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Nos últimos 12.000 anos, os humanos na Europa aumentaram drasticamente sua capacidade de digerir carboidratos, expandindo o número de genes que possuem para enzimas que quebram o amido de uma média de oito para mais de 11, de acordo com um novo estudo realizado por pesquisadores dos EUA, Itália e Reino Unido.
O aumento no número de genes que codificam essas enzimas acompanha a disseminação da agricultura pela Europa a partir do Oriente Médio e, com ela, uma dieta humana cada vez mais rica em amido, rica em alimentos básicos ricos em carboidratos, como trigo e outros grãos. Ter mais cópias de um gene geralmente se traduz em níveis mais altos da proteína que os genes codificam — neste caso, a enzima amilase, que é produzida na saliva e no pâncreas para quebrar o amido em açúcar para abastecer o corpo.
O estudo, publicado hoje (4 de setembro) na revista Naturezatambém fornece um novo método para identificar as causas de doenças que envolvem genes com múltiplas cópias no genoma humano, como os genes da amilase.
A pesquisa foi liderada por Peter Sudmant, professor assistente de biologia integrativa na Universidade da Califórnia, Berkeley, e Erik Garrison, do Centro de Ciências da Saúde da Universidade do Tennessee, em Memphis.
“Se você pegar um pedaço de macarrão seco e colocá-lo na boca, eventualmente ele ficará um pouco doce”, disse Sudmant. “Essa é sua enzima amilase salivar quebrando os amidos em açúcares. Isso acontece em todos os humanos, assim como em outros primatas.”
Os genomas de chimpanzés, bonobos e neandertais têm uma única cópia do gene no cromossomo 1 que codifica a amilase salivar, chamada de AMY1. O mesmo é verdade para os dois genes da amilase pancreática, AMY2A e AMY2B. Esses três genes estão localizados próximos um do outro em uma região do genoma do primata conhecida como locus da amilase.
Os genomas humanos, no entanto, abrigam números muito diferentes de cada gene da amilase.
“Nosso estudo descobriu que cada cópia do genoma humano abriga de uma a 11 cópias de AMY1, zero a três cópias de AMY2A e uma a quatro cópias de AMY2B”, disse o bolsista de pós-doutorado da UC Berkeley Runyang Nicolas Lou, um dos cinco primeiros autores do artigo. “O número de cópias está correlacionado com a expressão genética e o nível de proteína e, portanto, com a capacidade de digerir amido.”
Os pesquisadores descobriram que, enquanto há cerca de 12.000 anos os humanos por toda a Europa tinham uma média de cerca de quatro cópias do gene da amilase salivar, esse número aumentou para cerca de sete. O número combinado de cópias dos dois genes da amilase pancreática também aumentou em meio gene (0,5) em média ao longo desse tempo na Europa.
Vantagem de sobrevivência de múltiplos genes de amilase
No geral, a incidência de cromossomos com múltiplas cópias de genes de amilase (ou seja, mais cópias no total do que em chimpanzés e neandertais) aumentou sete vezes nos últimos 12.000 anos, sugerindo que isso proporcionou uma vantagem de sobrevivência para nossos ancestrais.
Os pesquisadores também encontraram evidências de um aumento nos genes da amilase em outras populações agrícolas ao redor do mundo, e que a região dos cromossomos onde esses genes da amilase estão localizados parece semelhante em todas essas populações, não importa qual planta amilácea específica essa cultura domesticou. As descobertas demonstram que, à medida que a agricultura surgiu independentemente ao redor do mundo, ela parece ter alterado rapidamente o genoma humano de maneiras quase idênticas em diferentes populações para lidar com o aumento de carboidratos na dieta.
De fato, os pesquisadores descobriram que a taxa de evolução que leva a mudanças no número de cópias do gene da amilase foi 10.000 vezes mais rápida do que a de mudanças em um único par de bases de DNA no genoma humano.
“Há muito tempo se levanta a hipótese de que o número de cópias dos genes da amilase aumentou nos europeus desde o início da agricultura, mas nunca fomos capazes de sequenciar esse locus completamente antes. Ele é extremamente repetitivo e complexo”, disse Sudmant. “Agora, finalmente somos capazes de capturar completamente essas regiões estruturalmente complexas e, com isso, investigar a história da seleção da região, o momento da evolução e a diversidade entre as populações mundiais. Agora, podemos começar a pensar sobre associações com doenças humanas.”
Uma associação suspeita é com cáries dentárias. Estudos anteriores sugeriram que ter mais cópias de AMY1 está associado a mais cáries, talvez porque a saliva faz um trabalho melhor de converter amido em alimentos mastigados em açúcar, o que alimenta bactérias que corroem os dentes.
A pesquisa também fornece um método para explorar outras áreas do genoma — aquelas que envolvem o sistema imunológico, a pigmentação da pele e a produção de muco, por exemplo — que passaram por rápida duplicação genética na história humana recente, disse Garrison.
“Uma das coisas interessantes que conseguimos fazer aqui foi investigar genomas modernos e antigos para dissecar a história da evolução estrutural neste local”, disse ele.
Esses métodos também podem ser aplicados a outras espécies. Estudos anteriores mostraram que animais que ficam perto de humanos — cães, porcos, ratos e camundongos — têm mais cópias do gene da amilase do que seus parentes mais selvagens, aparentemente para tirar vantagem da comida que jogamos fora.
“Esta é realmente a fronteira, na minha opinião”, disse Garrison. “Podemos, pela primeira vez, olhar para todas essas regiões que nunca poderíamos olhar antes, e não apenas em humanos — outras espécies também. Estudos de doenças humanas realmente têm lutado para identificar associações em loci complexos, como a amilase. Como a taxa de mutação é tão alta, os métodos de associação tradicionais podem falhar. Estamos realmente animados com o quão longe podemos levar nossos novos métodos para identificar novas causas genéticas de doenças.”
De caçador-coletor a agrário
Cientistas há muito suspeitam que a capacidade dos humanos de digerir amido pode ter aumentado depois que nossos ancestrais fizeram a transição de um estilo de vida caçador-coletor para um estilo de vida agrícola e estabelecido. Essa mudança foi mostrada como associada a mais cópias dos genes da amilase em pessoas de sociedades que domesticaram plantas.
Mas a área do genoma humano onde essas cópias residem tem sido difícil de estudar porque o sequenciamento tradicional — as chamadas técnicas de sequenciamento de leitura curta que cortam o genoma em pedaços de cerca de 100 pares de bases, sequenciam milhões de pedaços e então os remontam em um genoma — não foi capaz de distinguir cópias de genes umas das outras. Para complicar as coisas, algumas cópias são invertidas, ou seja, são viradas e lidas da fita oposta de DNA.
O sequenciamento de leitura longa permite que os cientistas resolvam essa região, lendo sequências de DNA com milhares de pares de bases de comprimento para capturar com precisão trechos repetitivos. Na época do estudo, o Human Pangenome Reference Consortium (HPRC) havia coletado sequências de leitura longa de 94 genomas haploides humanos, que Sudmant e colegas usaram para avaliar a variedade de regiões de amilase contemporâneas, chamadas haplótipos. A equipe então avaliou a mesma região em 519 genomas europeus antigos. Os dados do HPRC ajudaram a evitar um viés comum em estudos genômicos comparativos, que usaram um único genoma humano médio como referência. Os genomas do HPRC, chamados de pangenoma, fornecem uma referência mais inclusiva que captura com mais precisão a diversidade humana.
Joana Rocha, bolsista de pós-doutorado da UC Berkeley e coautora do artigo, comparou a região onde os genes da amilase se agrupam ao que ela chamou de “esculturas feitas de diferentes peças de Lego. Essas são as estruturas do haplótipo. Trabalhos anteriores tiveram que desmontar a escultura primeiro e inferir a partir de uma pilha de peças como a escultura poderia ter se parecido. O sequenciamento de leitura longa e os métodos pangenômicos agora nos permitem examinar diretamente a escultura e, assim, nos oferecem um poder sem precedentes para estudar a história evolutiva e o impacto seletivo de diferentes estruturas de haplótipo.”
Usando modelagem matemática especialmente desenvolvida, os pesquisadores identificaram 28 estruturas de haplótipos diferentes entre os 94 genomas de leitura longa e milhares de genomas humanos de leitura curta realinhados, todos agrupados em 11 grupos, cada um com uma combinação única de números de cópias AMY1, AMY2A e AMY2B.
“Essas estruturas incrivelmente complexas e malucas — regiões de duplicação, inversão e exclusão de genes no genoma humano — evoluíram independentemente em diferentes populações humanas repetidamente, mesmo antes do surgimento da agricultura”, disse Sudmant.
A análise de muitos genomas humanos contemporâneos também apontou para uma origem há 280.000 anos de um evento de duplicação inicial que adicionou duas cópias de AMY1 ao genoma humano.
“Essa estrutura em particular, que é predisposta a altas taxas de mutação, surgiu há 280.000 anos, preparando o cenário para mais tarde, quando desenvolvemos a agricultura, para que pessoas que tinham mais cópias tivessem maior aptidão, e então para que esses números de cópias fossem selecionados”, disse Sudmant. “Usando nossos métodos, pela primeira vez pudemos realmente datar o evento de duplicação inicial.”
Alma Halgren, uma estudante de pós-graduação em bioengenharia da UC Berkeley, e Davide Bolognini e Alessandro Raveane da Human Technopole em Milão, Itália, também são os primeiros autores do artigo. Outros coautores são Andrea Guarracino da UTHSC, Nicole Soranzo da Human Technopole e da Universidade de Cambridge no Reino Unido, e Jason Chin da Foundation for Biological Data Science em Belmont, Califórnia. A pesquisa de Sudmant é financiada pelo Institute of General Medical Sciences dos US National Institutes of Health (R35GM142916).
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