Гены и традиции питания. Часть II

Дисахариды: сахара из сладостей, ягод и грибов

Гены сахаразы-изомальтазы (SI) и трегалазы (TREH)

Анализ показал, что частоты генетически обусловленного снижения активности ферментов-дисахаридаз существенно различаются у коренного населения приполярных регионов, ориентированных в первую очередь на потребление пищи животного происхождения, и в популяциях умеренной климатической зоны, практикующих сельское хозяйство в течение нескольких тысячелетий (Табл. 2)  (Gudmand-Hoyer et al. 1996, Kozlov et al. 2005, Козлов 2005).

Табл. 2.  Частота неусваиваемости дисахаридов в арктических и европейских популяциях

Дисахарид	Неусваиваемость, %
	Коренное население Арктики	Население Европы
Сахароза	5-6,9	Менее 0,5
Трегалоза	10,5	0,25-2
Лактоза	48-100	2-37

Данные приведены по (Kozlov et al. 2005)

Подчеркнем, что в данном случае речь идет о принципиально ином явлении, нежели возрастное снижение активности лактазы. В отличие от гиполактазии, являющейся вариантом физиологической нормы, распространенную в арктических популяциях неусваиваемость сахарозы и трегалозы «с европейской точки зрения» следовало бы трактовать как генетически обусловленную патологию. Однако   «патологические» проявления дефицита ферментов сахаразы и трегалазы возникают у коренных северян только при переходе от традиционного типа питания к «европейскому».

Причина этого в том, что традиционные диеты коренных обитателей высоких широт включают очень малые количества природных сахаров, получаемых в основном при потреблении ягод и почек растений. При «арктическом типе питания» необходимые организму человека простые сахара формируются из аминокислот, поступающих с пищевыми белками (так называемые «эндогенные углеводы»).

Малая распространенность «экзогенных», пищевых сахаров привела в высокоширотных популяциях к ослаблению отбора на высокую активность соответствующих ферментов (у жителей умеренного и жаркого климата он действовал активно, поскольку они могли употреблять в пищу ягоды, фрукты, мед, сахарный тростник и другие сахаросодержащие продукты). В результате у коренного населения Субарктики и Арктики в десять раз чаще, чем у жителей более тёплых регионов, наблюдаются «сбои» в работе фермента сахаразы.

Подобное ослабление отбора могло сочетаться с процессами культурно-генетической коэволюции. Многочисленные данные свидетельствуют, что тундровые жители традиционно не едят грибов. «…[Лопарями] грибы употребляются в пищу … в редких случаях… [Они] считают пищу из них «пустой забавой», - свидетельствовал в первой трети XX века врач, изучавший питание саамов Кольского полуострова (Иванов-Дятлов 1928). Такой богатый источник белка, как грибы, практически не употребляли в пищу ненцы, традиционно объясняя это тем, что гриб – пища северного оленя, а не человека (Ацуси 1997). У  якутов существовала пословица «Подобно корове любитель грибов» (Соловьева-Ойунская 1992:21). Зафиксировано негативное отношение к употреблению в пищу грибов в мифах кетов (Анучин 1914), нивхов (Березникций 2003:132).  Если трактовать этот обычай с позиций структурной антропологии К.Леви-Стросса, можно сказать, что  общество «выстраивает барьер между природным и культурным».

Однако возможна и медико-генетическая трактовка ситуации (Kozlov et al. 2005). В грибах содержится сахар трегалоза, а дефицит расщепляющего её фермента трегалазы – одна из причин возникновения болей в животе после употребления грибов в пищу (Arola et al. 1999). Традиции отказа от грибов могли быть обусловлены сравнительно широкой распространенностью неусваиваемости трегалозы в высокоширотных популяциях. Для групп, ориентированных на добычу пищи прежде всего в ходе охоты или рыбалки, самым естественным способом избежания неприятных последствий контакта с трегалозой было объявление и без того «непрестижного» растительного продукта (грибов) вообще непригодным для человека. В результате биологическое своеобразие популяции (исходно высокая концентрация мутантного гена трегалазы) стало поддерживаться и культурными традициями (запрет на употребление грибов в пищу).  В настоящее время не представляется возможным установить, что является причиной, а что следствием в соответствии генетических и культурных особенностей северных популяций в отношении неприятия грибов. Подчеркнём, что в данном случае мы не касаемся вопроса об употреблении грибов в качестве наркотических и галлюциногенных веществ. Речь идёт о грибах как продукте питания, потребляемом с достаточной регулярностью и в сравнительно больших количествах.

До активного проникновения элементов «европейской кухни» в Арктику, распространенность генетически детерминированного дефицита сахаразы, трегалазы (и, возможно, других ферментов-дисахаридаз), не составляла проблемы для коренного населения высоких широт. Однако по мере того, как в их рацион входит все больше привозных сахаров, случаи болезненной реакции на употребление сладостей становятся чаще.

Полисахариды: увеличение числа копий  гена для усвоения крахмала

Ген амилазы (AMY1)

Крахмал, основной углевод растений, содержится в семенах, клубнях, корневищах и луковицах. Этот полисахарид расщепляется специфическим ферментом - амилазой слюны. У новорожденного ребенка амилаза вырабатывается в сравнительно небольшом количестве, но на протяжении первого года жизни её продукция постепенно возрастает (в противоположность тому, что происходит с кишечной лактазой). Можно предположить, что усиление выработки амилазы – компенсаторный физиологический механизм, позволяющий обеспечить организм растущего ребенка необходимым количеством углеводов по мере снижения доступности молочного сахара (лактозы).

Число копий гена амилазы у человека варьирует от 2 до 15 на диплоидный геном, и пропорционально числу  генов варьирует содержание амилазы в слюне.

Как показано недавно, существуют межпопуляционные различия по среднему числу копий гена амилазы. В группах, пища которых содержит много крахмала – земледельцев (евроамериканцы и японцы) и  собирателей корней и клубней хадза,  в  среднем имеется 7  генов амилазы на диплоидный геном, а у охотников-собирателей тропических лесов биака и мбути, скотоводов датога и якутов, ориентированных на скотоводство и рыболовство, употребляющих продукты с низким содержанием  крахмала, среднее число генов – 5 (Perry et al. 2007).  Исходно у приматов 2 копии гена амилазы.

У обыкновенного шимпанзе и некоторых других приматов две копии гена, и число копий гена одинаково у исследованных особей. Это соответствует  данным о том, что у человека в 6-8 раз больше количество белка амилазы в слюне, чем у шимпанзе.  У шимпанзе бонобо четыре копии генов, но, видимо, они не активны и амилаза в слюне  бонобо может  отсутствовать (Perry et al. 2007).

На основе исследования вышеупомянутых  немногочисленных, но контрастных по содеражнию крахмала в еде групп, предполагается, что увеличение числа копий произошло под действием позитивного отбора при адаптации к пище, содержащей крахмал (Perry et al. 2007).

Вегетарианцы и мясоеды

Ген аланин-глиоксилат аминотрасферазы (AGXT)

Традиционное питание разных народов значительно отличается по количеству потребляемых жиров, белков и углеводов. Для современных европейцев рекомендованная норма потребления белков животного происхождения составляет примерно 30 г/сут (при общем суточном поступлении 70-100 г белков ), тогда как гренландские эскимосы в 1970-х годах ежедневно потребляли 387 г мяса тюленей и китов (Козлов 2005). Традиционная диета морских зверобоев включала еще большие количества животного белка: согласно подсчетам Д.Фута, в начале ХХ века на каждого охотника-эскимоса ежедневно приходилось до 2 кг мяса морских млекопитающих (Foote 1970).

Усвоение столь больших количеств животных белков возможно лишь при сочетании определенных кулинарных, физиологических и генетических особенностей (Козлов, Вершубская 1999, Козлов 2002, 2005). Пока нет данных о том, изменения каких именно генов обеспечили адаптацию к высокой доле мяса в питании. Один из генов, вероятно, вовлеченных в этот процесс, контролирует обезвреживание в клетках печени глиоксилата  - продукта промежуточного метаболизма.

У плотоядных и травоядных млекопитающих глиоксилат образуется из разных исходных веществ, причем синтез его у хищников и травоядных происходит в разных частях  печеночной клетки. У плотоядных его образование происходит в митохондриях клеток, а у травоядных – в микротельцах (пероксисомах) (Danpure et al. 1994). Поскольку глиоксилат очень токсичен, обезвреживающий его фермент (аланин-глиоксилат аминотрансфераза), превращающий глиоксилат в аминокислоту глицин,  должен находиться в тех же органеллах, в которых синтезируется глиоксилат.

У большинства людей и образование, и обезвреживание глиоксилата происходят в пероксисомах, что, как предполагается, отражает преимущественно вегетарианскую диету дальних эволюционных предков Homo sapiens. Однако у части людей локализация фермента изменена - до 90%  его может быть перемещено в митохондрии из-за различных мутаций в гене AGXT, кодирующем данный фермент. Если фермент перемещен в митохондрии, то в его отсутствии  образующийся в пероксисомах глиоксилат превращается не в глицин, а в оксалат. Оксалат, в отличие от глицина, не используется организмом, а в виде нерастворимых кристаллов оксалата кальция откладывается в почках и мочевыводящих путях. Это приводит к развитию тяжелой формы почечнокаменной болезни (первичная гипероксалурия типа 1) и гибели в раннем возрасте  (см. краткий обзор в  (Caldwell et al. 2004)).

Однако если в митохондрии перенесена лишь небольшая часть фермента, это может оказаться адаптивным  при диете, включающей большое количество мяса  (Caldwell et al. 2004). Этим условиям соответствует мутантный вариант  гена AGXT*Pro11Leu, при котором активность фермента распределена между пероксисомами (около 95%) и митохондриями (около 5%). Среди обследованных групп в мире самая низкая частота  такого варианта гена найдена у китайцев (2.3%), а самая высокая – у саамов (27.9%) (Caldwell et al. 2004) (табл. 3).

Табл. 3. Частота варианта гена AGXT*Pro11Leu, предположительно адаптивного при диете, включающей большое количество мяса.

Группа	Частота  аллеля, %
Саамы	27.9
Норвежцы	19.7
Русские	18.5
Уэльсцы	14.6
Армяне	19.2
Анатолийские турки	14.8
Евреи-ашкеназы	19.8
Монголы	6.9
Индусы	2.9
Китайцы	2.3
Эфиопы	10.8
Нигерийцы	8.8

Данные приведены по (Caldwell et al. 2004, Kozlov et al. 2008).

Косвенным свидетельством в пользу того, что переход к диете с очень высокой долей животного белка требует глубоких и, по-видимому, наследственно закрепленных перестроек физиологии пищеварительного аппарата, является обнаружение своеобразного типа желудочного пищеварения у коренного населения Субарктики и Арктики.

Для северных хантов и манси характерна настолько высокая кислотность желудочного сока, что «в европейском масштабе» их следовало бы классифицировать как больных гиперацидным гастритом, находящихся на грани развития язвы желудка. Однако расположенные в стенках органа обкладочные клетки выделяют очень большое количество слизи, которая защищает желудок от повреждения кислотой, необходимой для расщепления поступающих с пищей белков. Такой вариант работы пищеварительных органов обнаружен у подавляющего большинства обследованных аборигенов Севера, примерно половины коми-ижемцев, живущих в высокоширотных районах Западной Сибири на протяжении полутора столетий, и всего нескольких процентов населения умеренной климатической зоны. Мы полагаем, что эти межпопуляционные различия имели адаптивный характер и поддерживались отбором, направленным на оптимизацию усвоения животных белков (Козлов, Вершубская 1999).

Чтобы подтвердить (или опровергнуть) предположение о генетической составляющей адаптации представителей различных групп Homo sapiens к потреблению больших количеств животных белков, необходимы более детальные генетические исследования представителей народов, имеющих разные традиции питания.