Waarom de mens zo dol is op koolhydraten

Koolhydraten, we houden ervan, of ze nu in een koekje zitten, in een kiwi of in een bruine boterham. Onze liefde voor de koolhydraat is oeroud en gaat mogelijk terug tot neanderthaler-DNA.

Het is al lang bekend dat we meerdere kopieën van een gen in ons hebben dat ons in staat stelt complexe koolhydraten, zoals zetmeel, al in de mond af te breken. Het is de eerste stap in de verwerking van koolhydraatrijke producten, zoals brood en pasta. Het was tot nu toe echter moeilijk voor onderzoekers om te bepalen hoe en wanneer het aantal van deze genen toenam.

Amylasegenen 
Nu toont een studie van de University of Buffalo (UB) en The Jackson Laboratory (JAX), aan hoe vroege duplicaties van dit gen de basis legden voor de brede genetische variatie die nu nog steeds bestaat. Dat heeft nog altijd invloed op hoe effectief mensen zetmeelrijke voedingsmiddelen verteren.

Het blijkt dat de duplicatie van dit gen — bekend als het speekselamylasegen (AMY1) —  voor de menselijke aanpassing aan zetmeelrijke voedingsmiddelen heeft gezorgd. Dat gebeurde mogelijk al meer dan 800.000 jaar geleden, lang voordat de landbouw ontstond met zijn koolhydraatrijke granen.

“Het idee is dat hoe meer amylasegenen je hebt, hoe meer amylase je kunt produceren en hoe meer zetmeel je effectief kunt verteren”, vertelt professor Omer Gokcumen. Amylase is een enzym dat zetmeel afbreekt tot glucose, maar bijvoorbeeld ook brood zijn smaak geeft.

Gokcumen en zijn collega’s gebruikten speciale technologie, die cruciaal is voor het in kaart brengen van de AMY1-genregio. Traditionele methoden hebben moeite om genkopieën in deze regio nauwkeurig te onderscheiden vanwege hun bijna identieke sequenties. Zogenoemde long-read sequencing leidde echter tot een duidelijker beeld van hoe AMY1-duplicaties evolueerden.

45.000 jaar oude genen
Door de genomen van 68 mensen te analyseren, waaronder een 45.000 jaar oud monster uit Siberië, ontdekte het onderzoeksteam dat pre-agrarische jager-verzamelaars al gemiddeld vier tot acht AMY1-kopieën per cel hadden, wat suggereert dat mensen al door Eurazië liepen met een grote variatie in het aantal AMY1-kopieën, lang voordat ze gewassen gingen telen en grote hoeveelheden zetmeel begonnen te eten.
De AMY1-genduplicaties bleken zelfs al voor te komen bij Neanderthalers en Denisovans.

“Dit toont aan dat het AMY1-gen meer dan 800.000 jaar geleden voor het eerst is gedupliceerd, ruim voordat mensen zich afsplitsten van Neanderthalers, en veel langer geleden dan eerder werd gedacht”, zegt Kwondo Kim, een van de hoofdauteurs.
“De eerste duplicaties in onze genomen legden de basis voor aanzienlijke variaties in de amylaseregio, waardoor mensen zich konden aanpassen aan allerlei verschillende diëten, vooral toen de zetmeelconsumptie drastisch steeg met de opkomst van nieuwe technologieën en levensstijlen”, legt Gokcumen uit.

Europese boeren
Door de eerste duplicatie van AMY1 ontstond een genetische kans waardoor later onze soort kon ontstaan. Terwijl mensen zich over verschillende regio’s verspreidden, bood de flexibiliteit in het aantal AMY1-kopieën een voordeel bij de aanpassing aan nieuwe diëten, met name die rijk aan zetmeel.

“Na de eerste duplicatie, die leidde tot drie AMY1-kopieën in een cel, werd de amylase instabiel en begon het nieuwe variaties te creëren”, legt onderzoeker Charikleia Karageorgiou uit. “Het kon van drie AMY1-kopieën helemaal oplopen tot negen, of zelfs teruggaan naar één kopie per cel.”

Dat deze variatie er al eerder was dan de landbouw wil niet zeggen dat de landbouw geen invloed had. Bij Europese boeren steeg het gemiddelde aantal AMY1-kopieën in de afgelopen 4000 jaar, mogelijk vanwege hun zetmeelrijke dieet. “Mensen met een hoger aantal AMY1-kopieën verteerden waarschijnlijk zetmeel efficiënter en hadden meer nakomelingen”, zegt Gokcumen. “Hun afstammelingen deden het uiteindelijk beter over een lange evolutionaire periode dan degenen met minder kopieën, waardoor het aantal AMY1-kopieën zich verspreidde.”

Van vier naar zeven
Het bevestigt eerder onderzoek dat aantoonde dat mensen in Europa hun gemiddelde aantal AMY1-kopieën van vier naar zeven uitbreidden in de afgelopen 12.000 jaar. “Gezien de sleutelrol van variatie in het aantal AMY1-kopieën in de menselijke evolutie, biedt deze genetische variatie een geweldige kans om de impact ervan op de metabole gezondheid te onderzoeken en de mechanismen die betrokken zijn bij zetmeelvertering en glucosestofwisseling te ontdekken”, vertelt onderzoeker Feyza Yilmaz.

Wat zijn koolhydraten?
Koolhydraten bestaan uit koolstof-, waterstof- en zuurstofatomen. Ze leveren dier en mens de benodigde energie voor leven. Koolhydraten kun je grofweg verdelen in suikers, zetmeel en vezels. Ze zitten in bijna alles wat je eet. Denk aan brood en pasta, maar ook aan aardappels, melk, erwten en fruit. Je darmen zetten koolhydraten om in glucose, waarna het in je bloed terechtkomt als bloedsuiker. Dat vormt de brandstof voor je lichaam. Koolhydraten worden vaak bestempeld als ongezond, maar mits ze vezelrijk zijn, passen ze prima in een gezond dieet. Volgens de Gezondheidsraad zou 40 tot 70 procent van je dagelijkse energiebehoefte uit koolhydraten moeten komen.