Genetikai alkalmazkodás az élelmiszerek szeléntartalmához az emberi közelmúlt történetében
Az emberek genetikai adaptációja a tápanyagok elérhetőségéhez
Mióta körülbelül 60 000 évvel ezelőtt emigráltak Afrikából [1], az emberek sokféle területen telepedtek le. Annak érdekében, hogy jól fejlődhessenek ezekben a változatos környezetekben, az egyes embercsoportok nemcsak a kulturális és technológiai fejlődést alkalmazták, hanem gyakran genetikai szinten is alkalmazkodtak. Tehát alkalmazkodniuk kellett az élelmiszer-összetétel regionális különbségeihez. Például a legtöbb emlős nem tudja megemészteni a tejcukor-laktózt szoptatás után. Az európai és afrikai emberi populációkban, akik szarvasmarhákat tartanak tejtermelés céljából, adaptáció történt a laktáz génben. Ez lehetővé teszi a felnőttek számára a laktóz emésztését, és ezáltal továbbra is élvezheti a tej táplálkozási előnyeit [2].
A mikrotápanyag-szelén az emberi étrend elengedhetetlen eleme, étrendi tartalmát elsősorban a szelén koncentrációja határozza meg a talajban, amelyen az ételt termesztik. A talajban található szelén mennyisége világszerte nagyban változik. Tehát, az Afrikából való vándorlás óta az emberek a világ minden táján olyan területekre telepedtek, ahol étrendjükben rendkívül eltérő mennyiségű szelén található.
Miért van szükségük az embereknek szelénre?
Az embereknek szelénre van szükségük étrendjükben ahhoz, hogy felépítsék azt a 25 emberi fehérjét, amely szelént tartalmaz a 21. aminosav szelenocisztein (Sec) formájában. Ezeket a Sec-tartalmú fehérjéket szelenoproteineknek nevezik, és létfontosságú folyamatokban vesznek részt, például azért, hogy megvédjék a sejteket az oxidatív károsodásoktól. A Sec a leggyakoribb aminosav cisztein (Cys) analógja, ahol a Sec-ben található Cys funkcionális csoportjában található kénatomot szelén váltja fel. Úgy gondolják, hogy Sec-nek egyedülálló kémiai szerepe van, amelyet Cys nem képes ugyanolyan mértékben megtenni. A szelenoproteinek mellett az embereknek hat olyan szelénproteinből származó génjük is van, amelyek Sec helyett Cys-t tartalmaznak (ezek a Cys-t tartalmazó paralógok). Ezek a gének mindegyikük hasonló szerepet játszik a szelenoproteineknél, de működésükhöz nem szükséges szelénbevitel.
A Sec sajátossága, hogy a hozzá kapcsolódó kodon (vagyis a genomban egymást követő nukleobázisok hármasa, amelyben egy bizonyos aminosav szerkezete kódolva van) az UGA általában stop kodon. Annak érdekében, hogy az UGA kodon Sec-ként olvasható legyen, számos speciális funkcionális fehérje-megmunkálásra van szükség: Ennek a génnek a szervezetben szelenoproteinné történő átalakításához legalább 19 másik fehérje hatására van szükség, amelyeket együttesen regulációs fehérjéknek neveznek. Ezek a fehérjék szabályozzák a szervezetben a szelént, szintetizálják a Sec-et és ellenőrzik a Sec beépülését az aminosav láncba.
Becslések szerint körülbelül egymilliárd ember eszik szelénhiányt [3], bár ez a világ bizonyos régióira korlátozódik. Például Kínában a legmagasabb és a legalacsonyabb a szelénszint a világon. Súlyos szelénhiánnyal küzdő régiókban a nemrégiben bevezetett szelénpótló programok előtt a szívizom betegség (Keshan-kór), magas gyermekek halálozási arányával, valamint a csontok és porcok fogyatékossággal járó betegségével (Kashin-Beck betegség), endemikusan fordult elő. 4]. Az enyhe szelénhiány az immunrendszer hibás működését, csökkent termékenységet, kognitív gyengeséget és megnövekedett halálozási kockázatot okozhat [5]. Mivel a megfelelő szelénbevitel olyan fontos az emberi egészség és a termékenység szempontjából, és az élelmiszerben lévő szelén mennyisége világszerte nagyban változik, az Evolúciós Genetikai Tanszék kutatói feltételezték, hogy az étrendi szelénbevitelben sok különbség lehet Hatással volt a szelénnel társult gének evolúciójára az emberekben generációk óta.
Alkalmazkodás keresése a szelénnel kapcsolatos génekben
1. ábra: Az ebben a munkában elemzett, az egész világon élő emberi populációk térbeli elhelyezkedése.
A szelénszinthez való alkalmazkodás érdekében a kutatók világszerte 50 populációból származó 855 emberben megvizsgálták a szelenoprotein gének, a Cys-tartalmú paralógok és a szelént szabályozó gének genetikai variációját (1. ábra). A populációknak ez a szélessége széles hátteret biztosít az ételek szeléntartalmával kapcsolatban. A kutatók az összegyűjtött adatokat a SelenoDB adatbázisban (www.selenodb.org) [6] tárolták, hogy elérhetővé tegyék azokat a szelénbiológusok közösségében.
Alkalmazkodás a szelénhiányhoz
2. ábra: A világ különböző régióiból származó populációk közötti szokatlanul nagy különbségek összehasonlítása a genetikai változatok gyakoriságában. (A) A világ régióinak összehasonlítása. (B) Kína azon populációinak összehasonlítása, amelyek szelénhiányos régiókban vagy elegendő szeléntartalmú régiókban élnek (a világ más régióihoz viszonyítva).
A kutatók azt találták, hogy Közép-Dél-Ázsiában és Kelet-Ázsiában bizonyítékok vannak a helyi alkalmazkodásra mind a szelenoproteinek, mind a szabályozó gének tekintetében, és emellett egy másik bizonyíték található az amerikai szelenoproteinekben ( 2A. Ábra). Kelet-Ázsia populációinak nagy része Kínából származik, ahol nagy szelénhiányos régiók találhatók. Alacsony talaj-szeléntartalom Pakisztánban is megtalálható, ahonnan a legtöbb dél-ázsiai minta származik. Ezért valószínű, hogy a pozitív szelekció ezen jelei a környezet szelénszintjének kiigazítását tükrözik. A pozitív szelekció jele Amerikában óvatosabban értelmezhető, mivel a világ ezen részén az embereknél nem bizonyítottak szelénhiányt.
A Cys-t tartalmazó paralogusok esetében azonban nincs bizonyíték az alkalmazkodásra a világ egyetlen régiójában sem. Ezek a gének hasonló funkciókkal rendelkeznek, mint a szelenoproteinek, és fel lehet gyanítani, hogy szerepet játszanak a szelenoprotein funkció kompenzálásában, ha a szelén kevés. Ismert azonban, hogy a Sec és a Cys katalitikus tulajdonságaikban különböznek egymástól, és funkcionálisan nem cserélhetők fel. Ez tehát korlátozhatja a Cys-tartalmú gének azon képességét, hogy felülmúlják a szelenoproteinek funkcióját. Valójában az adaptáció jelentős bizonyítékainak hiánya ezekben a génekben valószínűleg a szeléntől való függetlenségüket tükrözi, és arra utal, hogy a ciszteintartalmú gének alacsony szelénszint esetén nem játszanak kompenzációs szerepet.
Ezután a kutatók alaposabban megvizsgálták az alkalmazkodás jeleit Ázsiában. A vizsgált populációk többsége Kínából származik, a világ azon részéből, ahol szelénhiány van olyan nagy régiókban, ahol súlyos hiánybetegségek, például Keshan-kór endémiásak voltak. Kína populációit két csoportra osztották, attól függően, hogy szelénhiányos régiókban vagy elegendő szelinnel rendelkező területeken élnek-e. Ez azt mutatta, hogy az alkalmazkodás indikációi Kína szelénhiányos régióira korlátozódnak (2B. Ábra, 3. ábra). Ez alátámasztja azt a feltételezést, hogy a szelénhiány az, ami vezérli az adaptációt ezekben a génekben.
3. ábra: Kína szelénhiányos részeiből származó populációk adják a legegyértelműbb jeleket a helyi alkalmazkodásra Kínában. A térkép rózsaszínű területei szelénhiányos régiók, ahol a szelénhiányos betegségek endémiásak voltak. A piros színnel jelölt, rózsaszínű területeken élő populációk esetében egyértelmű bizonyíték van a szelénnel kapcsolatos gének adaptációjára. A kékkel jelölt populációk, amelyek elegendő szelénnel rendelkező régiókban élnek (zöld területek a térképen), nem mutatnak alkalmazkodási jeleket a szelinnel kapcsolatos génekben.
Következtetések
Az eredmények arra utalnak, hogy a szelén mikrotápanyag fontos volt a közelmúlt emberi evolúciója során: Amint az emberek elterjedtek a világ minden táján, a szelént tartalmazó vagy felhasználását szabályozó gének adaptációja segíthette az embereket szelénszegény régiókká válni benépesít. Ennek eredményeként a mai emberi populációk történelmük eredményeként eltérő szintű kockázatot jelenthetnek a szelinnel kapcsolatos betegségekben való szenvedés szempontjából.