如果一个新鲜有嚼劲的法棍面包或香甜的烤山药能让你精力充沛，那要感谢几十万年前人类祖先偶然发生的一次基因突变。这只是两项研究的一个结论——一项发表于上个月的《自然》，另一项发表于10月17日的《科学》。这两项研究追溯了帮助我们在嘴里把淀粉分解成糖的基因的进化史。
小麦是人类最早的驯化作物之一。图片来源：BOB GIBBONS/FLPA/MINDEN PICTURES
大多数现代人携带这种唾液淀粉酶基因（AMY1）的多个拷贝。通常那些吃大量淀粉的人——无论是谷物还是块茎，有更多拷贝，从而增加了唾液淀粉酶的产生，使他们能够从淀粉类食物中获得更多热量。然而，人类祖先首次获得该基因拷贝是什么时候，以及为什么它如此容易复制，一直是个谜。
尽管《自然》和《科学》的论文在AMY1首次复制的时间上存在数十万年的分歧，但二者都对该基因的后期进化进行了详细追踪，揭示了农业兴起是如何与某些人群中AMY1拷贝数的显著增加相吻合的。
“这是一项非常讲究的工作。”美国哈佛大学生物分子考古学家Christina Warinner发现的证据表明，包括尼安德特人在内的古人类都食用淀粉。“它在机制层面上详细说明了这种情况是如何专门发生在淀粉酶基因上的，而且对进化有更广泛的影响。”
2007年，美国亚利桑那州立大学生物人类学家George Perry和同事发现，在世界各地人群中，大量食用淀粉类食物与AMY1拷贝数增加之间存在联系。现就职于宾夕法尼亚州立大学的Perry假设，当人类开始种植小麦、山药和其他淀粉类作物时，拥有AMY1拷贝数更多的人，每吃一口都会吸收更多富含能量的糖，也就有了更多存活下来的后代。
但当时的基因组技术还不足以证实这种情况。科学家一次只能对一小段DNA进行测序，这使他们实际上对由多个基因拷贝组成的迷宫般的DNA片段“视而不见”。Perry回忆说：“我使用的方法非常粗糙。而这些新论文能够更深入地研究这个问题。”
如今，研究人员可以对更大的DNA片段进行测序，从而揭示染色体上AMY1的多个拷贝。
在发表于《自然》的论文中，由美国加州大学伯克利分校生物学家Peter Sudmant领导的一个团队报告称，分布于世界各地的人类每条染色体上有多达11个AMY1拷贝，另外有0到4个胰腺淀粉酶基因拷贝。该团队还研究了3个尼安德特人和1个丹尼索瓦人的古代基因组，没有发现这些已灭绝的人类表亲有多个基因拷贝的迹象。
Sudmant和同事随后分析了519个古代欧亚人的基因组，这些人生活在1.2万年前非洲大陆农业萌芽之际。大约5000年前，AMY1的平均拷贝数从4个增加到7个以上，至少有一个唾液淀粉酶或胰腺淀粉酶基因拷贝的人的比例也急剧上升。
该团队建立了AMY1家谱，并确定了其分支的年代。他们估计，该基因至少在27.9万年前首次被复制，后来被多次复制和删除，从而使现代人类出现了各种拷贝数。
“在我们人类离开非洲之前，淀粉酶的拷贝数已经很多了。”Sudmant说，当淀粉类农业饮食使它们变得有利时，就“被选中了”。
在发表于《科学》的论文中，由美国纽约州立大学布法罗分校人类基因组学家Omer Gokcumen领导的一个团队报告称，在过去4000年里，欧洲农民的AMY1拷贝数也出现了类似的激增，证实了与农业的潜在联系。他们还在6个尼安德特人基因组中的3个和1个丹尼索瓦人的基因组中发现了AMY1拷贝。
Gokcumen团队得出的结论是，AMY1首次复制时间比Sudmant团队估计的早得多——可能在80多万年前首次复制，早于现代人与尼安德特人分化。该团队还阐明了AMY1是如何大量自我复制的。
但研究人员警告说，最初的复制也可能发生在现代人身上，造成一条染色体上有3个AMY1拷贝。尼安德特人和丹尼索瓦人可能通过杂交获得了DNA片段，或者独立进化出多个拷贝。
研究人员表示，对AMY1拷贝数变异的研究有助于探索其对代谢健康的影响，并加深对淀粉消化和葡萄糖代谢等机制的理解。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07911-1
https://doi.org/10.1126/science.adn0609
