W tym wywiadzie rozmawiamy z profesorem Markiem Thomasem o jego najnowszych badaniach nad trwałością laktazy i jej ewolucją na przestrzeni lat.

Czy możesz się przedstawić i powiedzieć, co zainspirowało Twoje ostatnie badania?

Nazywam się Mark Thomas i jestem profesorem genetyki ewolucyjnej na University College London (UCL). Zajmuję się różnymi aspektami ewolucji człowieka. Używam starożytnego DNA, modelowania komputerowego, metod statystycznych i danych archeologicznych, aby zintegrować te różne rodzaje danych, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób ewoluowaliśmy i przystosowywaliśmy się do zmian w naszym środowisku oraz w jaki sposób poruszaliśmy się po świecie.

Źródło zdjęcia: SergioSH/Shutterstock.com

W jaki sposób laktoza jest trawiona w organizmie i jak dochodzi do nietolerancji laktozy?

W mleku jest cukier zwany laktozą; aby strawić ten cukier, potrzebujemy enzymu zwanego laktazą w naszych jelitach. Wszystkie niemowlęta wytwarzają laktazę, ale u wszystkich innych ssaków badanych do tej pory i u większości ludzi (i prawdopodobnie u wszystkich ludzi 10 000 lat temu) produkcja enzymu laktazy jest albo wyłączona, albo spada do bardzo niskiego poziomu po okresie odsadzenia. Oznacza to, że wszystkie inne ssaki, większość ludzi i wszyscy ludzie około 10 000 lat temu nie byli w stanie strawić cukru zawartego w mleku jako dorośli. Nazywa się to trwałością laktazy lub brakiem trwałości laktazy.

Ogólnie przyjmuje się, że jeśli nie będziesz produkować enzymu laktazy jako osoba dorosła, będziesz cierpieć na nietolerancję laktozy. Oznacza to, że jeśli nie produkujesz enzymu i spożywasz duże ilości mleka, będziesz mieć objawy niezdolności do trawienia tego mleka, takie jak skurcze, biegunka i wzdęcia. Oznaczałoby to, że twoje ciało nie może strawić laktozy w mleku, ponieważ nie masz enzymu laktazy. Dlatego zamiast tego musiałby przejść przez jelito cienkie do jelita grubego, gdzie ma kilka efektów.

Jednym z efektów jest to, że wyciąga płyn z krwi do okrężnicy, czyniąc go papkowatym i powodując biegunkę. Drugim efektem jest to, że ulega fermentacji przez bakterie, które wytwarzają całą gamę kwasów tłuszczowych i gazów, zwłaszcza wodór. Dlatego masz dużo wzdęć.

Od lat powszechnie przyjmuje się, że pojawiła się tolerancja laktozy, aby ludzie mogli spożywać więcej produktów mlecznych. Dlaczego tak jest i jak twoje nowe badania kwestionują tę teorię?

Ogólną ideą było to, że mleko ewoluowało specjalnie, aby było pożywne. Ma niesamowitą kombinację składników odżywczych, najlepszej jakości białko, fantastyczny zestaw tłuszczów i witamin rozpuszczalnych w tłuszczach oraz ogromne ilości wapnia. Ma przyzwoitą ilość witaminy D i innych rzeczy, których na ogół nam brakuje. To rodzaj superfoods. Tak więc jednym z powodów, dla których trawienie cukru zawartego w mleku – laktozy – było tak istotną zaletą, jest to, że jest ono generalnie pożywne i dobre dla zdrowia człowieka.

Innym pomysłem jest to, że ludzie w Europie Północnej nie otrzymują dużo witaminy D przez większą część roku ze względu na ilość światła słonecznego, które widzi skóra. Jednym z głównych powodów, dla których potrzebujesz witaminy D, jest to, że pomaga ona wchłaniać wapń, a mleko zawiera mnóstwo wapnia. Mogło to być ważne w Europie Północnej, ale nie tak ważne w Afryce, Europie Południowej czy Azji Południowej, gdzie jest dużo światła słonecznego. Innym powodem jest to, że mleko jest stosunkowo dobrym źródłem nieskażonego płynu.

Wszystkie te idee stawiają hipotezę, że im więcej mleka wypijesz, tym silniejszy będzie dobór naturalny. Ale tego nie znajdujemy. Odkrywamy, że nic w mleku, które ludzie piją, nie ma wpływu na dobór naturalny.

Mój kolega z Bristolu, George Davey Smith, jeden z głównych autorów tego badania, pogrzebał w brytyjskim Biobanku i przyjrzał się ludziom, którzy byli genetycznie uporczywi w laktozie i genetycznie nietrwali w laktozie. Nie widział żadnej różnicy w ich zachowaniach związanych z piciem mleka ani w ich wskaźnikach zdrowotnych. Jest to dość zastanawiające, ponieważ wydaje się, że jeśli nie produkujesz laktozy, nie oznacza to, że koniecznie masz złe objawy nietolerancji laktozy.

Źródło obrazu: ivector/Shutterstock.com

W swoich ostatnich badaniach badałeś ewolucję trwałości laktazy. Czy możesz opisać, w jaki sposób przeprowadziłeś swoje ostatnie badanie?

Zaobserwowaliśmy genetyczne przyczyny uporczywości laktazy, które ewoluowały w różnych częściach świata. Tylko około jedna trzecia dorosłych na całym świecie jest odporna na laktazę, ale są one rozmieszczone w grupach na całym świecie. Przyglądając się genetyce i zmianom genetycznym w czasie, możemy wykazać, że ta cecha, trwałość laktazy, podlegała ogromnemu, pozytywnemu doborowi naturalnemu. Dało to naszym przodkom ogromną przewagę w przetrwaniu.

W ciągu ostatnich 10 000 lat trwałość laktazy jako cecha genetyczna ewoluowała wielokrotnie w różnych częściach świata. Trwałość laktazy oznacza, że ​​ludzie kontynuują produkcję tego enzymu przez całe dorosłe życie. Kluczową rzeczą w tym badaniu jest to, że możemy określić, czy ktoś jest odporny na laktazę, czy nie, patrząc na jego DNA.

Nasi współpracownicy zbudowali ogromną bazę danych zawierającą około 5000 pomiarów tego, czy tłuszcz w ceramice był mlekiem, czy pochodził z różnych punktów w czasie i miejsc w całej Europie w ciągu ostatnich 10 000 lat. Mogli stworzyć niezwykle szczegółową mapę zmian w wykorzystaniu mleka w czasie w różnych miejscach.

Mój zespół prowadził modelowanie statystyczne lub komputerowe z wykorzystaniem baz danych. Mając te dane, konieczne było ustalenie, czy możemy zaobserwować zmieniające się częstotliwości utrzymywania się laktazy w czasie i czy zmiana we wzorcach używania mleka wyjaśnia skoki częstotliwości utrzymywania się laktazy – tj. czy jest w stanie wyjaśnić dobór naturalny na trwałości laktazy dokładniej niż tylko założenie, że trwałość laktazy ewoluowała wszędzie ze stałą szybkością w czasie.

Co odkryłeś na temat trwałości laktazy?

Ku naszemu zaskoczeniu, analiza zmian w spożyciu mleka w czasie nie pomogła wyjaśnić ewolucji trwałości laktazy lepiej niż przy założeniu, że była ona wybierana stale w tym samym tempie przez cały czas. Jest to zarówno zagadkowe, jak i zgodne z odkryciem George’a, że ​​utrzymywanie się laktazy lub jej brak nie wydaje się mieć wpływu na zdrowie ludzi.

George opublikował pomysł, że kiedy ludzie są narażeni na duże ilości patogenów, choroba biegunkowa może przejść od stanu niewygodnego do śmiertelnego. Opublikowałem pokrewny pomysł, w którym zasugerowałem, że w czasach głodu w przeszłości ludzie przerzucili się na produkty mleczne i zaczęli spożywać tylko niesfermentowane mleko, które jest bogate w laktozę i powoduje u nich biegunkę. Teraz mamy dwa nowe pomysły: większa ekspozycja na patogeny napędza dobór naturalny na trwałość laktazy, a narażenie na głód napędza dobór naturalny na trwałość laktazy.

W danych archeologicznych znaleźliśmy odpowiedniki narażenia na patogeny i głód. W przypadku klęsk głodu wykorzystaliśmy daty radiowęglowe i liczbę klęsk głodu, aby oszacować wzrost lub spadek populacji. Przyjrzeliśmy się również rozkładowi przestrzennemu tych dat radiowęglowych. Kiedy ludzie byli ściśnięci w osiedlach miejskich i mieszkali blisko siebie, byli bardziej narażeni na patogeny. Wzięliśmy te dane i stworzyliśmy matematyczne reprezentacje tego, ile było narażenia na patogeny i głód. Proxy dla głodu i patogenów wydają się wyjaśniać ewolucję trwałości laktazy lepiej niż używanie mleka lub ciągła selekcja naturalna.

Twoje ostatnie badania opierały się na wykorzystaniu starożytnego DNA, co obserwujemy częściej w badaniach naukowych. W jaki sposób postępy w dziedzinie genetyki pozwoliły naukowcom pogłębić wiedzę na różne tematy, w tym trwałość laktazy?

Technologie sekwencjonowania DNA znacznie się poprawiły. Ten rozwój technologii wspaniale nadawał się do starożytnych badań DNA. Te metody odczytu DNA bardzo dobrze nadają się do odczytywania wielu krótkich fragmentów DNA, a starożytny DNA to zasadniczo tylko wiele krótkich fragmentów DNA.

DNA rozkłada się z czasem, ale trwa dość długo. Możemy uzyskać DNA ze starych kości sprzed tysięcy lat. Oznacza to, że możemy szukać zmian w częstości występowania wariantów genetycznych. Jeśli częstotliwość wariantu genetycznego przeskakuje i rośnie powoli w czasie, może to być spowodowane przypadkiem. Jeśli wariant genetyczny bardzo szybko przechodzi od niskiej do wysokiej częstotliwości, wymaga to dodatkowego impulsu, a tym impulsem jest generalnie dobór naturalny.

Mamy teraz tę niesamowitą metodę patrzenia na dobór naturalny w działaniu, dzięki której możemy go zmierzyć i stwierdzić, które części naszego genomu, które geny podlegały najsilniejszemu doborowi naturalnemu w starożytnym DNA. Możemy obserwować ewolucję w akcji. Trwałość laktazy jest najsilniejszą sygnaturą pojedynczej cechy genu, ale możemy przyjrzeć się innym.

Wydaje się, że wiele wariantów genetycznych zmieniło się dość szybko w czasie, a wiele z nich jest związanych z dietą lub odpornością na choroby zakaźne. Podejścia te są cenne, jeśli chodzi o zrozumienie przyszłych podatności na choroby ukształtowanych przez naszą ewolucyjną przeszłość.

Źródło zdjęcia: Sohel Parvez Haque/Shutterstock.com

W swoich najnowszych badaniach współpracowałeś z Uniwersytetem w Bristolu oraz współpracownikami z ponad 20 krajów. Jak ważna była współpraca w twoich badaniach?

Nasze badania nie byłyby możliwe bez współpracy. Mamy trzy główne filary naszego badania. Po pierwsze, praca Richarda i Mélanie nad zmianami w wykorzystaniu mleka w czasie przy użyciu naprawdę zaawansowanej chemii archeologicznej wymaga poziomu ekspertyzy wykraczającego poza moje możliwości oraz kilku dość wymyślnych i drogich maszyn. Drugi to rodzaj pracy, którą George wykonywał w Bristolu; zajrzenie do UK Biobank było naprawdę ważne dla wskazania pytania bez odpowiedzi. Po trzecie, nasz zespół również odegrał ważną rolę: przyglądając się starożytnemu DNA i opracowując metody modelowania statystycznego i komputerowego. Wyniki tego badania nie byłyby takie same bez udziału wszystkich trzech instytucji.

Jakie są kolejne kroki dla ciebie i twoich badań?

Będziemy nadal podążać drogą przetrwania laktozy i nietolerancji laktozy. Mamy wystarczająco dużo danych, aby przeprowadzić te testy w Europie, ale jest całkiem jasne, że silna selekcja naturalna występuje również w Azji Południowej, na Bliskim Wschodzie, a zwłaszcza w wielu populacjach afrykańskich. Byłoby fantastycznie spojrzeć na to pytanie w populacjach afrykańskich, kiedy mamy zarówno dane dotyczące wykorzystania mleka, jak i starożytne dane DNA.

Jeśli dobór naturalny dotyczący trwałości laktozy jest wynikiem głodu i narażenia na patogeny, to jednoczy regiony, ponieważ w przeszłości nie było powodu sądzić, że ludzie byli mniej lub bardziej narażeni na głód lub patogeny w Europie, Afryce, na Bliskim Wschodzie lub Azji Południowej. Byłoby wspaniale przetestować nowy model, który wydaje się potwierdzać w naszych danych, pod kątem jego ewolucji i tego, jak dobrze sprawdziłby się on w Afryce, na Bliskim Wschodzie i w Azji Południowej.

Teraz mamy tę metodologię, aby lepiej zrozumieć, co napędza dobór naturalny, możemy zacząć lepiej rozumieć, co napędza ten dobór naturalny, i możemy testować różne hipotezy dotyczące tego, co napędza dobór naturalny, używając tych nowych metod statystycznych. Chciałbym to zrobić na całej gamie innych wariantów genetycznych podlegających doborowi naturalnemu i sprawdzić, co nimi kieruje.

O profesorze Marku Thomasie

Mark Thomas jest profesorem genetyki ewolucyjnej na University College London i zajmuje się głównie biologicznymi i kulturowymi aspektami ewolucji człowieka. Używa symulacji komputerowych i modelowania statystycznego, aby wyciągać wnioski z danych genetycznych – w tym starożytnego DNA – i informacji archeologicznych na temat procesów, takich jak przeszłe migracje i rozprzestrzenianie się, dobór naturalny – szczególnie w odpowiedzi na zmiany w diecie i ładunki chorób zakaźnych – oraz jak kształtuje się demografia ewolucja kulturowa.