La storia evolutiva dei geni dell’amilasi per la digestione dell’amido

Uno studio pubblicato su Nature, di cui sono coautori i ricercatori di HT, rivela che i geni dell’amilasi, necessari per la digestione dell’amido, hanno subito molteplici duplicazioni e delezioni durante l’evoluzione umana e che l’agricoltura ha favorito strutture contenenti duplicazioni dei questi geni.

La relazione tra dieta ed evoluzione umana è stretta. Circa 12.000 anni fa, l’avvento dell’agricoltura ha permesso agli esseri umani di aumentare il consumo di cibi ricchi di amido. Nell’uomo, gli enzimi α-amilasi responsabili della digestione dell’amido sono codificati da tre geni adiacenti situati nel locus dell’amilasi. Durante l’evoluzione umana, questi tre geni hanno subito una significativa variazione del numero di copie, con un numero maggiore di copie dei geni α-amilasi direttamente collegato a una maggiore capacità di digerire l’amido. Come si è verificata la duplicazione dei geni α-amilasi durante l’evoluzione umana? Come è stata influenzata la struttura del gene α-amilasi?

I ricercatori di HT Davide Bolognini e Alessandro Raveane – co-primi autori dello studio – e Nicole Soranzo, in collaborazione con colleghi dell’Università della California a Berkeley e dell’Università del Tennessee, hanno sfruttato tecnologie avanzate di sequenziamento del DNA a lunga lettura e assemblaggi genomici telomero-a-telomero (cioè la ricostruzione di genomi individuali a livello cromosomico) dello Human Pangenome Reference Consortium (HPRC) per risolvere con precisione le varianti strutturali nei geni dell’α-amilasi.

Il team ha utilizzato gli assemblaggi genomici per costruire un grafo pangenomico e ha sviluppato un metodo computazionale che sfrutta il grafo per catturare la variazione genetica nel locus dell’amilasi. Hanno identificato 28 diverse strutture del gene α-amilasi con una composizione unica del numero di copie del gene e hanno esplorato la variazione globale nei genomi umani moderni.

Successivamente, i ricercatori hanno costruito alberi filogenetici per tracciare e datare l’emergere di strutture distinte dell’ α-amilasi. Sorprendentemente, hanno scoperto che strutture identiche dell’ α-amilasi sono sorte più volte e che diversi geni dell’ α-amilasi sono stati duplicati e cancellati durante l’evoluzione umana. Infine, studiando antichi genomi dell’Eurasia occidentale, i ricercatori hanno scoperto che gli aplotipi con maggiori duplicazioni geniche sono aumentati rapidamente di frequenza negli ultimi 12.000 anni. Ciò può essere spiegato dalla selezione positiva per un numero maggiore di copie del gene dell’amilasi in seguito all’adozione dell’agricoltura in Europa.

“Oltre a dimostrare l’esistenza di una selezione positiva nelle popolazioni dell’Eurasia occidentale, abbiamo scoperto che gli aplotipi con un numero di copie di amilasi più elevato si trovano più comunemente in molte altre popolazioni con una sussistenza tradizionalmente agricola in tutto il mondo. Questi risultati suggeriscono che la selezione per l’aumento del numero di copie di amilasi potrebbe essere avvenuta più volte nel corso della storia umana, in coincidenza con le diverse adozioni indipendenti dell’agricoltura. Poiché i campioni antichi provenienti da regioni diverse dall’Europa sono scarsi, non abbiamo potuto dedurre una potenziale selezione associata ad altre adozioni agricole. Per verificare ulteriormente questa ipotesi sono necessari campionamenti più ampi di genomi antichi diversi e assemblaggi moderni di long-read”, affermano gli autori.

DOI: 10.1038/s41586-024-07911-1

Image credits: Stefania Brandini