sugeriram que ter mais cópias de AMY1 está associado a mais cáries, talvez porque a saliva faz um trabalho melhor de converter amido em alimentos mastigados em açúcar, o que alimenta bactérias que corroem os dentes.

A pesquisa também fornece um método para explorar outras áreas do genoma — aquelas que envolvem o sistema imunológico, a pigmentação da pele e a produção de muco, por exemplo — que passaram por rápida duplicação genética na história humana recente, disse Garrison.

“Uma das coisas interessantes que conseguimos fazer aqui foi investigar genomas modernos e antigos para dissecar a história da evolução estrutural neste local”, disse ele.

Esses métodos também podem ser aplicados a outras espécies. Estudos anteriores mostraram que animais que ficam perto de humanos — cães, porcos, ratos e camundongos — têm mais cópias do gene da amilase do que seus parentes mais selvagens, aparentemente para tirar vantagem da comida que jogamos fora.

“Esta é realmente a fronteira, na minha opinião”, disse Garrison. “Podemos, pela primeira vez, olhar para todas essas regiões que nunca poderíamos olhar antes, e não apenas em humanos — outras espécies também. Estudos de doenças humanas realmente têm lutado para identificar associações em loci complexos, como a amilase. Como a taxa de mutação é tão alta, os métodos de associação tradicionais podem falhar. Estamos realmente animados com o quão longe podemos levar nossos novos métodos para identificar novas causas genéticas de doenças.”

De caçador-coletor a agrário

Cientistas há muito suspeitam que a capacidade dos humanos de digerir amido pode ter aumentado depois que nossos ancestrais fizeram a transição de um estilo de vida caçador-coletor para um estilo de vida agrícola e estabelecido. Essa mudança foi mostrada como associada a mais cópias dos genes da amilase em pessoas de sociedades que domesticaram plantas.

Mas a área do genoma humano onde essas