11月15日，中國(guó)科學(xué)院上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究所與復(fù)旦大學(xué)合作，在iScience上，在線發(fā)表了題為Archaic introgression contributed to the pre-agriculture adaptation of vitamin B1 metabolism in East Asia的研究論文。該研究分析了全球人群3823個(gè)全基因組，結(jié)合古人DNA數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)維生素B1代謝通路中涉及的基因在東亞人群受到特異性正向自然選擇；進(jìn)一步鑒定了東亞人群中適應(yīng)性單倍型的起源，估計(jì)出東亞人群特異性自然選擇發(fā)生的時(shí)間及潛在的進(jìn)化驅(qū)動(dòng)力。該研究提示東亞人群和全球其他人群的維生素B1的代謝能力和機(jī)制或存在差異，為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)學(xué)的進(jìn)一步研究與應(yīng)用提供了群體遺傳和進(jìn)化生物學(xué)線索和科學(xué)依據(jù)。
維生素B1是人體必需的微量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在碳水化合物代謝、免疫系統(tǒng)等方面發(fā)揮重要功能。維生素B1缺乏導(dǎo)致的腳氣病，于19世紀(jì)至20世紀(jì)在東亞以大米為主食的地區(qū)流行。人們?cè)趯ふ翌A(yù)防腳氣病方法的過程中，發(fā)現(xiàn)了維生素B1，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了如今廣為人知的多種維生素。如今，大規(guī)模維生素B1缺乏已不多見，但仍存在多種新形式的維生素B1缺乏癥狀。例如，有研究發(fā)現(xiàn)糖尿病病人普遍存在血漿中維生素B1含量偏低的癥狀。亦有研究發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充維生素B1可以提高免疫系統(tǒng)功能。這些發(fā)現(xiàn)使得維生素B1受到重視。然而，相關(guān)研究多集中在補(bǔ)充維生素B1以消除對(duì)應(yīng)的維生素B1缺乏癥狀，而缺乏對(duì)維生素B1代謝通路中涉及到的基因的遺傳學(xué)研究。人群間的維生素B1的代謝能力是否存在差異，以及這種差異的遺傳學(xué)基礎(chǔ)，尚不清楚。
該研究依據(jù)對(duì)3823個(gè)全球人群的全基因組測(cè)序數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)了在維生素B1代謝通路涉及的7個(gè)編碼蛋白質(zhì)的基因中有3個(gè)基因（SLC19A2、SLC35F3、SLC35F43）在東亞人群與其他大洲人群有顯著差異（圖1）；有些基因單倍型在東亞人群達(dá)到極高頻，而在非洲人群中完全缺失，在歐洲人群中缺失或頻率極低，提示這些基因的單倍型在東亞人群中是特異性存在，進(jìn)一步分析表明這些基因在東亞人群演化歷史中經(jīng)受過正向自然選擇。
【資料圖】
該研究進(jìn)一步追溯適應(yīng)性單倍型的起源，發(fā)現(xiàn)SLC35F3, SLC35F4的適應(yīng)性單倍型可能源自遠(yuǎn)古人類。研究通過分析比對(duì)這些基因的適應(yīng)性單倍型和尼安德特人等古人的基因組序列發(fā)現(xiàn)，SLC35F4的適應(yīng)性單倍型和尼安德特人的單倍型有極高的匹配率（>90%），提示這種單倍型源自現(xiàn)代人祖先與尼安德特人或類似古人的遺基因交流具有較大可能性。SLC35F3的適應(yīng)性單倍型匹配不到目前已測(cè)出的古人基因組上，但其是否來源于目前尚未采樣的古人仍需進(jìn)一步探索。
維生素B1的重要功能之一是促進(jìn)碳水化合物的代謝。為了驗(yàn)證在東亞地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)生后人群飲食結(jié)構(gòu)的改變是否是這種適應(yīng)性選擇的進(jìn)化驅(qū)動(dòng)力，該研究通過分析當(dāng)代人群的基因組數(shù)據(jù)，并結(jié)合不同歷史時(shí)期古現(xiàn)代人基因組數(shù)據(jù)去估計(jì)受選擇單倍型在不同歷史時(shí)期的頻率，發(fā)現(xiàn)受到選擇的單倍型在1萬(wàn)年前已達(dá)高頻，而在近1萬(wàn)年內(nèi)頻率未發(fā)生大的改變（圖2）。該分析結(jié)果進(jìn)一步表明適應(yīng)性進(jìn)化在1萬(wàn)年前已完成。這或提示農(nóng)業(yè)發(fā)生后人群飲食結(jié)構(gòu)的改變并非自然選擇的原初驅(qū)動(dòng)力。
該研究發(fā)現(xiàn)維生素B1代謝通路相關(guān)基因（SLC19A2、SLC35F3、SLC35F4）在東亞人群受到特異性的正向自然選擇，其中有的適應(yīng)性單倍型源自現(xiàn)代人祖先和已滅絕的尼安德特人或類似遠(yuǎn)古人類的基因交流，并推斷東亞人群特異性的適應(yīng)性進(jìn)化可能發(fā)生在東亞地區(qū)農(nóng)業(yè)文明之前，提示農(nóng)業(yè)大規(guī)模發(fā)展以后東亞人群飲食結(jié)構(gòu)的改變并非適應(yīng)性進(jìn)化的原初進(jìn)化驅(qū)動(dòng)力。
該研究提示東亞人群和其他大洲人群對(duì)維生素B1的代謝能力可能存在差異。進(jìn)一步的功能實(shí)驗(yàn)和大型人群隊(duì)列研究有助于揭開不同遺傳背景的個(gè)體對(duì)維生素B1的需求是否存在差異。從進(jìn)化角度探究營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝基因在人群間的差異性和探索其形成機(jī)制，有助于剖析不同遺傳背景的人對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的代謝能力差異的遺傳基礎(chǔ)和分子機(jī)制，促進(jìn)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)發(fā)展和制定人群特異性的營(yíng)養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)。
研究工作得到上海市“超級(jí)博士后”激勵(lì)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、上海市市級(jí)科技重大專項(xiàng)“國(guó)際人類表型組計(jì)劃”等的支持。
圖1.維生素B1代謝基因在東亞人群受到特異性的自然選擇
圖2.適應(yīng)性選擇發(fā)生在東亞地區(qū)1萬(wàn)年以前
來源：中國(guó)科學(xué)院上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究所
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