Genetická adaptácia na obsah selénu v potravinách v nedávnej histórii človeka
Genetické prispôsobenie človeka dostupnosti živín
Keďže ľudia emigrovali z Afriky asi pred 60 000 rokmi [1], usadili sa v rôznych oblastiach. Aby sa jednotlivé skupiny ľudí mohli dobre rozvíjať v týchto rozmanitých prostrediach, využili nielen kultúrny a technologický pokrok, ale často sa prispôsobili aj na genetickej úrovni. Museli sa teda prispôsobiť regionálnym rozdielom v zložení potravín. Napríklad väčšina cicavcov nie je schopná stráviť mliečny cukor laktózu po dojčení. U ľudských populácií v Európe a Afrike, ktoré chovajú dobytok na výrobu mlieka, došlo k adaptácii v géne pre laktázu. Umožňuje tiež dospelým stráviť laktózu a tým si naďalej vychutnať výživový prínos z mlieka [2].
Mikronutrient selén je nevyhnutnou súčasťou ľudskej stravy. Jeho obsah v strave je určený hlavne koncentráciou selénu v pôde, na ktorej sa potraviny pestujú. Množstvo selénu obsiahnutého v pôde sa vo svete veľmi líši. Od migrácie z Afriky sa teda ľudia usadili po celom svete v oblastiach s extrémne rozdielnym množstvom selénu v strave.
Prečo ľudia potrebujú selén
Ľudia potrebujú selén v potrave na to, aby si vytvorili 25 ľudských proteínov, ktoré obsahujú selén vo forme 21. aminokyseliny selenocysteínu (Sec). Tieto proteíny obsahujúce Sec sa nazývajú selenoproteíny a sú zapojené do životne dôležitých procesov, napríklad na ochranu buniek pred oxidačným poškodením. Sec je analógom najbežnejšie sa vyskytujúcej aminokyseliny cysteínu (Cys), pričom atóm síry vo funkčnej skupine Cys v Sec je nahradený selénom. Predpokladá sa, že Sec má jedinečnú chemickú úlohu, ktorú Cys nemôže vykonávať v rovnakom rozsahu. Okrem selenoproteínov má človek aj šesť génov odvodených od selenoproteínov, ktoré namiesto Cs obsahujú Cys (sú to paralogy obsahujúce Cys). Každý z týchto génov zohráva podobnú úlohu pre selenoproteíny, ale pre svoju funkciu nevyžadujú príjem selénu.
Sec má tú zvláštnosť, že jeho asociovaný kodón (to je triplet po sebe nasledujúcich nukleobáz v genóme, v ktorom je zakódovaná štruktúra určitej aminokyseliny) UGA je zvyčajne stop kodón. Aby sa UGA kodón dal čítať ako Sec, je potrebných niekoľko špecializovaných prístrojov na výrobu funkčných proteínov: Konverzia tohto génu na selenoproteín v tele si vyžaduje pôsobenie najmenej 19 ďalších proteínov, ktoré sa súhrnne označujú ako regulačné proteíny. Tieto proteíny regulujú selén v tele, syntetizujú Sec a riadia začlenenie Sec do reťazca aminokyselín.
Odhaduje sa, že asi jedna miliarda ľudí zje nedostatok selénu [3], aj keď je to obmedzené na určité regióny sveta. Napríklad Čína má najvyššiu a najnižšiu hladinu selénu na svete. V regiónoch so závažným nedostatkom selénu sa pred nedávno zavedenými programami doplnkov selénu endemicky vyskytlo ochorenie srdcového svalu (Keshanova choroba) s vysokou mierou úmrtia u detí a invalidizujúce ochorenie kostí a chrupaviek (Kashin-Beckova choroba) [ 4]. Mierny nedostatok selénu môže spôsobiť poruchu imunitného systému, zníženie plodnosti, kognitívne slabosti a zvýšené riziko úmrtia [5]. Pretože adekvátny príjem selénu je pre ľudské zdravie a plodnosť taký dôležitý, a jeho množstvo v potravinách sa po celom svete veľmi líši, vedci z oddelenia evolučnej genetiky predpokladali, že rozdiely v príjme selénu v strave môžu byť veľa. Po celé generácie ovplyvňoval vývoj génov spojených so selénom u ľudí.
Hľadanie adaptácie v génoch súvisiacich so selénom
Obr. 1: V tejto práci bolo analyzované priestorové umiestnenie ľudských populácií z celého sveta.
Pri hľadaní adaptácie na hladinu selénu vedci skúmali genetické variácie v génoch pre selenoproteíny, v paralogoch obsahujúcich Cys a v regulačných génoch pre selén u 855 ľudí z 50 populácií po celom svete (Obr). Táto šírka populácií poskytuje široké spektrum východísk, pokiaľ ide o obsah selénu v potravinách. Vedci uložili zhromaždené údaje do databázy SelenoDB (www.selenodb.org) [6], aby ich sprístupnili komunite biológov selénu.
Prispôsobenie sa nedostatku selénu
Obr. 2: Porovnanie neobvykle veľkých rozdielov vo frekvencii genetických variantov medzi populáciami z rôznych oblastí sveta. (A) Porovnanie medzi regiónmi sveta. (B) Porovnanie medzi populáciami v Číne, ktoré žijú buď v regiónoch s nedostatkom selénu, alebo v regiónoch s dostatkom selénu (vo vzťahu k iným regiónom sveta).
Vedci zistili, že v strednej a južnej Ázii a východnej Ázii existujú dôkazy o miestnej adaptácii tak v selenoproteínoch, ako aj v regulačných génoch, a okrem toho ďalšie dôkazy v selenoproteínoch v Amerike (oblasť s červenou farbou v Obr. 2A). Väčšina populácií východnej Ázie pochádza z Číny, kde možno nájsť veľké oblasti s nedostatkom selénu. Nízky obsah selénu v pôde nájdeme aj v Pakistane, odkiaľ pochádza väčšina vzoriek zo strednej Ázie. Je preto pravdepodobné, že tieto príznaky pozitívneho výberu odrážajú úpravu úrovne selénu v životnom prostredí. Znak pozitívnej selekcie v Amerike sa interpretuje opatrnejšie, pretože v tejto časti sveta nebol preukázaný nedostatok selénu u ľudí.
U paralogov obsahujúcich Cys však neexistujú dôkazy o adaptácii v žiadnej oblasti sveta. Tieto gény majú podobné funkcie ako selenoproteíny, a preto je možné mať podozrenie, že hrajú úlohu pri kompenzácii selenoproteínových funkcií, keď je selénu nedostatok. Je však známe, že Sec a Cys sa líšia svojimi katalytickými vlastnosťami a nie sú funkčne zameniteľné. To by preto mohlo obmedziť schopnosť génov obsahujúcich Cys prevažovať nad funkciou selenoproteínov. Nedostatok významných dôkazov o adaptácii v týchto génoch pravdepodobne odráža ich nezávislosť od selénu a naznačuje, že gény obsahujúce cysteín nehrajú kompenzačnú úlohu pri nízkych hladinách selénu.
Ďalej sa vedci podrobnejšie zaoberali znakmi adaptácie v Ázii. Väčšina skúmaných populácií pochádza z Číny, časti sveta s nedostatkom selénu vo veľkých regiónoch a s endemickým výskytom závažných chorôb ako je Keshanova choroba. Populáciu v Číne rozdelili do dvoch skupín podľa toho, či žijú v regiónoch s nedostatkom selénu alebo v oblastiach s dostatkom selénu. To ukázalo, že indikácie na adaptáciu sú obmedzené na oblasti Číny s nedostatkom selénu (Obr. 2B, Obr. 3. Obr). To podporuje predpoklad, že to je nedostatok selénu, ktorý vedie k adaptácii v týchto génoch.
Obr. 3: Obyvateľstvo z častí Číny s nedostatkom selénu poskytuje najjasnejšie náznaky miestnej adaptácie v Číne. Ružové oblasti na mape sú oblasti s nedostatkom selénu, kde boli endemické choroby z nedostatku selénu. Pre populácie označené červenou farbou, ktoré žijú v ružových oblastiach, existujú jasné dôkazy o adaptácii v génoch súvisiacich so selénom. Populácie označené modrou farbou, ktoré žijú v regiónoch s dostatkom selénu (zelené oblasti na mape), neposkytujú žiadne príznaky adaptácie na gény súvisiace so selénom.
Závery
Výsledky naznačujú, že mikroživina selén bola dôležitá počas nedávnej ľudskej evolúcie: Keď sa ľudia šíria po celom svete, adaptácia v génoch, ktoré obsahujú selén alebo regulujú jeho použitie, mohla pomôcť ľuďom stať sa regiónmi chudobnými na selén. osídliť. Výsledkom je, že dnešná ľudská populácia môže mať v dôsledku svojej histórie rôznu úroveň rizika ochorenia spôsobeného selénom.