Рейчъл Н. Кармоди

1 Катедра по еволюционна биология на човека, Харвардския университет

Майкъл Данеман

2 Катедра по еволюционна генетика, Институт за еволюционна антропология на Макс Планк, Лайпциг, Германия

Адриан У. Бригс

1 Катедра по еволюционна биология на човека, Харвардския университет

3 AbVitro Inc, Бостън, Масачузетс

Биргит никел

2 Катедра по еволюционна генетика, Институт за еволюционна антропология на Макс Планк, Лайпциг, Германия

Емили Е. Групман

1 Катедра по еволюционна биология на човека, Харвардския университет

4 Колумбийски колеж по лекари и хирурзи, Ню Йорк, Ню Йорк

Ричард У. Урангъм

1 Катедра по еволюционна биология на човека, Харвардския университет

Джанет Келсо

2 Катедра по еволюционна генетика, Институт за еволюционна антропология на Макс Планк, Лайпциг, Германия

Свързани данни

Резюме

Твърди се, че хората са биологично адаптирани към сготвената диета, но тази хипотеза не е тествана на молекулярно ниво. Тук ние комбинираме експерименти с контролирано хранене при мишки с сравнителна геномика на приматите, за да покажем, че консумацията на сготвена диета влияе върху генната експресия и че засегнатите гени носят сигнали за положителен подбор в човешката линия. Профилите на експресия на чернодробни гени при мишки, хранени със стандартизирани диети с месо или грудка, са били засегнати от вида храна и готвенето, но не и от приема на калории или енергийния баланс на потребителите. Гените, засегнати от готвенето, са силно корелирани с гените, за които е известно, че се диференцирано експресират в черния дроб между хората и другите примати и повече гени в този набор от припокриващи се сигнали показват положителна селекция при хората, отколкото би се очаквало случайно. Промените в последователността в подбраните гени се появяват преди разделянето между съвременните хора и две архаични човешки групи, неандерталци и денисовци, подкрепящи идеята, че адаптацията на човека към сготвената диета е започнала преди поне 275 000 години.

Въведение

По-рано е доказано, че диетичните модификации причиняват генетична адаптация. Няколко популации с наследство от млекопроизводство са придобили способността да усвояват лактозата в зряла възраст чрез персистиране на лактазния ензим (Bersaglieri et al. 2004; Gerbault et al. 2011), черта, която се е развила многократно през последните приблизително 7000 години силна положителна селекция (Tishkoff et al. 2007; Ranciaro et al. 2014). Освен това се твърди, че популации с история на консумация на храни, богати на нишесте, показват по-голям брой копия на гена, кодиращ слюнчената амилаза, ензимът, отговорен за храносмилането на нишесте в устата (Perry et al. 2007). Смята се, че приемането на готвене е отчасти отговорно за тази адаптивна ковариация, тъй като амилазата е неефективна при смилането на нишестето, освен ако не е била предварително желатинизирана от топлина (Hardy et al. 2015). Генетичните адаптации, предизвикани от диетата, съществуват сред съвременните популации, предполага, че диетичните модификации с по-дълга еволюционна история и широки системни ефекти могат да доведат до по-широко разпространена генетична промяна.

Изследвания на генетичната адаптация към сготвената диета не могат лесно да бъдат извършени при хора поради строгия експериментален контрол и необходимите тъканни биопсии (Somel et al. 2008). Поради това използвахме промени в генната експресия в моделен организъм в отговор на сурови и сготвени диети, за да идентифицираме кандидат-гени, които може да са били засегнати от диетичните промени по време на човешката еволюция. След това тествахме дали тези гени проявяват експресионни разлики между хората и нечовешките примати, като ги сравняваме с публикувани гени, показващи специфични за човека модели на експресия (Somel et al. 2008; Blekhman et al. 2010). Сравнихме тези гени, засегнати от готвенето и/или типа храна, и след това тествахме за сигнали за положителен подбор на тези гени при хората. Ние се съсредоточихме върху тези ефекти върху черния дроб, тъкан, за която е доказано, че диетата променя генната експресия (Somel et al. 2008), а разликите в генната експресия при хората и нечовешките примати са каталогизирани (Blekhman et al. 2010).

Материали и методи

Обобщение

Проучване на животни и тяхното поддържане

Експериментите бяха проведени в бариерното съоръжение за биологични изследвания на инфраструктурата под надзора на Комитета за грижа и употреба на животните в Харвардския университет (Протокол 10-04). Инбредни мъжки мишки BALB/c (n = 24, четири комплекта от шест котила) са придобити от лабораториите на Чарлз Ривър на 21-дневна възраст и съчетани със сънародници при стандартни условия (ad libitum chow и вода; 12 h светъл/тъмен цикъл; 22 ± 1 ° C, 30-50% влажност), докато скоростта на растеж се намали на 8-седмична възраст. На 8-седмична възраст мишките бяха настанени индивидуално във вентилирани клетки с под от телена мрежа, за да се сведе до минимум копрофагията. За да се предотврати замърсяване и загуба на диета под мрежестия под, диетите се прилагат в претеглени чаши на Петри с плотове, носещи четири симетрични отвора за хранене. Клетките се стерилизират ежедневно и като обогатяване се осигуряват пресни памучни гнезда и бараки. Мишките се приспособиха към тази експериментална настройка за 3 дни преди началото на диетичните манипулации.

Експериментални диети

Протокол за хранене

Мишките се отглеждат в продължение на 5 дни на диети с MRF, MCF, MCR, TRF, TCF или TCR (n = 4 на диета), като кучетата са разделени симетрично на диетични групи. Диетите бяха представени по едно и също време всеки ден, за да се даде стандартизиран цикъл за събиране на данни. По време на тази ежедневна интервенция, мишките се претеглят по време на период на бездействие. Отказите от храна от последните 24 часа бяха събрани, претеглени, за да се следи приема на прясно тегло, и по-късно лиофилизирани, за да се определи приема на сухо тегло.

Реколта от тъкани

В края на изпитването за хранене (ден 5), мишките са гладували цяла нощ (12 часа), за да насърчат консумацията на храна при поискване. Два часа преди жертвоприношението на мишките бяха представени диетите и във всички случаи започнаха да се хранят веднага. Телесната маса се взема непосредствено преди евтаназирането чрез вдишване на CO2. Дублирани 50-mm 2 дяла от десния лоб на черния дроб бяха изрязани в рамките на 60 s от смъртта с помощта на стерилни инструменти без RNase. Тъканите бързо се замразяват в течен азот и се съхраняват при -80 ° C до анализ.

Подготовка на библиотеката, последователност и базово обаждане

Секвенирахме нашите библиотеки по четири платна на Illumina HiSeq 2500, следвайки протоколи от доставчици, като получихме четене на двойки от 75 bp. Проучванията на HiSeq секвениране бяха анализирани, като се започне от суровите интензитети. Базовото обаждане и изчисляването на оценка на качеството бяха извършени с помощта на базовия повикващ freeIBIS (Renaud et al. 2013), обучен на контролни четения ϕX174. Четенията с повече от пет основи под базов качествен резултат от 10 бяха изключени. Последователностите на адаптера бяха изрязани и всички останали четения бяха запазени за анализ надолу по веригата.

Картографиране и изразяване

След като изключихме две ленти поради артефакти за секвениране, ние картографирахме всички останали четения в генома на мишката (NCBI37/mm9), използвайки картографиращия инструмент TopHat (Trapnell et al. 2009) и стандартните параметри. Успяхме да картографираме 97,4% (обхват между индивидите: 94,9–99,6%) от всички четения. Всички картографирани четения над минимално качество на картографиране от 30 бяха запазени и присвоени на гени, дефинирани от генната анотация на мишката ENSEMBL (версия 65). Всички гени с брой на четене, по-голям от нула, при поне два индивида са определени като изразени.

Анализ на диференциалната експресия

Набор от данни за примати RNAseq

Използвахме базирани на RNAseq данни за чернодробна транскрипция от множество индивиди от хора, шимпанзе и резус макаки, ​​предоставени от Blekhman et al. (2010) (ArrayExpress номер за присъединяване> GSE17274). Картирахме четения към съответните геноми hg19, pantro2 и rhemac2, използвайки TopHat (Trapnell et al. 2009) със стандартни параметри и всички картографирани четения с минимално качество на картографиране бяха запазени. Получихме стойности на израза за всеки отделен човек, като пуснахме копчета за ръкавели (Trapnell et al. 2010) при всички картографирани четения. Генетични анотации за човешки гени са получени от Ensembl (версия 59) и ортоложните области в шимпанзето и резус макака са дефинирани с използване на престой (Hinrichs et al. 2006). Използвани са само екзони, които са идентифицирани по време на престоя и при трите вида.

Кореспонденция с външни набори от данни

Анализ на транскрипционния фактор

Използвайки набор от транскрипционни фактори и техните предсказуеми целеви гени (Matys et al. 2006), ние изследвахме дали промените в експресията в целевите гени са склонни да се съгласуват между нашите данни за експресия на мишката и данните за експресия на прилетите Blekhman (Blekhman et al. 2010). Както и преди, съпоставихме леченията с „месо“ и „готвене“ на субекти и лечения с „грудки“ и „сурови“ на субекти с нечовешки примати. След това тествахме дали припокриването е по-голямо от очакваното случайно, използвайки едностранния точен тест на Фишър, сравнявайки припокриването на целеви гени за определени транскрипционни фактори с припокриването за всички останали гени.

Припокриване с положително подбрани гени

човешката

Обобщение на промените в генната експресия. (а) Брой на диференциално експресирани гени по вид храна, приготвяне на храна и калориен прием при FDR 0,05) и при мишки, хранени със сурова грудка спрямо варена грудка (P 0,05). Такива данни са в съответствие с предишни аргументи, че по-високата експресия на AMY1 отразява по-голямото търсене на смилане на нишесте (Perry et al. 2007; Axelsson et al. 2013; Hardy et al. 2015). Обратно, гените, участващи в липидните метаболитни процеси, са силно изразени при мишки, хранени с месо (11,5 ± 0,6% липиди, суха маса) в сравнение с мишки, хранени с грудки (0,8 ± 0,2%). Също така наблюдавахме по-ниска експресия на гени, свързани с липидния метаболизъм в готвено в сравнение със сурово месо, резултат, потенциално обяснен с загуба на липиди по време на готвене и/или с по-ниски храносмилателни изисквания за варени липиди (Wrangham and Carmody, предстои).

Изразителни разлики, свързани с месото и огледалото за готвене, наблюдавани между хората и нечовешките примати

Когато увеличената консумация на месо и готвенето се третират като свързани с човека диетични черти, генетичните признаци на типа храна и приготвянето на храната, които наблюдаваме огледални разлики, съобщени по-рано, съществуват сред мишки, хранени с хора спрямо диети с шимпанзе (Somel et al. 2008) и сред хора срещу нечовешки черен дроб на примати (Blekhman et al. 2010). Нашите мишки, хранени с месо, показват модели на експресия на чернодробни гени, които са по-сходни с мишките, хранени с човешка диета, и по-сходни с човешкия черен дроб, отколкото при нашите мишки, хранени с грудки (фиг. 3 и допълнителна таблица S3, Допълнителен материал онлайн). По същия начин експресията при нашите мишки, хранени с готвена храна, по-близко прилича на тази на мишките, хранени с човешка диета, и тази на човешкия черен дроб, отколкото експресията при нашите мишки, хранени със сурова храна. За разлика от това, нашите мишки, хранени с грудки или сурови храни, показват модели на експресия на черния дроб, по-подобни на тези на мишки, хранени с диета от шимпанзе, и на модели на експресия, наблюдавани при нечовешки примати. Ние предположихме, че разликите в експресията на чернодробни гени могат да бъдат частично регулирани от промени в активността на специфични транскрипционни фактори. След корекция за многократно тестване обаче не открихме значително обогатяване в експресията на гени, насочени от който и да е конкретен транскрипционен фактор за каквото и да е сравнение.

Забележка. - Набор от положително подбрани гени, които са диференцирано изразени в сурова спрямо готвена храна и в сурово спрямо варено месо.

Освен това, тъй като ползите от готвенето на теория биха могли да намалят селекцията на някои гени за поддържане на функцията, ние също изследвахме дали свързаните с готвенето гени може да са загубили своите функционални ограничения в човешкия род. Идентифицирахме две човешки псевдогенни семейства, за които функционалните еквиваленти при мишки показаха по-ниска експресия върху приготвените диети (допълнителна фигура S3, допълнителен материал онлайн), включително основните гени на уринарния протеин (Mup), както и хидроксилазата на CMP-сиалова киселина (Cmah ), който е ензимът, отговорен за производството на Neu5Gc. Допълнителни изследвания на селекцията върху тези и други гени със силна диференциална експресия, свързана с готвенето, биха могли да дадат възможност за оценка на ниво механизми, чрез които готвенето влияе върху биологичната стойност на храната, основна тема, която остава неизследвана.

Положителната селекция в гените, свързани с готвенето, предшества произхода на съвременните хора

Дискусия

Всички човешки общества готвят. Тази практика ни отличава от другите видове и се твърди, че е задължителна предвид нашия биологичен ангажимент към висококачествена диета и факта, че готвенето значително увеличава нетната печалба на енергия (Wrangham and Conklin-Brittain 2003; Carmody and Wrangham 2009; Wrangham and Carmody 2010). Сегашното ни разбиране за специализацията на човешкото храносмилане в сравнение с други примати е до голяма степен ограничено до анатомични, а не физиологични характеристики, включително намаляване на устата, зъбите, стомаха и дебелото черво. Въпреки че тези промени силно показват адаптиране към разчитането на лесно сдъвкваната и бързо смилаема храна, някои сурови храни отговарят на това описание, например плодове, костен мозък, мозъци, черен дроб, мед и някои елементи като семена, които се възползват значително от нетермичната обработка. Без разбиране на молекулярните адаптации към сготвената диета, следователно е невъзможно да сме сигурни дали обичайното готвене е оформило нашата физиология и ако да, как.

В това проучване ние предоставяме първите доказателства, че яденето на готвено в сравнение със сурова храна влияе върху експресията на чернодробните гени. Също така откриваме изобилни разлики в генната експресия между диетите на месо спрямо грудка, с обогатяване на свързаните с липидите метаболитни процеси при диетите с месо и въглехидратно-метаболитните процеси при диетите на грудки. За разлика от това, манипулирането на условията за приемане на калории или енергийния баланс на потребителя има минимално въздействие върху генната експресия. Заедно тези резултати предполагат, че диференциалната експресия се дължи главно на промени в наличността на хранителни вещества и/или специфични физиологични процеси, за разлика от просто енергийния поток.

В случая на грудката установихме, че гените, участващи в метаболитните процеси на въглехидратите, са по-слабо изразени при готвене в сравнение със суровите диети с грудки. Това е в съответствие с утвърдена литература, показваща, че готвенето повишава ефективността на храносмилането на въглехидрати чрез желатинизиране на нишестето, процес, който прави нишестето по-податливо на храносмилането от слюнчените и панкреатичните амилази (Carmody и Wrangham 2009). Повишаването на броя на копията на слюнчената амилаза (AMY1) в съвременните човешки популации и панкреатичната амилаза (AMY2B) при домашните кучета - и двете от които имат относително богата на нишесте диета - се предполага, че отразява подбора за повишена експресия за подобряване на храносмилането на нишесте -богати храни (Perry et al. 2007; Axelsson et al. 2013). В съгласие с това установихме, че нивата на експресия на Amy1 са по-високи, когато диетите налагат по-голямо търсене на смилане на нишесте, включително при мишки, хранени сурови срещу варени грудки, и при мишки, хранени грудки срещу месо.

Гени, които бяха диференцирано експресирани с типа храна и приготвянето на храна при мишки, се припокриваха до степен извън шанса с гените, за които е известно, че се различават по своята експресия между хората и нечовешките примати. Освен това, при съвпадение на фактори при предположението, че хората консумират повече месо и готвени продукти, отколкото нечовешките примати, ние наблюдаваме силно съответствие в насочеността на моделите на изразяване между набора от данни на мишката и наборите от данни за човешки и нечовешки примати. Тази кореспонденция потвърждава, че експериментите с контролирано хранене при мишки могат полезно да информират аспекти на дивергенцията при диети при хора и нечовешки примати (Somel et al. 2008; Carmody et al. 2011). Важно е също така, че също така предполага, че публикуваните разлики между хората и нечовешките примати в експресията на чернодробни гени могат да бъдат частично объркани от диетата.

Въпреки че всеки тип храна и приготвянето на храната са свързани със значителни промени в генната експресия, ние открихме, че само гените, свързани с готвенето, са обогатени сред гените с доказателства за положителен подбор в човешкия род. Забележително е, че шест от седем от тези предполагаемо избрани гени, свързани с готвенето, представляват имунни гени, наблюдавани да бъдат регулирани по-ниско в тяхната експресия върху диети при варено и сурово месо. Към днешна дата повечето доклади за еволюционните ефекти на готвенето са фокусирани върху увеличаването на енергийната печалба чрез повишена смилаемост на хранителните вещества и намалени разходи за храносмилане. Новите ни резултати обаче показват, че обичайното готвене също би довело до намалена енергия, изразходвана за имунна регулация, особено ако хоминините от предците вече експлоатират месото рутинно преди приемането на готвенето, както показва настоящият археологически запис (Ferraro et al. 2013; Zink и Либерман 2016).

Времето за приемане на готвене остава неясно, като биологичните показатели предполагат ранна дата около 2 млн. Години (Wrangham et al. 1999), археологически доказателства предполагат контролиран огън при 1 млн. Години (Berna et al. 2012) и огнища преди 300 000 години ( Shahack-Gross et al. 2014), въпреки че не всички професии на неандерталци имат доказателства за пожар до преди около 40 000 години (Sandgathe et al. 2011) и най-ранните преки доказателства за консумация на готвена храна само преди 50 000 години (Henry et al. 2011 ). В нашия набор от данни, предполагаемо избраните гени, свързани с готвенето, са предшествали разделянето между човешките и неандерталско-денисованските линии, събитие, датирано между 275 000 и 765 000 години (Prufer et al. 2014). Тези нови данни подкрепят виждането, че 1) готвенето е предшествало еволюцията на съвременните хора; и 2) готвенето се практикуваше достатъчно често, за да има селективни ефекти при неандерталците и денисовците, въпреки спорадичните археологически доказателства за пожар (Roebroeks and Villa 2011).

Като цяло нашите резултати насочват ново внимание към потенциално трансформиращата роля на готвенето за енергиен баланс и избор на храна по време на човешката еволюция. В допълнение, те подкрепят идеята, че готвенето е присъствало сред множество хоминински таксони на дата по-рано от най-ранните преки доказателства за готвене в археологическия запис. Бъдещата работа по изследване на ефектите от сготвената диета на молекулярно ниво ще освети човешката диетична ниша и в крайна сметка би могла да осигури механистично разбиране на разнообразните положителни и отрицателни последици от готвенето за човешкото здраве.