2022年11月15日，iScience在線(xiàn)發(fā)表了營(yíng)養與健康所研究成果“Archaic introgression contributed to the pre-agriculture adaptation of vitamin B1 metabolism in East Asia”。該研究分析了全球人群3823個(gè)全基因組，結合古人DNA數據，發(fā)現維生素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；研究進(jìn)一步鑒定了東亞人群中適應性單倍型的起源，估計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)化驅動(dòng)力。研究結果提示東亞人群和全球其他人群的維生素B1的代謝能力和機制可能存在差異，為精準醫學(xué)和精準營(yíng)養學(xué)的進(jìn)一步研究和應用提供了群體遺傳和進(jìn)化生物學(xué)線(xiàn)索和科學(xué)依據。
維生素B1是一種人體必需的微量營(yíng)養物質(zhì)，在碳水化合物代謝、免疫系統等發(fā)揮重要功能。維生素B1缺乏導致的腳氣病在19到20世紀在東亞以大米為主食的地區廣泛流行。人們在尋找預防腳氣病方法的過(guò)程中，發(fā)現了維生素B1，并且進(jìn)而發(fā)現了如今廣為人知的多種維生素。如今，大規模維生素B1缺乏已不多見(jiàn)。但是仍存在多種新形式的維生素B1缺乏癥狀。如研究發(fā)現糖尿病病人普遍存在血漿中維生素B1含量偏低的癥狀。此外，研究發(fā)現補充維生素B1可以提高免疫系統功能。如有研究表明補充維生素B1可以做為一種治療新冠患者的輔助手段。這些發(fā)現使得維生素B1受到越來(lái)越多的重視。但是有關(guān)研究多集中在補充維生素B1以消除對應的維生素B1缺乏癥狀，而缺乏對維生素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的代謝能力是不是有差異？這種差異的遺傳學(xué)基礎是什么？類(lèi)似這些問(wèn)題仍不清楚。
該研究首先依據對3823個(gè)全球人群的全基因組測序數據的分析，發(fā)現了在維生素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）在東亞人群和其他大洲人群有極顯著(zhù)的差異（圖1）；如有些基因單倍型在東亞人群達到極高頻，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(guò)正向自然選擇。
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
該研究進(jìn)一步追溯適應性單倍型的起源，發(fā)現其中SLC35F3, SLC35F4的適應性單倍型可能源自遠古人類(lèi)。通過(guò)分析比對這些基因的適應性單倍型和尼安德特人等古人的基因組序列，發(fā)現SLC35F4的適應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代人祖先和尼安德特人或類(lèi)似古人的遺基因交流的可能性很大。有趣的是，SLC35F3的適應性單倍型匹配不到目前已測出的古人基因組上，但是其是否來(lái)源于目前尚未采樣的古人仍需進(jìn)一步探索。
維生素B1的一個(gè)重要功能是促進(jìn)碳水化合物的代謝。為了驗證在東亞地區農業(yè)發(fā)生后人群飲食結構的改變是否是這種適應性選擇的進(jìn)化驅動(dòng)力。該研究通過(guò)分析當代人群的基因組數據，并結合不同歷史時(shí)期古現代人基因組數據去估計受選擇單倍型在不同歷史時(shí)期的頻率。結果發(fā)現受到選擇的單倍型在1萬(wàn)年前已達到了高頻，而在近1萬(wàn)年內頻率未發(fā)生大的改變（圖2）。該分析結果進(jìn)一步表明適應性進(jìn)化在1萬(wàn)年前已經(jīng)完成。這可能也提示農業(yè)發(fā)生后人群飲食結構的改變并非自然選擇的原初驅動(dòng)力。
圖2?適應性選擇發(fā)生在東亞地區1萬(wàn)年以前
總體而言，該研究發(fā)現維生素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，其中有的適應性單倍型源自現代人祖先和已經(jīng)滅絕的尼安德特人或類(lèi)似遠古人類(lèi)的基因交流，并且推斷東亞人群特異性的適應性進(jìn)化很可能發(fā)生在東亞地區農業(yè)文明之前，提示農業(yè)大規模發(fā)展以后東亞人群飲食結構的改變并非適應性進(jìn)化的原初進(jìn)化驅動(dòng)力。
該研究的結果提示東亞人群和其他大洲人群對維生素B1的代謝能力可能存在差異。進(jìn)一步的功能實(shí)驗和大型人群隊列研究有助于揭開(kāi)不同遺傳背景的個(gè)體對維生素B1的需求是否存在差異。從進(jìn)化的角度研究營(yíng)養物質(zhì)代謝基因在人群間的差異性和探索其形成機制，有助于理解不同遺傳背景的人對營(yíng)養元素的代謝能力差異的遺傳基礎和分子機制，最終促進(jìn)精準醫學(xué)發(fā)展和制定人群特異性的營(yíng)養標準。
中國科學(xué)院上海營(yíng)養與健康研究所博士后馬西獻為本文第一作者；復旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院徐書(shū)華教授為本文通訊作者。該項工作獲得了上海市“超級博士后”激勵計劃的支持，同時(shí)獲得了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、中國科學(xué)院先導專(zhuān)項、上海市國際人類(lèi)表型組計劃市級科技重大專(zhuān)項等基金的資助。
論文鏈接：https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(22)01886-7
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