Si alguna vez ha tenido problemas para reducir su consumo de carbohidratos, el ADN antiguo podría ser el culpable.
Se sabe desde hace mucho tiempo que los humanos tenemos múltiples copias de un gen que nos permite comenzar a descomponer el almidón de los carbohidratos complejos en la boca, lo que proporciona el primer paso para metabolizar alimentos ricos en almidón como el pan y la pasta.
Sin embargo, ha sido notoriamente difícil para los investigadores determinar cómo y cuándo se expandió el número de estos genes.
Ahora, un estudio dirigido por la Universidad de Buffalo (UB) y el Laboratorio Jackson (JAX) muestra cómo las primeras duplicaciones de este gen prepararon el terreno para la amplia variación genética que todavía existe hoy en día, influyendo en la eficacia con la que los humanos digieren los alimentos ricos en almidón.
Los hallazgos del estudio, publicados en la edición en línea del 17 de octubre de Science , revelan que la duplicación de este gen, conocido como gen de la amilasa salival (AMY1), no sólo puede haber ayudado a dar forma a la adaptación humana a los alimentos ricos en almidón, sino que puede haber ocurrido hace más de 800.000 años, mucho antes del advenimiento de la agricultura.
«La idea es que cuantos más genes de amilasa se tengan, más amilasa se puede producir y más almidón se puede digerir de forma eficaz», explica el autor del estudio, el doctor Omer Gokcumen, profesor del Departamento de Ciencias Biológicas de la Facultad de Artes y Ciencias de la UB. La amilasa, explican los investigadores, es una enzima que no solo descompone el almidón en glucosa, sino que también le da al pan su sabor.
Gokcumen y sus colegas, incluido el coautor principal, Charles Lee, profesor y titular de la cátedra de la familia Robert Alvine en JAX, utilizaron el mapeo óptico del genoma y la secuenciación de lectura larga, un avance metodológico crucial para mapear la región del gen AMY1 con extraordinario detalle.
Los métodos tradicionales de secuenciación de lectura corta tienen dificultades para distinguir con precisión entre copias de genes en esta región debido a que su secuencia es casi idéntica. Sin embargo, la secuenciación de lectura larga permitió a Gokcumen y Lee superar este desafío en los humanos actuales, lo que proporcionó una imagen más clara de cómo evolucionaron las duplicaciones de AMY1.
Los antiguos cazadores-recolectores e incluso los neandertales ya tenían múltiples copias de AMY1
Al analizar los genomas de 68 humanos antiguos, incluida una muestra de Siberia de 45.000 años de antigüedad, el equipo de investigación descubrió que los cazadores-recolectores preagrícolas ya tenían un promedio de cuatro a ocho copias de AMY1 por célula diploide, lo que sugiere que los humanos ya caminaban por Eurasia con una amplia variedad de números altos de copias de AMY1 mucho antes de que comenzaran a domesticar plantas y a comer cantidades excesivas de almidón.
El estudio también descubrió que se produjeron duplicaciones del gen AMY1 en neandertales y denisovanos. «Esto sugiere que el gen AMY1 puede haberse duplicado por primera vez hace más de 800.000 años, mucho antes de que los humanos se separaran de los neandertales y mucho antes de lo que se creía anteriormente», dijo Kwondo Kim, uno de los autores principales de este estudio del Laboratorio Lee en JAX.
«Las duplicaciones iniciales en nuestros genomas sentaron las bases para una variación significativa en la región de la amilasa, lo que permitió a los humanos adaptarse a dietas cambiantes a medida que el consumo de almidón aumentaba drásticamente con la llegada de nuevas tecnologías y estilos de vida», dijo Gokcumen.
Las semillas de la variación genética
La duplicación inicial de AMY1 fue como la primera onda en un estanque, creando una oportunidad genética que más tarde moldeó nuestra especie. A medida que los humanos se expandieron por diferentes entornos, la flexibilidad en el número de copias de AMY1 proporcionó una ventaja para adaptarse a nuevas dietas, en particular las ricas en almidón.
«Tras la duplicación inicial, que dio lugar a tres copias de AMY1 en una célula, el locus de la amilasa se volvió inestable y comenzó a generar nuevas variaciones», explica Charikleia Karageorgiou, una de las autoras principales del estudio en la UB. «A partir de tres copias de AMY1, se pueden obtener hasta nueve copias, o incluso volver a una copia por célula haploide».
El complicado legado de la agricultura
La investigación también destaca cómo la agricultura afectó la variación de AMY1. Mientras que los primeros cazadores-recolectores tenían múltiples copias de genes, los agricultores europeos vieron un aumento en el número promedio de copias de AMY1 en los últimos 4.000 años, probablemente debido a sus dietas ricas en almidón. La investigación anterior de Gokcumen mostró que los animales domésticos que viven junto a los humanos, como los perros y los cerdos, también tienen un mayor número de copias de AMY1 en comparación con los animales que no dependen de dietas ricas en almidón.
«Es probable que los individuos con un mayor número de copias de AMY1 digirieran el almidón de manera más eficiente y tuvieran más descendencia», dijo Gokcumen. «Sus linajes finalmente se comportaron mejor durante un largo período evolutivo que aquellos con un menor número de copias, lo que propagó el número de copias de AMY1».
Los hallazgos coinciden con un estudio dirigido por la Universidad de California, Berkeley, publicado en septiembre de 2024 en Nature , que encontró que los humanos en Europa expandieron su número promedio de copias de AMY1 de cuatro a siete en los últimos 12.000 años.
«Dado el papel clave de la variación del número de copias de AMY1 en la evolución humana, esta variación genética presenta una oportunidad emocionante para explorar su impacto en la salud metabólica y descubrir los mecanismos involucrados en la digestión del almidón y el metabolismo de la glucosa», dijo Feyza Yilmaz, científica computacional asociada en JAX y autora principal del estudio.
«Las investigaciones futuras podrían revelar sus efectos precisos y la selección del momento adecuado, proporcionando conocimientos fundamentales sobre la genética, la nutrición y la salud».
Más información: Feyza Yilmaz et al, Reconstruction of the human amylase locus revealed ancient duplications seeding modern-day vary, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adn0609 . www.science.org/doi/10.1126/science.adn0609
