Thích nghi tiến hóa với biến đổi chế độ ăn uống

Thích nghi tiến hóa với biến đổi chế độ ăn uống F Luca, G.H Perry, A Di Rienzo - doi: 10.1146/annurev-nutr-080508-141048 - Người dịch (ND): Trần Tuyết Lan, nhóm Hạ Mến, hướng dẫn ăn Biên tập (BT): Nguyễn Đức Anh Tóm tắt Trong q trình tiến hóa lồi người, trải qua cách tân văn hóa với thay đổi môi trường sống hệ sinh thái, chế độ ăn uống có nhiều chuyển biến lớn, bao gồm ăn thịt, nấu nướng hoạt động liên quan đến hóa trồng vật ni Việc nhận diện dấu hiệu thích nghi với biến đổi chế độ ăn uống hệ gien linh trưởng (bao gồm lồi người) làm sáng tỏ khơng lịch sử tiến hóa lồi chúng ta, mà cịn làm rõ chế gây nhiều bệnh chuyển hóa phổ biến quần thể người đại Trong đánh giá này, đưa tổng quan ngắn gọn biến chuyển ăn uống diễn tiến hóa tơng người (hominin evolution), sau bàn luận phương pháp cách thức dùng để nhận diện dấu hiệu chọn lọc tự nhiên kiểu biến dị trình tự gien (sequence variation) Rồi chúng tơi đánh giá kết nghiên cứu có mục đích để tìm lơ-cut gen (genetic loci/locus genetics hay lô-cut gen di truyền học vị trí cố định nhiễm sắc thể, giống vị trí gen điểm đánh dấu/điểm đánh dấu di truyền - BT) mà đóng vai trị thích nghi ăn uống đến kết luận cách khái lược tiềm nghiên cứu tương lai lĩnh vực LỜI DẪN Đặc điểm lịch sử tiến hóa tơng người (hominins) biến đổi lớn chế độ ăn uống, bao gồm ăn thịt, nấu nướng thay đổi liên quan đến việc hóa vật ni trồng Nhiều thập kỷ nghiên cứu nhân chủng học dành hết cho việc làm sáng tỏ lịch sử ăn uống này, phần biến chuyển có khả liên quan đến thay đổi lớn văn hóa giải phẫu (như gia tăng kích thước não tương đối xuất văn minh đại thông qua nông nghiệp) Tuy nhiên, việc tái dựng thiết yếu cơng tìm hiểu bối cảnh tiến hóa chế độ ăn uống đại bệnh tật thường kèm với chúng Song song với việc tái dựng chế độ ăn uống tổ tiên loài người lịch sử, phân tích tiến hóa phân tử dùng để điều tra hệ gien nhằm tìm dấu hiệu thích nghi di truyền với chế độ ăn uống khác Một ưu điểm nhiều phương pháp di truyền tiến hóa chúng khơng hẳn cần có giả định vững gien alen (gien đẳng vị/gien tương ứng) chuyên biệt, đối tượng mục tiêu áp lực chọn lọc liên quan đến chế độ ăn uống Vì nguyên nhân mà phân tích di truyền tiến hóa có tác dụng không để cung cấp liệu cho giả thuyết thích nghi có lịch sử ăn uống tơng người mà cịn giúp kiến tạo nên giả thuyết Trong viết này, đem hai lĩnh vực nghiên cứu lại với nhau, nhân chủng học di truyền học tiến hóa, nhằm nêu bật kết nghiên cứu gần liên quan đến lịch sử ăn uống người bàn luận hạn chế phương pháp nghiên cứu khác Bài viết bắt đầu phần tổng quan ngắn gọn biến chuyển chế độ ăn uống tiến hóa tơng người thảo luận phương pháp cách thức di truyền học tiến hóa dùng để nhận diện dấu hiệu chọn lọc tự nhiên Sau chúng tơi đánh giá kết nghiên cứu di truyền có mục tiêu xác định lơ-cut gien mà giữ vai trị thích nghi ăn uống đến kết luận khái lược tiềm nghiên cứu tương lai lĩnh vực BIẾN CHUYỂN CHẾ ĐỘ ĂN UỐNG TRONG TIẾN HĨA TƠNG NGƯỜI Để đưa suy luận chế độ ăn uống cổ đại, nhà nhân chủng học áp dụng nhiều phương pháp luận cách thức khác dẫn liệu khảo cổ hóa thạch Ví dụ, hình dạng cụ thể múi (molar cusp) thích nghi chế độ ăn uống chủ yếu trái cây, với chế độ ăn uống chung chung Các kiểu xói mòn hiển vi (microscopic wear patterns) bề mặt phản ánh đặc tính chống chịu rạn nứt (fracture-resistance) thực phẩm mà ăn nhiều tuần trước chết Tỉ lệ đồng vị ổn định (stable isotope ratios) (vd 18O/16O) từ xương hóa thạch tiêu biểu cho dấu hiệu rõ ràng thực phẩm tiêu thụ thời điểm mơ hình thành Cấu trúc cộng đồng (community composition) hài cốt hóa thạch lồi khơng phải tơng người điểm khảo cổ giúp nhà nghiên cứu tái dựng cổ môi trường (paleoenvironments), nơi tổ tiên sinh sống thời gian dài Ở đây, đưa tổng kết phần đánh giá quan trọng chứng có biến chuyển chế độ ăn uống quan trọng lịch sử tiến hóa tơng người, sau trình bày trình tự tương đối gần với lịch sử (Hình 1) Triệu năm trước Lồi tinh tinh/tinh tinh lùn (chủ Chi yếu) Pan ăn Loài người (human linage) Chi người/Homo Ăn thịt/Meat eating Chi vượn người phương Nam/Australopithecus Họ người Paranthropus Chi vượn đất/Ardipithecus Chi người Orrorin Chi người Sahelanthropus Thức ăn chín (kiểm sốt lửa)/cooked food Ăn chung chung hỗn hợp/mixed diet Màu vàng/Bằng chứng chắn Nơng nghiệp, hóa vật ni Thứ ăn dai, cứng (tough, hard foods) Màu xanh/Bằng chứng gợi mở/suy luận Hình Niên đại biến chuyển ăn uống tiến hóa tơng người Các màu xám mơ tả niên đại xấp xỉ hữu giống loài tinh tinh/tinh tinh lùn người Thời điểm số biến đổi chế độ ăn uống quan trọng tiến hóa tơng người tơ bật ô màu cam xanh để liệu biến đổi có chứng vững (cam) hay mang tính đề xuất (xanh) Tơng người sơ khai Do số lượng hạn chế hóa thạch tông người sơ khai thiếu vắng gần tuyệt đối hóa thạch lồi tinh tinh, nên khó mà tái dựng chế độ ăn uống tông người xuất sớm Họ hàng tiến hóa cịn gần với lồi người, tức tinh tinh tinh tinh lùn, chủ yếu ăn trái cây, việc dùng chúng làm hình mẫu sát đại biểu cho tổ tiên chung không khỏi việc đơn giản thái Tuy nhiên, mô tả gần hài cốt hóa thạch hóa thạch tơng người tương đối hồn chỉnh cổ (khoảng 4,4 triệu năm tuổi/mya) mà phát Ardipithecus ramidus, lộ đôi điều chế độ ăn uống tổ tiên Theo truyền thống thì, người ta cho tông người sớm chuyển từ mơi trường sống rừng rậm đến thảo ngun (có lẽ tình trạng thống mở loại thân cỏ cao môi trường lý giải ưu chọn lọc động vật hai chân), với chuyển đổi sang loại thức ăn cứng dai mà có nhiều mơi trường Tuy nhiên, tái dựng kỹ lưỡng môi trường Ardipithecus ramidus mà có đủ hai chân lại tông người sống miền rừng rậm đến rừng rời rạc, hoang mạc thảo nguyên Môi trường khoảng triệu năm tuổi tông người Orrorin tugenensis ghi nhận kết tương tự Do đó, giả cảnh (alternate scenarios) thay nguồn gốc tông người động vật hai chân nên cân nhắc kiểm nghiệm Tỉ lệ đồng vị ổn định hình thái với tình trạng xói mịn hài cốt Ar ramidus trung gian tinh tinh tông người sau bao gồm chi Homo, điều chế độ ăn uống chung chung lẫn lộn thay chuyên biệt vào thành phần thức ăn trái hay thực vật cứng rắn Những tơng người tiếp sau thực có chuyển đến mơi trường thống mở gặp nhiều loại thực phẩm khó ăn Răng to men dầy người vượn phương Nam (australopithecines) [~4,1–1,4 triệu năm trước] chứng tỏ chế độ ăn uống họ có thức ăn cứng Tuy nhiên, hình thái dùng để ăn loại thực phẩm cịn có số quan điểm bất đồng Những nghiên cứu tạo mơ hình sinh học (biomechanical modeling studies) gần căng sọ mặt (craniofacial strain) đề xuất người vượn phương Nam dùng nanh (premolar) để cạy mở vỏ cứng (endocarp/vỏ trong) loại hạt tương đối to Tuy nhiên, nhà nghiên cứu khác tập trung vào quan lưu trữ nằm đất (underground storage organs/USOs) mà chứa nhiều tinh bột, củ rễ (bulb) củ thân (corm), với tư cách thành phần chế độ ăn uống người vượn phương Nam Độ cứng số củ rễ củ thân sống đủ khả để giải thích cho hình thái sọ mặt người vượn phương Nam Nhất quán với quan điểm USOs nguồn thức ăn quan trọng việc thường xuyên phát đáng kể hóa thạch chuột dúi (mole rat) — loài chuyên ăn củ rễ củ thân —tại địa điểm hóa thạch với tơng người thay cho ngẫu nhiên Hơn nữa, dấu vết tỉ lệ đồng vị ổn định chuột dúi hóa thạch tơng người đồng xuất ăn loại thức ăn giống Hai giả thuyết (các loại hạt to với USOs nguồn thức ăn chính) để lý giải hình thái sọ người vượn phương Nam không thiết mâu thuẫn (incompatible), khơng có khả lồi hominin ăn loại thức ăn Trong thực tế, số khảo sát hình thái sọ độ biến động đáng kể chế độ ăn uống liên cá thể người vượn phương Nam Cần cân nhắc đến khả kể loại thức ăn tương đối tiêu thụ loại trọng yếu để sinh tồn, khơng có loại thức ăn ưa thích (như theo mùa) Khả tận dụng nguồn “thức ăn dự trữ” (fallback food) loại áp lực chọn lọc mạnh mẽ tiến hóa tơng người Thịt: tìm bới săn bắt Tinh tinh săn động vật linh trưởng nhỏ động vật có vú khơng phải linh trưởng, làm thế, thịt thành phần nhỏ chế độ ăn uống chúng Ngược lại, thịt nguồn thức ăn quan trọng loài người đại, kẻ săn bắt-hái lượm, với thức ăn thực vật Bằng chứng sớm việc ăn thịt tơng người có từ tận (khoảng) 2,5 triệu năm trước Một số dẫn liệu hóa thạch phù hợp với hoạt động bới tìm thức ăn, tổng thể chưa chắn tầm quan trọng tương đối thời điểm tìm bới thức ăn với hoạt động săn bắt tiến hóa tơng người hominin Ngồi việc nạp nhiều calo từ tiêu thụ thức ăn nguồn gốc động vật, thịt cung cấp protein, sắt, kẽm, vitamin thành phần thực phẩm quan trọng khác Việc áp dụng ăn thịt quy mơ lớn địi hỏi phải có kỹ thuật xử lý cải tiến, nấu nướng, phần thịt sống nhai khó nhai lâu, theo hạn chế tiêu thụ số lượng lớn Hoạt động nấu nướng Bằng chứng bàn cãi cổ việc lửa người kiểm sốt có từ 800.000 năm trước Israel Có khu vực khác, chắn hơn, từ sớm khoảng 1,5 triệu năm trước Wrangham đồng đề xuất nấu ăn phần văn hóa tơng người từ sớm tận khoảng 1,9 triệu năm trước, kích cỡ giảm quan sát Homo erectus mà có chuyển đổi sang xử lý thức ăn mềm Bất kể hoạt động nấu nướng bắt nguồn từ nào, cơng nghệ dường đại diện cho biến chuyển chế độ thực phẩm quan trọng gia tăng khả tiêu hóa thịt thức ăn thực vật Trong thực tế, không nướng (roasting) có số loại thân củ q cứng để người ăn Chúng ta thiếu chứng trực tiếp việc kiểm soát lửa nấu ăn xuất sớm thời gian mà Wrangham đồng đề xuất Tuy nhiên, niên đại sơ kỳ mà họ đưa đúng, biến chuyển chế độ ăn uống trợ giúp gia tăng kích thước não tương đối mà đồng thời quan sát tiến hóa tơng người Kích thước não tăng, trùng hợp với kích cỡ ruột giảm, chất lượng ăn uống cải thiện Liệu thay đổi chất lượng ăn uống có kèm với hỗ trợ hoạt động nấu nướng hay đơn giản tiến công nghệ đồ đá, liệu thịt hay UFOs nhiều tinh bột có nguồn thức ăn nhiều lượng trọng yếu giả cảnh này, chủ đề tranh luận gay gắt Cuộc tranh luận không đến hồi kết sớm chứng việc lửa người điều khiển que gậy mà giả thiết dùng để đào củ thân khơng gìn giữ tốt dẫn liệu khảo cổ hóa thạch Tuy nhiên, đạt số nhận thức từ nghiên cứu hành vi ăn uống loài linh trưởng đương đại; chẳng hạn quan sát tinh tinh môi trường thảo nguyên dùng que mảnh vỏ nhánh để đào bới củ thân củ rễ; vậy, tơng người sơ khai có hành vi tương tự khơng có kỳ lạ Dù thịt hay USOs thành phần chế độ ăn uống hay khơng thì, vơ số độc tố sinh thành phụ phẩm việc nấu nướng thức ăn, q trình chuyển hóa mà đem đến thách thức cho hệ thống tiêu hóa tơng người Ví dụ, việc nấu nướng thức ăn đẩy nhanh phản ứng Maillard mà sinh acrylamide, thành phần chất có liên quan đến ung thư người Thuần dưỡng vật nuôi trồng Nguồn gốc truyền bá nông nghiệp với chăn nuôi động vật khoảng 12.000 năm qua, với nôi dưỡng châu Á, châu Âu, Nam Mĩ châu Phi đại biểu cho chuyển biến lớn gần chế độ ăn uống người Sản xuất lương thực công nghệ bảo quản liên quan đến biến chuyển chế độ ăn uống dẫn đến đông đúc mật độ quần thể mà khuếch đại nhiều cấp độ so với mật độ có kinh tế sinh sống săn bắt hái lượm Tuy nhiên, nhìn chung nơng nghiệp truyền bá phổ biến có liên quan đến việc giảm tương đối bất ngờ tính da dạng hấp thu dinh dưỡng Ví dụ, 50%–70% số calo chế độ ăn uống nông nghiệp đến từ tinh bột Bên cạnh giảm đa dạng dinh dưỡng, chế độ ăn uống nơng nghiệp liên quan đến tính sẵn có calo mà vượt nhu cầu calo cho tăng trưởng lượng, quan sát kinh tế nông nghiệp đương đại phát triển Những hệ việc trọng hẹp vào sản phẩm động thực vật ni trồng, tính sẵn có calo, liên quan tới chế độ ăn uống tổ tiên loài người chúng ta, gì? Giả thuyết “kiểu gien tiết kiệm” (thrifty genotype) Neel tiểu đường loại (T2D) hệ đại lịch sử chọn lọc tự nhiên cổ xưa nhằm đạt hiệu suất chuyển hóa đối diện với thức ăn có hạn khơng dự đốn kinh tế săn bắthái lượm Trong giả thuyết “carnivore connection” (liên quan đến loài ăn thịt), Brand Miller Colagiuri đề xuất chế độ ăn uống nhiều thịt carbohydrate q khứ khả kháng insulin (kháng insulin liên quan đến trạng thái nồng độ bình thường insulin khơng đủ để chuyển hóa lượng đường tương ứng - BT) có lợi, tình trạng kháng insulin lại bất lợi sau chế độ ăn uống lại chuyển đổi kiểu ăn uống nhiều carbohydrate có liên quan tới nông nghiệp Căn liệu từ nghiên cứu dân tộc học xã hội săn bắt hái lượm đại, Eaton & Konner với Cordain cộng ước tính khoảng 65% số chế độ ăn uống loài người tối cổ trước có nơng nghiệp xuất phát từ sản phẩm thức ăn thực vật Do đó, đơn giản hóa q mức mơ tả kẻ săn bắt hái lượm trước nông nghiệp thành “loài chủ yếu ăn thịt” (primarily carnivorous), thức ăn có nguồn gốc động vật góp 35% nhiều vào chế độ ăn uống có khả dẫn đến hàm lượng đạm cao hàm lượng carbohydrate thực phẩm thấp nhiều so với đời sau ăn theo chế độ ăn uống nơng nghiệp Do đó, thay đổi hàm lượng thịt giai đoạn chuyển đổi từ săn bắt hái lượm sang nông nghiệp tiêu biểu cho áp lực chọn lọc đáng kể việc gửi tín hiệu insulin chuyển hóa người, lường trước khn khổ giả thuyết liên quan đến loài ăn thịt Bất chấp tình trạng chưa rõ ràng suy luận ăn uống, quan trọng cần cân nhắc cẩn thận bối cảnh chế độ ăn uống tổ tiên người cố gắng tìm hiểu thích nghi tiềm hệ y học chế độ ăn uống PHƯƠNG PHÁP KHÁM PHÁ DẤU HIỆU THÍCH NGHI DI TRUYỀN Một đánh giá quan trọng chứng cho thích nghi di truyền với biến đổi chế độ ăn uống yêu cầu phải có hiểu biết ngun tắc phân tích tiến hóa nhắm tới việc phát dấu hiệu chọn lọc tự nhiên Trong phần này, đánh giá mơ hình chọn lọc tự nhiên chính, với trọng tâm cụ thể mơ hình mà có nhiều khả áp dụng vào thích nghi với biến đổi chế độ ăn uống Chúng tổng kết phương pháp nghiên cứu dùng nhiều kiểm nghiệm chọn lọc thống kê kết luận với phần bàn luận vấn đề thống kê liên quan đến việc diễn giải dấu hiệu chọn lọc Các mơ hình chọn lọc tự nhiên Chọn lọc tự nhiên trình mà đặc tính có lợi di truyền có tần số gia tăng theo thời gian đặc tính di truyền bất lợi trở nên phổ biến Q trình diễn theo nhiều mơ hình, mà sinh dấu ấn khác kiểu biến dị di truyền Chọn lọc định hướng (directional selection) xuất hai alen vị trí đa hình ưu tiên alen cịn lại nên tần số gia tăng nhanh chóng; q trình chọn lọc ổn định thời gian đủ dài, alen có lợi trở thành cố định Trong trình cân chọn lọc (balancing selection), hai hay nhiều alen giữ quần thể tần số cân ổn định chừng áp lực chọn lọc; mơ hình cân chọn lọc cụ thể, cá thể dị hợp tử (heterozygous individuals) có độ thích hợp cao độ thích hợp hai đồng hợp tử (homozygotes), alen cho nhanh chóng gia tăng tần số đạt trạng thái cân Một số mơ hình bổ sung với chọn lọc thay đổi theo thời gian khơng gian liên quan đến thích nghi với thay đổi chế độ ăn uống người Lồi người cư ngụ loạt mơi trường sống đa dạng mà khác biệt dinh dưỡng tài nguyên thứ hạn chế chế độ ăn uống vị trí nào; điều ám áp lực chọn lọc liên quan đến chế độ ăn uống biến đổi theo không gian địa lý quần thể lan khu vực khác giới thích nghi để sử dụng thành phần thực phẩm sẵn có mơi trường Ngoài ra, bàn luận phần trước, chế độ ăn uống tông người thay đổi lớn theo thời gian, bao gồm khứ (tức 10.000 năm trở lại đây), dẫn đến áp lực chọn lọc thời điểm khác thời gian tiến hóa Những phản ứng thích nghi với áp lực chọn lọc bao gồm alen tạo đột biến du nhập từ quần thể gần hay dùng alen sẵn có mà khơng trội (hoặc trung tính có hại) trước chuyển đổi mơi trường Tình nói sau đáp ứng phản ứng thích nghi nhanh hơn, phổ biến lồi, loài người, mà trải qua biến đổi lớn chế ăn uống môi trường Dấu vết chọn lọc tự nhiên Đa số phương pháp di truyền quần thể để phát biến dị có lợi dựa đặc tính chọn lọc tự nhiên tích cực nhằm làm tăng tần số alen có lợi tốc độ mà nhanh tần số alen tiến hóa trung tính Như cho Hình 2, alen có lợi đưa vào quần thể qua q trình đột biến, liên quan đến sở kiểu di truyền đơn bội gien (haplotype) cụ thể Vì alen nhanh chóng đạt đến tần số trung bình tần số cao, vài biến cố tái tổ hợp diễn ra, kết alen trung tính mà liên kết chặt chẽ với vị trí chọn lọc có xu hướng gia tăng tần số với alen có lợi Q trình sinh kiểu gien đơn bội giống hệt mở kéo dài cục (local pattern of extended identical haplotypes) [được gọi đồng hợp tử kiểu gien đơn bội mở kéo dài (extended haplotype homozygosity/EHH)] Quá trình thường gọi càn quét chọn lọc (selective sweep) phần khơng hồn tồn, nhiều thí nghiệm thống kê phát triển để tìm kiểu mơ hình kết Nếu q trình chọn lọc có định hướng đặn thời gian đủ dài, alen có lợi thành cố định Trong trường hợp này, mà gọi càn quét chọn lọc hoàn toàn, biến dị gần vị trí chọn lọc thành cố định đột biến mà phát sinh càn quét xuất tần số thấp Do đó, mơ hình kỳ vọng gần alen có lợi cố định bao gồm giảm mức độ đa hình dồi tương đối biến thể gặp phổ tần alen (spectrum of allele frequencies) Thiên lệch hướng biến thể gặp đánh giá biện pháp thống kê phổ tần số; biện pháp dùng nhiều thống kê Tajima’s D (TD), kiểu khác phổ biến Ngược lại, dư thừa biến thể tần số trung bình, lường trước số mơ hình cân chọn lọc, tạo giá trị TD dương Nhiều thí nghiệm thống kê phát triển để nắm bắt tác động chọn lọc tự nhiên tích cực mơ hình này, chúng tơi giới thiệu độc giả đến số đánh giá gần để biết thêm chi tiết Hình partial sweep=càn quét phần; complete sweep=càn quét hoàn toàn Tác động càn quét chọn lọc mơ hình biến dị trung tính có liên quan chặt chẽ đến đột biến có lợi (A) Đột biến trung tính đột biến có lợi cho vịng trịn màu xanh màu đỏ Những vạch màu xám kết biến cố tái tổ hợp bao gồm nhiễm sắc thể khơng mang đột biến có lợi (B) Đồng hợp tử kiểu gien đột biến kéo dài (extended haplotype homozygosity) quanh đột biến trì hoạt động lactase (LP) châu Âu (ở hình) Trạng thái nguyên thủy phái sinh biến thể LP thể đường dọc màu xanh màu đỏ Khoảng cách (tính Mb) nối kiểu gien đơn bội hiển thị hình Một khối màu liên tục đại biểu kiểu gien đơn bội mà có chung nhiều nhiễm sắc thể Khi chọn lọc xảy biến thể mà có lợi tập hợp phụ quần thể, tần số biến thể khác biệt quần thể mức độ lớn mức độ dự đoán biến động ngẫu nhiên (random drift) Một số phương pháp tạo để khám phá thích nghi với mơi trường địa phương Trong lịch sử phương pháp dùng nhiều FST thống kê biến thể nó, mà tổng kết chênh lệch tần số alen cặp quần thể nhiều quần thể Biến thể có giá trị FST lớn bất thường điển hình lý giải mục tiêu áp lực chọn lọc mà bị giới hạn môi trường chuyên biệt cụ thể, lường quần thể mà chuyên ăn thành phần ăn uống định Một chiến lược khác bao gồm thành lập nhiều tương phản độc lập quần thể liên quan gần mà có nhiều chế độ ăn uống; phương pháp này, áp dụng vào gien mã hóa cho amylase nước bọt, 10 Biến đổi tính sẵn có thức ăn với thành phần chế độ ăn uống tiến hóa tơng người dễ tạo áp lực chọn lọc mạnh mẽ nhiều trình sinh học Xác định lô-cut di truyền mà mục tiêu áp lực chọn lọc liên quan đến chế độ ăn uống đem đến hiểu biết lịch sử tiến hóa lồi đường sinh học mà điều đình ảnh hưởng yếu tố nguy từ chế độ ăn uống gây bệnh phổ biến tiểu đường, huyết áp cao ung thư Viễn cảnh lý thú kích thích thu hút ý nhiều nhà nghiên cứu mà dùng phương pháp dựa ngun lý tiến hóa để tìm hiểu tác động chọn lọc locus cụ thể Để vượt qua số hạn chế bàn luận đây, số nghiên cứu tiến hóa tập trung vào gien biến thể với tầm quan trọng chức xác định; cách kết hợp nguồn chứng khác (như chứng chức tiến hóa), chiến lược cố gắng đưa kết dễ lý giải để tăng độ tin tưởng phát dấu hiệu thích nghi đích thực Dưới đây, tập trung vào nghiên cứu thuộc nhiều phạm vi sau: (a) nghiên cứu gien ứng viên mà theo hình thành tiên thuyết vững chức sinh học chúng; (b) nghiên cứu biến thể di truyền mà mục tiêu ứng viên có khả cao chọn lọc tự nhiên ảnh hưởng chúng với kiểu hình liên quan; (c) nghiên cứu báo cáo dấu hiệu chọn lọc mạnh mẽ Trong phần chúng tơi kiểm nghiệm chứng thích nghi di truyền đáp ứng với biến đổi chế độ ăn uống áp dụng chuyên biệt hóa chế độ ăn uống Với q trình sinh học, bàn luận trước tiên nghiên cứu đơn gien, sau đánh giá kết đạt quét chọn lọc tồn hệ gien Q trình chuyển hóa Chuyển hóa trình xây dựng cấu trúc phân tử từ dưỡng chất phân giải chúng để tạo lượng Mặc dù có nhiều đường chuyển hóa đóng vai trò quan trọng chế độ ăn uống, đường phản ứng cụ thể trở nên quan trọng quần thể chuyên tiêu thụ thành phần cụ thể chế độ ăn uống Vì nguyên nhân này, nỗ lực ban đầu để xác định thích nghi di truyền với chuyên biệt hóa ăn uống tập trung vào enzyme mà có vai trị chức chun biệt cao mơ tả rõ ràng q trình chuyển hóa chất dinh dưỡng Đến nay, kiểu biến dị di truyền gien mã hóa cho enzyme lactase (LCT) amylase (AMY1) đưa hai số ví dụ dễ hiểu thích nghi di truyền với chuyên biệt hóa ăn uống chuyển hóa người 15 Mọi động vật có vú khơng phải người khả tiêu hóa lactose, tức loại carbohydrate có sữa, cách nhanh chóng sau cai sữa Đây kết nồng độ enzyme lactase-phlorizin hydrolase giảm, mà biểu ruột Ở lồi người, số cá nhân tiêu hóa lactose trưởng thành Đến đầu năm 1970, người ta xác định kiểu hình trì hoạt động lactase (lactase persistence/LP) có di truyền di truyền với tư cách đặc tính trội LP loại kiểu hình phổ biến có quần thể người có lịch sử chăn nuôi gia súc sản xuất sữa lâu đời Trước phát chứng chọn lọc tự nhiên locus lactase, số nhà nghiên cứu đề xuất gien LCT (enzyme lactase) mục tiêu chọn lọc quần thể người châu Âu hàm lượng sữa chế phẩm từ sữa cao chế độ ăn uống người trưởng thành Bằng chứng chọn lọc tích cực gien LCT giá trị FST cao người Mỹ gốc Âu người Mỹ gốc Phi với người Đông Nam Á, dựa vào EHH lớn kiểu gien đơn bội mang biến thể LP Tuy nhiên, biến thể lý giải cho LP quần thể dân số châu Âu, xuất với tần số thấp quần thể dân số châu Phi mà kiểu hình LP phổ biến Trong thực tế, nghiên cứu sau nhận diện biến thể bổ sung mà có liên quan đến LP quần thể dân số châu Phi mà chăn nuôi gia súc Tishkoff cộng đưa chứng vững biến thể châu Phi trải qua chọn lọc tích cực gần đây, theo điểm số EHH lớn Mới hơn, hai biến thể bổ sung khu vực điều hòa gien LCT xác định quần thể dân số Trung Đông từ Ả Rập Saudi Những nghiên cứu in vitro (trong ống nghiệm) chứng tỏ biến thể ảnh hưởng đến điều chỉnh phiên mã gien LCT chúng có liên quan đến dấu hiệu rõ ràng chọn lọc tự nhiên EHH Những kết ám kiểu hình LP đặc trưng tính hỗn tạp di truyền (genetic heterogeneity) đại biểu cho ví dụ thú vị tiến hóa hội tụ (convergent evolution) quần thể người Tuy nhiên cần ý biến thể LP mà xác định khơng chiếm tồn biến dị kiểu hình quan sát được; có khả nhận diện biến thể bổ sung tương lai Khi cố gắng làm sáng tỏ lịch sử áp lực chọn lọc kiểu hình LP, tác giả khác ước tính kỷ nguyên tổ tiên chung gần đột biến LP Mọi ước tính đến niên kỷ tương đối gần: 8.000–9.000 năm trước với đột biến châu Âu, 2.700–6.000 năm trước với đột biến châu Phi 4.000 năm trước với đột biến Trung Đơng Nhìn bề ngồi niên kỷ phù hợp với khung thời gian hóa vật ni Tuy nhiên, niên kỷ đích thực alen cịn trước (xem phần Những vấn đề mở phương hướng tương lai) 16 Phù hợp với nghiên cứu trích dẫn đây, dấu hiệu đợt càn quét chọn lọc quần thể dân số châu Âu xác định locus LCT nghiên cứu quét chọn lọc toàn hệ gien mà thực nay; hầu hết nghiên cứu gien LCT mang dấu hiệu rõ toàn hệ gien, với tính đồng kiểu gien đơn bội kéo dài đến Mb (Hình 2B) Kiểu mơ hình áp lực chọn lọc liên quan đến tiêu thụ sữa người trưởng thành lớn Q trình tiêu hóa miệng Enzyme amylase, có tuyến nước bọt tuyến tụy, chịu trách nhiệm thủy phân tinh bột Amylase nước bọt, sau khởi động q trình tiêu hóa miệng, cịn dày ruột sau thức ăn nuốt xuống, làm tăng thêm hoạt tính enzyme amylase từ tuyến tụy ruột non Gien amylase nước bọt AMY1 có nhiều hệ gien tham chiếu người (human reference genome) Số gien biến thiên lớn cá thể quần thể, liên kết với lượng sản phẩm protein nước bọt Căn giả thuyết biến đổi lượng tinh bột chế độ ăn uống gây áp lực chọn lọc lượng amylase có nước bọt, Perry đồng so sánh số AMY1 quần thể có chế độ ăn uống nhiều tinh bột với tinh bột Những cá thể từ quần thể ăn uống nhiều tinh bột phát mang nhiều gien amylase so với cá thể từ quần thể ăn tinh bột (Hình 3A) Như thảo luận trên, thích nghi với chế độ ăn uống nhiều tinh bột giữ vai trị quan trọng q trình di trú tông người sơ khai từ rừng mưa nhiệt đới mơi trường có nhiều đến thảo nguyên, nơi mà nguồn thức ăn nhiều carbohydrate củ rễ củ thân trở thành thành phần quan trọng chế độ ăn uống, làm thay đổi áp lực tiến hóa số gien amylase nước bọt Tuy nhiên, chuyên biệt hóa chế độ ăn uống giàu tinh bột, quần thể nơng nghiệp, giải thích dấu hiệu chọn lọc từ nhiên locus gien AMY1 Bên cạnh gien LCT AMY1, enzyme khác quan trọng thích nghi ăn uống Chẳng hạn như, gien NAT2 mục tiêu áp lực chọn lọc liên quan đến q độ nơng nghiệp Gien mã hóa enzyme chuyển hóa thuốc N-acetyltransferase 2, mà tham gia vào việc kích hoạt/bất hoạt hợp chất có độc mà thường có thức ăn địa sinh nấu nướng kiểu chế biến khác Một số đa hình khơng đồng nghĩa liên quan đến hoạt tính acetyl hóa bị biến đổi xuất tần số thấp đến vừa loài người với phân bố địa lý rộng rõ rệt Thông qua so sánh quần thể với lối sinh sống khác nhau, Luca cộng phát alen acetyl hóa nhanh có nhiều quần thể săn bắt-hái lượm so với quần thể 17 nông nghiệp chăn nuôi Kết luận hiểu kết tính sẵn có folate chế độ ăn uống giảm q độ sang chế độ ăn uống nơng nghiệp Vì alen acety hóa chậm có phân bố địa lý rộng, nên chúng dễ có trước q trình biệt hóa quần thể người xâm lấn nông nghiệp; đó, alen acetyl hóa chậm NAT2 đại biểu cho trường hợp chọn lọc biến dị sẵn có Gien NAT2 gien enzyme chuyển hóa thuốc với tư cách nhóm chưa liên quan đến dấu hiệu chọn lọc rõ ràng nghiên cứu quét toàn hệ gien Với khả hạn chế việc phát chọn lọc biến dị sẵn có, việc thiếu dấu hiệu nghiên cứu tồn hệ gien khơng hẳn có bất ngờ Những gien khác tham gia vào trình chuyển hóa chứng minh có dấu hiệu chọn lọc nghiên cứu toàn hệ gien Những nghiên cứu áp dụng phương thức mà khác biệt phương diện khoảng thời gian mà họ nghiên cứu điều tra Tương tự nghiên cứu amylase, Hancock đồng nghiệp so sánh tần số alen quần thể mà có sinh kế khác dùng thành phần ăn uống khác kiểm thử tương quan quần thể người lịch sử quần thể Những tác giả phân tích tập liệu toàn hệ gien gần 650.000 đa hình đơn nucleotide (SNPs) mẫu quần thể người toàn giới phân loại quần thể tùy theo quần thể dùng ngũ cốc, củ rễ củ thân, hay chất béo/mỡ, thịt sữa thành phần chế độ ăn uống họ Đã quan sát chứng đáng kể thích nghi với chế độ ăn uống nhiều củ rễ củ thân (Hình 3B) cụ thể gien tham gia vào q trình chuyển hóa tinh bột/sucrose folate Những kết luận phù hợp với hàm lượng carbohydrate cao folate thấp củ rễ củ thân Củ rễ củ thân thành phần quan trọng chế độ ăn uống nhiều quần thể người đương đại, bao gồm quần thể sống môi trường khắc nghiệt mà không thuận lợi cho loại trồng khác Cũng quan sát số dấu hiệu cá thể thú vị với thành phần chế độ ăn uống khác Ví dụ như, ba kết thúc (stop codon) gien protein liên quan đến thủy phân chất béo tuyến tụy (pancreatic lipase–related protein 2/PLRP2) phát xuất tần số cao quần thể mà chuyên ăn ngũ cốc Gien mã hóa cho enzyme mà thủy phân galactolipid, thành phần triglyceride thực vật Thú vị là, PLRP2 có tuyến tụy lồi ăn cỏ khơng phải lồi gặm nhấm động vật ăn tạp, lại khơng có tuyến tụy động vật ăn thịt hay động vật gặm nhấm Nghiên cứu quét chọn lọc bổ sung dựa liệu biến dị quy mô hệ gien quần thể người đến tập hợp gien chuyển hóa khác Voight 18 cộng xác định thêm dấu hiệu EHH gien tham gia vào q trình chuyển hóa carbohydrate, lipid, phốt với vận chuyển vitamin Tương tự, dùng thông tin biệt hóa quần thể (FST), Barreiro cộng phát thêm biến thể biệt hóa cao gien tham gia vào đường chuyển hóa chuyển hóa ethanol kẽm ruột Với nghiên cứu toàn hệ gien khác, khơng có chứng chức liên quan đến dấu hiệu tiến hóa Những phân tích tương lai định xem liệu dấu hiệu có trùng hợp với biến thể mà có tác động xác định tới chức độ thích hợp hay khơng Những nghiên cứu cơng trình phân tích Hancock cộng có khả thích đáng để khám phá thích nghi tương đối mới; đó, việc đa số dấu hiệu xác định nghiên cứu trùng hợp với q trình chuyển dịch sang nơng nghiệp chăn nuôi hợp lý Ngược lại, so sánh đối chiếu phân tử người tinh tinh điều tra giai đoạn thời gian xa có tác dụng tiềm xác định biến cố chọn lọc cổ hơn, biến cố liên quan đến gia tăng tiêu thụ thịt dùng hợp chất thực vật gặp môi trường hoang mạc thảo nguyên Một kiểu hình phân tử mà chịu chọn lọc tự nhiên điều hịa biểu gien (gene expression), theo làm tăng xác suất biến thể vùng gien khởi động yếu tố điều hòa khác (như vùng tăng cường/enhancers) trở thành mục tiêu chọn lọc Phù hợp với dự đoán này, Haygood cộng so sánh tỉ lệ thay nucleotide vùng khởi động promoter với nucleotide vùng intron (đại biểu cho trung tính) người với tinh tinh phát vùng gien điều hịa cis mà liên quan đến q trình chuyển hóa dinh dưỡng tiến hóa tốc độ nhanh so với intron Những kết quán với tình trạng cố định liên tục alen khởi động có lợi đơi kể từ phân tách người tinh tinh Blekhman đồng tiến hành so sánh toàn hệ gien loài cấp độ phiên mã trạng thái xác lập(steady-state mRNA transcript levels) để xác định mục tiêu chọn lọc Họ phân tích đặc điểm biểu mẫu mô gan, thận tim từ người, tinh tinh khỉ vàng (rhesus macaque) nhằm tìm gien ứng viên chọn lọc định hướng gien thể mức độ biểu tăng giảm nhiều có giống người so với hai loài linh trưởng Tập hợp gien ứng viên hàng đầu nghiên cứu có thêm gien tham gia q trình chuyển hóa carbohydrate, lipid canxi Những gien tham gia vào chuyển hóa riboflavin, glycerolipids axit béo cho thấy thêm dấu hiệu chọn lọc định hướng Mặc dù đặc điểm loạt biến đổi ăn uống, chúng phù hợp với giả thuyết đưa Finch & Stanford biến chuyển thời cổ đại thành chế độ ăn uống bao gồm nhiều thịt 19 kèm với thích nghi di truyền chống lại tác hại chất béo, độc tố mầm bệnh Nhận thức cảm giác Ăn uống trải nghiệm nhiều giác quan: trước nếm thức ăn nhìn, chạm ngửi Xử lý thức ăn miệng dẫn đến việc giải phóng phân tử bổ sung mà kích thích vị giác khứu giác, dẫn đến tạo âm mà kích thích thính giác Năm giác quan phát triển đến mức độ khác lồi phản ánh thói quen nhu cầu ăn uống đến phức hợp tương tác tồn thể với mơi trường xung quanh Kết là, nhiều nghiên cứu tìm hiểu tiến hóa khứu giác, thị giác vị giác người linh trưởng người, với quan hệ mật thiết quan trọng để hiểu thích nghi với biến đổi ăn uống Nhận thức vị diễn phân tử hóa học từ thức ăn kích thích tế bào thụ thể vị giác Lồi người hầu hết động vật có vú nhận thức phân biệt năm vị khác nhau: ngọt, chua, đắng, mặn vị umami Việc nhận thức thể thức vị khác điều đình thụ thể khác Trọng tâm đặc biệt phân tích tiến hóa nằm vị đắng vai trò vị việc ngăn ngừa ăn phải thức ăn có độc Các thụ thể vị đắng thụ thể cặp đôi protein G mã hóa họ gien TAS2R Nhận thức vị đắng đặc tính hay thay đổi lồi người, di truyền lần đầu tìm vào năm 1930 thơng qua nghiên cứu phản ứng cá nhân với phenylthiocarbamide (PTC) Mặc dù PTC hợp chất nhân tạo, khả nếm vị có liên quan nhiều đến khả nếm hợp chất có vị đắng tự nhiên thức ăn Gien thụ thể vị đắng xác định TAS2R38 Căn nghiên cứu tái giải trình tự gien này, Wooding cộng định danh hai kiểu gien đơn bội (taster/người có vị giác nhạy nontaster/người khơng có vị giác) diện tần số trung bình châu lục, dẫn đến lệch hướng khỏi độ trung tính phổ tần số alen Ngoài ra, tần số kiểu gien đơn bội giống rõ ràng quần thể Nhóm tác giả kết luận việc cân chọn lọc trì hai kiểu gien đơn bội TAS2R38 tần số giống quần thể khác chủng tộc Họ tiếp tục suy luận dị hợp tử người có vị giác nhạy khơng có vị giác có lợi chọn lọc so với hai đồng hợp tử khả xác định nhiều độc tố; nhiên, chưa có liệu chức hay kiểu hình chứng minh cho giả thuyết Biến dị độ mẫn vị đắng xuất loài tinh tinh Tuy nhiên, biến thể di truyền mà phát gien trực giao (ortholog) TAS2R38 tinh tinh khác với biến thể 20 xác định lồi người; đó, kiểu hình người khơng có vị giác nontaster tiến hóa độc lập thành hai loài Bằng chứng cho chọn lọc tự nhiên ghi nhận gien thụ thể vị đắng khác: TAS2R16 Ba biến đổi nucleotide không đồng nghĩa đề xuất mục tiêu chọn lọc giả định tần số cao alen phái sinh (tức alen mà xuất lần giống người khác với alen có tinh tinh) Alen phái sinh vị trí này, nằm vùng liên quan đến tương tác thụ thể-phối tử (receptor-ligand), mang lại độ mẫn cao với khoảng glycoside khác cấu trúc, số có tác dụng có lợi số khác có tác dụng sinh độc Ước tính niên kỷ alen đa hình (từ 77.700 đến 791.000 năm trước) phân bố địa lý toàn giới nguồn gốc có trước xuất nơng nghiệp di trú loài người đại khỏi châu Phi; đó, nhóm tác giả suy đột biến gia tăng khả bảo vệ thể khỏi độc tố cyanogenic thực phẩm thực vật quần thể săn bắt-hái lượm tổ tiên Các nghiên cứu khác có mục tiêu lớn mơ tả đặc điểm quỹ đạo tiến hóa toàn thể họ gien thụ thể vị đắng Những nghiên cứu kết luận việc giảm áp lực chọn lọc chế tiến hóa có tác dụng với họ gien linh trưởng quần thể người Tuy nhiên, so sánh bảy loài linh trưởng (bao gồm loài người), Fischer cộng phát tỉ lệ trung bình tỉ lệ thay đồng nghĩa không đồng nghĩa cho 25 gien thụ thể vị đắng biến đổi miền protein Cụ thể là, miền ngoại bào (chủ yếu tham gia vào liên kết phối tử) cho thấy thay không đồng nghĩa cố định nhiều thay đồng nghĩa Theo kết nhóm tác giả suy chọn lọc tích cực thúc đẩy đột biến không đồng nghĩa khác đến tình trạng cố định lồi khác Dù biết trước thế, việc đưa thành phần vào chế độ ăn uống gây áp lực chọn lọc việc đa dạng hóa tính đặc hiệu phối tử thụ thể vị đắng, thay không đồng nghĩa miền liên kết phối tử thay đổi tính đặc hiệu phối tử thụ thể Các gien thụ thể khứu giác (olfactory receptor/OR) cấu thành họ gien lớn động vật có vú Ở loài người, gien chức (functional genes) gien giả (pseudogene) rải rác cụm nằm hầu hết nhiễm sắc thể Loài người, so với lồi khỉ khơng khác, trải qua áp lực tiến hóa giảm gien OR nhiều gien giả OR tích lũy lồi người so với lồi khỉ khơng khác Tuy nhiên, tập trung vào kiểu biến dị quần thể người, số gien OR cho thấy chứng càn quét chọn lọc hoàn toàn thiên lệch biến thể mức độ đa hình thấp 21 Bằng chứng thích nghi gien OR đưa với nghiên cứu qt tồn hệ gien để tìm dấu hiệu chọn lọc dấu hiệu càn quét chọn lọc hoàn toàn quần thể người, tỉ lệ thay không đồng nghĩa với đồng nghĩa loài người so với tinh tinh EHH gien tham gia vào trình ngửi Do phương pháp dùng nghiên cứu tìm hiểu điều tra theo chiều sâu thời gian khác nhau, kết gien OR trải qua nhiều biến cố thích nghi, phản ánh nhiều biến đổi chế độ ăn uống mà xuất suốt q trình tiến hóa tơng người Bên cạnh gien thụ thể khứu giác vị giác, phạm vi gien lớn tham gia vào nhận thức chemosensory ghi nhận làm rõ thêm dấu hiệu chọn lọc phương thức EHH, tỉ lệ thay không đồng nghĩa với đồng nghĩa so sánh loài người tinh tinh với biệt hóa quần thể (FST) Kiểm sốt vị Khẩu vị bao gồm nhiều khía cạnh kiểu ăn uống tần số quy mô đợt ăn uống, lựa chọn thức ăn nhiều hay chất béo, hàm lượng lượng độ đa dạng thức ăn Việc điều tiết vị q trình sinh học có liên quan chặt chẽ với tính sẵn có thực phẩm mơi trường với lối sống Do đó, gien tham gia vào việc kiểm soát vị ứng viên tiềm cho mục tiêu áp lực chọn lọc loài người đối diện với thách thức ăn uống khác Hành vi ăn uống bị kiểm soát tín hiệu nội tiết tín hiệu thần kinh tâm lý Các gien mã hóa hormone chịu trách nhiệm cho trữ lượng thời gian dài hormone no-đói nghiên cứu bối cảnh hiểu biết sở di truyền bệnh chuyển hóa T2D Vì thiếu lượng dễ tổn hại đến việc sinh tồn, nên khơng có ngạc nhiên dấu hiệu chọn lọc rõ quan sát qua đường mà gia tăng ăn uống vào người với giảm tiêu hao lượng lượng dự trữ tiêu hết Nghiên cứu qt tồn hệ gien tìm dấu hiệu chọn lọc có tình trạng đồng hợp tử kiểu gien đơn bội kéo dài (extended haplotype homozygosity) quanh gien thụ thể leptin (LEPR) Ngoài ra, mối tương quan mạnh tần số alen biến khí hậu quan sát với gien mà tuân theo mơ hình tương tự với biến thể gien ứng viên hội chứng chuyển hóa Một gien TCF7L2, mà xác định gien có tín hiệu khỏe nghiên cứu tương quan toàn hệ gien với T2D Hai SNPs gien chứng chọn lọc biến đổi theo không gian Cụ thể là, 22 tần số alen phái sinh SNP mà bảo vệ thể khỏi bị T2D cao quần thể không châu Phi so với quần thể châu Phi có tương quan mạnh với biến khí hậu Alen bảo vệ SNP cho thấy ấn ký chọn lọc tích cực EHH châu Phi, châu Á châu Âu Ước tính sơ niên kỷ kiểu gien đơn bội đánh dấu alen bảo vệ đến niên kỷ tương đối thấp (tức 11.933, 8.401, 4.051 năm với quần thể châu Âu, Đông Á Yoruba), gần trùng với nông nghiệp xuất quần thể Hơn nữa, phát mối liên quan lớn cá thể giống đực nồng độ huyết tương nhịn (fasting plasma concentrations) hormone ghrelin leptin với số kiểu gien đơn bội đánh dấu alen bảo vệ Hai hormone tham gia vào trình điều tiết vị thần kinh nội tiết ngắn hạn điều tiết chuyển hóa lượng trữ chất béo dài Giả thiết alen bảo vệ đem lại lợi chọn lọc tương biến chuyển chế độ ăn uống thay đổi độ sẵn có thức ăn liên quan đến chuyển dịch nông nghiệp Căn chứng sẵn có nay, khơng thể xác định liệu dấu hiệu quan sát LEPR TCF7L2 kết thích nghi với khí hậu lạnh với biến đổi chế độ ăn uống lối sống Tuy nhiên, gien đại diện cho ứng viên thú vị để biết việc điều tiết thần kinh nội tiết vị ngắn hạn điều tiết trữ chất béo chuyển hóa lượng tiến hóa q trình chọn lọc tự nhiên tích cực tiến hóa lồi người Phát triển hình thái hệ tiêu hóa Mặc dù hình thái hệ tiêu hóa có khả thích nghi với biến đổi ăn uống, số dấu hiệu mơ hồ chọn lọc tự nhiên tích cực nghiên cứu phạm vi gien Độ dày men đặc tính kiểu hình quan tâm đặc biệt, phản ánh thích nghi với đặc tính chống chịu nứt rạn hay thay đổi thức ăn Các peptides enamelin men cho tham gia trình hình thành kéo dài men trình phát triển Các đột biến gien mã hóa enamelin (ENAM) quan sát bệnh nhân mắc hội chứng sinh men bất toàn (amelogenesis imperfect), tức loại dị tật di truyền hình thành men Hơn nữa, độ dày men kiểu hình thể đa hình quần thể người, với người Mỹ gốc phi có men dầy người Mỹ gốc Âu Gien ENAM xác định mục tiêu chọn lọc tích cực gần lồi người nghiên cứu quét chọn lọc toàn hệ gien Trong nghiên cứu tiếp nối Kelley & Swanson tái giải trình tự gien ENAM 10 quần thể người 12 lồi linh trưởng có chế độ ăn uống khác Các mơ hình biến dị di truyền biểu thị thiếu mức độ đa dạng lệch phía biến thể mẫu quần thể 23 dân số không châu Phi phù hợp với càn quét chọn lọc hoàn toàn quần thể Quan sát chín SNPs khơng đồng nghĩa; SNPs ứng cử viên đặc biệt thích hợp làm mục tiêu chọn lọc alen phái sinh gần cố định người người châu Phi, xuất vị trí trì lồi động vật có vú, dẫn đến thay đổi từ đơn phân phân cực (polar residue) đến khơng phân cực (nonpolar residue) Kể có manh mối chưa xác định tác dụng kiểu hình đa hình khơng đồng nghĩa Tương tự, lợi chọn lọc độ dày men quần thể không châu Phi chưa rõ ràng Ở mức độ lồi với nhau, so sánh trình tự gien ENAM loài linh trưởng phát tỉ lệ thay không đồng nghĩa trội nhiều so với thay đồng nghĩa loài linh trưởng mà trải qua biến đổi chế độ ăn uống (như thay đổi chế độ ăn lá, ăn ăn tạp) Phát tình trạng xóa bỏ xê dịch khung cố định (fixed frameshift deletion) cụ thể loài người gien MYH16, gien mã hóa chuỗi nặng myosin chủ đạo (myosin heavy chain) mà biểu hệ nhai nghiền lồi linh trưởng khơng phải người Việc xóa bỏ có khả liên quan đến giảm khối xương (gracilization) quan nhai nghiền loài người, thấy giống Homo CÁC VẤN ĐỀ MỞ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG TƯƠNG LAI Như bàn luận trên, có sở liệu phong phú nghiên cứu thú vị mà phản ánh thích nghi với biến đổi chế độ ăn uống tiến hóa tơng người cho phép thành lập giả thuyết để kiểm nghiệm nghiên cứu tiếp nối Tuy nhiên, chứng di truyền phân tử cho thích nghi thường xuất mà không hiểu tồn hệ kiểu hình chức biến thể di truyền hay thay đổi liên quan Thay vài enzyme tiêu hóa (như lactase, amylase), mà có chức chuyên biệt, đa số gien tham gia vào hoạt động xử lý tiêu hóa thức ăn có vơ số chức biểu nhiều mơ Do thường khó mà bác bỏ xác suất dấu hiệu chọn lọc từ thích nghi khơng liên quan đến chế độ ăn uống Hơn nữa, tính phức tạp chế phân tử tham gia vào điều hòa biểu gien, cần có nghiên cứu chức chuyên sâu để làm sáng tỏ ý nghĩa tiến hóa chức thay đổi điều hòa gien mà ảnh hưởng đến hệ tiêu hóa Bất chấp thách thức đó, cơng trình này, đặc biệt các phương pháp sinh học quan, có tiềm lớn việc gia tăng đáng kể hiểu biết tiến hóa chế độ ăn uống tông người 24 Một phức tạp khác việc diễn giải kết thu biến đổi chế độ ăn uống thường xuất bối cảnh chuyển dịch quy mô lớn hệ sinh thái người Kết là, thay đổi chế độ ăn uống tiến hóa tơng người tương quan với khía cạnh khác mơi trường mà khơng liên quan đến chế độ ăn uống khí hậu, tải lượng mầm bệnh, thể thức sinh sống Do khó mà phân tích tỉ mỉ tác động cụ thể biến đổi ăn uống tư cách áp lực chọn lọc Ví dụ, cá nhân trì hoạt động lactase tận dụng đặc tính dinh dưỡng sữa, tiêu thụ sữa có tính chất bảo vệ chống lại bệnh nước nhiễm khuẩn ruột ký sinh trùng có nước Lợi đặc biệt quan trọng khu vực địa lý nóng, nơi người không dung nạp lactose dùng sữa để bù nước bị Người ta đề xuất rằng, bên cạnh lợi dinh dưỡng, LP đem đến lợi phạm vi rộng hơn, nơi mà giảm ánh nắng mặt trời vitamin D có liên quan đến tỉ lệ hành gia tăng bệnh cịi xương lỗng xương Lactose thúc đẩy hấp thu canxi có sữa, canxi cho giảm phân giải vitamin D gan, đó, bù cho tình hấp thu vitamin D giảm ánh nắng Khí hậu ảnh hướng đến lối sống người với hệ không chế độ ăn uống, mà mặt khác sinh lý người, cân lượng Ví dụ, leptin tham gia vào q trình kiểm sốt vị cần lượng; đó, dấu hiệu chọn lọc xác định LEPR chọn lọc trình sinh học tương tác hai trình Một phương thức thường dùng để kết nối dấu hiệu chọn lọc với biến đổi lịch sử cụ thể chế độ ăn uống để ước tính niên kỷ alen chọn lọc Tuy nhiên, hầu hết phương pháp tính niên đại ước tính niên kỷ tổ tiên chung gần kiểu gien đơn bội mang alen mà nghiên cứu; ước tính thể tiêu biểu cho giới hạn niên kỷ đích thực alen chọn lọc Hơn nữa, phân tích tái tạo gần chứng tỏ số ước tính thiên lệch đáng kể xi theo dịng thời gian, dẫn đến đánh giá chưa niên kỷ tổ tiên chung gần chí cịn đánh giá không nhiều niên kỷ alen Cuối nên ý niên kỷ alen khơng liên quan nhiều với xâm lấn áp lực chọn lọc, mà thông tin hữu quan để liên kết dấu hiệu chọn lọc với biến đổi chế độ ăn uống cụ thể Do đó, tái dựng trình tự biến cố liên quan đến dấu hiệu chọn lọc có tiềm cung cấp nhận thức trọng yếu lịch sử thích nghi di truyền với biến đổi chế độ ăn uống, cần có phương pháp cải tiến để xác định niên đại alen nhằm đưa suy luận vững 25 Những hiểu biết mà đạt qua nghiên cứu biến dị di truyền cấp độ quần thể tập trung vào giai đoạn gần đây, giai đoạn mà đem đến nhiều khả để nhận định dấu hiệu tiềm chọn lọc tự nhiên Dấu hiệu áp lực chọn lọc điển hình liên quan đến biến thể mà tách riêng loài người đại; đó, thu thêm thơng tin vai trị chúng thích nghi ăn uống thơng qua nghiên cứu tương quan kiểu hình-kiểu gien Quan trọng là, tìm hiểu thích nghi chế độ ăn uống theo thang thời gian gần hỗ trợ dẫn liệu khảo cổ tương đối phong phú từ giai đoạn thời gian này, mà cung cấp thơng tin hữu dụng sinh thái học hành vi văn hóa quần thể người 30.000 năm qua Ngược lại, giai đoạn tiến hóa tơng người xa có liên quan với suy luận biến chuyển chế độ ăn uống thích nghi, chủ yếu hạn chế thơng tin mà lượm lặt từ dẫn liệu hóa thạch Những phân tích di truyền học phân tử mà cung cấp hiểu biết nhiều khơng phải lồi người Ví dụ, Hoberg cộng trình bày cơng trình phân tích phát sinh chủng lồi thú vị sán dây Taenia mà cho biết hoạt động ăn thịt tiến hóa tơng người Có ba lồi sán dây Taenia : T saginata, T asiatica, T solium ký sinh loài người Lợn gia súc vật chủ trung gian loại sán dây ngày nay; loài người mà tiêu thụ mơ thịt chưa chín động vật nhiễm mang sán dây vào người Hoberg cộng dùng biến hình thái học để ước tính phát sinh lồi 35 loài Taenia bao gồm ba loài người: T saginata T asiatica loài chị em liên quan gần tới loài sán dây sư tử (Panthera leo), T solium liên quan gần đến loài sán dây nhiễm vào ngựa vằn, hai biến chuyển độc lập tơng người Căn phân tích trình tự ADN ty lạp thể (mitochondrial DNA sequences), T saginata T asiatica cách xấp xỉ 900.000 năm trước, từ lâu trước hóa vật ni Giả sử là, tông người nhiễm ký sinh trùng tổ tiên hai lồi cịn tìm bới săn bắt vật chủ trung gian động vật có vú, động vật mồi lồi sư tử Do đó, xác ước tính trệch khoảng 900 nghìn năm trước phân kỳ T saginata T asiatica đem đến ước tính cận cho nguyên hành vi biến đổi chế độ ăn uống đồng thời Một lộ nghiên cứu tiềm có nhiều thành khác tập trung vào sinh thái học tiến hóa hệ vi sinh vật ruột người, hay độ đa dạng mật độ loài vi khuẩn cư trú đường tiêu hóa người Các dấu hiệu tiến hóa thích nghi khám phá hai phía mối quan hệ cộng sinh cung cấp nhận thức khơng mặt tiến hóa đáp ứng miễn dịch mà cịn tiến hóa hệ tiêu hóa, bao gồm khả (và hiệu suất khả 26 năng) tiêu hóa hợp chất thực phẩm mà có ý nghĩa quan trọng đặc biệt tiến hóa tơng người Tiếp tục phát triển mở rộng lộ nghiên cứu hướng nghiên cứu tương tự bổ sung nhận thức tiến hóa chế độ ăn uống tơng người mà biết từ dẫn liệu hóa thách khảo cổ Việc làm rõ tiến hóa chế độ ăn uống người lịch sử thích nghi di truyền với biến chuyển chế độ ăn uống thời kỳ trứng nước Cuối thì, tái dựng quán lịch sử phức tạp cần kết hợp chứng từ lĩnh vực khác với phương pháp khác Bài viết đến khai mở đường đề bạt nghiên cứu thành lập giả thuyết thú vị cần kiểm nghiệm nghiên cứu tương lai TRỌNG ĐIỂM Loài người cư ngụ môi trường đa dạng dùng nhiều chiến lược sinh sống mà có liên quan đến áp lực chọn lọc q trình chuyển hóa cân nội môi người Các phương pháp di truyền tiến hóa tìm đợt thích nghi di truyền số tình có khả hạn chế trường hợp chọn lọc diễn biến thể sẵn có thay đột biến có lợi Các gien tham gia vào q trình chuyển hóa mang dấu ấn chọn lọc nghiên cứu đơn gien toàn hệ gien Các phạm vi gien có dấu hiệu chọn lọc tiềm nhận thức chemosensory, kiểm soát vị, phạm trù liên quan đến phát triển hệ tiêu hóa Bằng chứng di truyền phân tử cho thích nghi liên quan đến chế độ ăn uống lịch sử tiến hóa tơng người thường thiếu tính hiệu chuẩn chức trọn vẹn bị thiên lệch giai đoạn thời gian gần VẤN ĐỀ TƯƠNG LAI Thông qua hiểu biết thêm chế độ ăn uống người khứ, đạt nhận thức sâu thích nghi tiềm hệ lâm sàng chế độ ăn uống thời Những phương pháp nhằm dị tìm dấu hiệu chọn lọc biến dị xác định biến thể mà trở nên có lợi sau biến chuyển ăn uống 27 Phân tích di truyền phân tử hệ vi sinh vật loài ký sinh trùng ruột phương pháp thay đầy hứa hẹn để đạt hiểu biết giai đoạn thời gian cổ xưa tiến hóa tơng người LỜI CẢM ƠN Chúng xin cảm ơn G Alkorta-Aranburu, A Cunningham, N.J Dominy, A Hancock đóng góp nhận xét thảo luận hữu ích Chúng tơi xin cảm ơn cho trợ cấp giúp đỡ từ NIH DK56670 GM79558 F.L hỗ trợ Học bổng Nghiên cứu sinh AHA (AHA Postdoctoral Fellowship - 0825792G) G.H.P hỗ trợ học bổng nghiên cứu sinh NIH (F32 GM085998) Danh mục thuật ngữ Hominins/Tơng người Lồi phụ thuộc bao gồm loài người sau phân tách khỏi tổ tiên chung người-tinh tinh ~6 Mya (triệu năm trước) Q trình theo đặc tính có lợi di truyền Natural selection/Chọn lọc tăng lên tần số theo thời gian tự nhiên đặc tính bất lợi trở nên phổ biến Mya Triệu năm trước USOs Các quan lưu trữ nằm đất EHH Đồng hợp tử kiểu gien đơn bội kéo dài (extended haplotype homozygosity) TD Tajima’s D Nonsynonymous/Khơng đồng nghĩa Nói biến đổi nucleotide vùng mã hóa gien mà thay đổi trình tự amino axit protein sau Synonymous/Đồng nghĩa Nói biến đổi nucleotide vùng mã hóa gien mà khơng thay đổi trình tự amino axit protein sau LP lactase persistence/duy trì hoạt động lactase SNPs single nucleotide polymorphisms/đa hình đơn nucleotide Derived allele/alen phái sinh Alen xuất loài người; thường đoán alen mà khác với alen diện lồi ngồi nhóm (trong đa số trường hợp tinh tinh) 28 OR olfactory receptor/thụ thể khứu giác Chú thích TUN BỐ CƠNG KHAI Nhóm tác giả chi nhánh, hội viên, tài trợ hay cơng ty tài mà bị nhìn nhận ảnh hưởng đến tính khách quan tổng quan 29