從飲食變遷看人類唾液澱粉酶的基因變化


自從去年寫了〈會不會澱粉吃久了,就變得很會吃澱粉?〉之後就對這個主題產生了濃厚的興趣,平常會思考相關的問題,偶爾也會找找看有沒有相關的新研究,看了不少篇文章想說是該集結一下了!

如果我們用很長、很長的時間尺度來看人類發展,你會發現人們的飲食型態並不是固定不變,從最初摘水果與一些植物的採集生活,再轉變為狩獵/採集、農業,乃至於現今的飲食型態,所吃的東西可是有很大的差異,而活在那樣時空背景的人類,身體也會順應著的飲食環境調整體內的代謝。

下表列出「狩獵/採集者」與現代美國人飲食營養組成,請你先大概看一下內容,在表後我會列出一些我覺得有意思的地方:

標準狩獵/採集者飲食、美式飲食與美國政府建議的每日攝取量(RDA)比較

資料來源:從叢林到文明,人類演化和疾病的產生(2014)p.264 ;表格裡面的百分比代表的是該營養素佔每日能量百分比。

要點:

  • 總碳水化合物的攝取:狩獵/採集者的飲食中碳水化合物的佔比較少,不過與現代人相比也沒有少很多,但最大的差異來自於狩獵/採集者吃到的碳水化合物是比較複雜、難消化的類型。
  • 簡單糖:狩獵/採集者的飲食當中很少吃得到糖
  • 維生素、纖維、鉀、鈣:狩獵/採集者這類營養素的攝取量都遠高於現代美國人
  • 鈉:狩獵/採集者每日的鈉攝取量低於 1,000 毫克(隨便來一碗泡麵,鈉含量很容易就超過 1,000 毫克)

你有沒有發現狩獵與採集者的營養素攝取似乎能和目前常見慢性疾病飲食對策相互乎應呢?

人類基因順應 澱粉食物 的策略

這篇文章主要要聊的是澱粉,因此就讓我把焦點放在「醣類」與「簡單糖類」上。從一萬多年前世界各地的人類續續進入農業時代*之後,人們的飲食發生了頗大的轉變,糧食因為固定耕作的關係開始變得穩定,飲食裡澱粉食物的比重有了相當的佔比,並且延續至今,不過現代與農業時代的澱粉食物或整個碳水化合物食物的攝取有著很大的不同,一個是較為精製的穀類;另一則是簡單糖類的攝取大為增加。

不是所有的人類都有往農業的方向走,現在世界上還是有些地方的人依然過著狩獵與採集的生活。

然而,從低碳水化合物切換到較高碳水化合物的飲食過程中,人類的身體是否有做出一些改變來面對新的飲食模式呢?

有的。只是,在繼續講下去之前,請先讓我介紹一個遺傳相關的專有名詞:


基因的拷貝數變異(copy number variations, CNVs)

拷貝數變異(copy number variations),簡單大略的講就是某個基因在基因裡面出現的次數發生了變化,有可能變多或這是變少,而這樣的變異能夠傳遞給下一代,與本篇文章有關的是 Duplication(重複)。近些年的研究發現 CNVs 和一些常見的健康問題可能有強烈的關係。

下圖摘自參考文獻2,CNVs 主要可分成以下四種:

  1. Deletion
  2. Duplication
  3. Segmental Duplication
  4. Inversion



唾液澱粉酶基因的拷貝數變異

相信你一定有過米飯、麵包或是麵條在口中會越嚼越甜的經驗,會有這個現象的原因就是米飯等食物中的澱粉被唾液裡面的澱粉酵素給消化分解出糊精或葡萄糖,因而讓人嚐到甜味。

唾液中的澱粉酶是由 AMY1 基因所表現,但你不知道的是,這個基因會因為拷貝數變異(CNV)讓人有不同的澱粉消化能力,並連帶著影響了身體對澱粉的代謝過程。

下圖是世界上不同種族的唾液澱粉酶 CNV 比較圖,從中可以看到高澱粉飲食的民族有著較多的 AMY1 拷貝數;而低澱粉飲食民族的 AMY1 拷貝數就比較少。也就是說 AMY1 的拷貝數增加或許是一種天擇的結果:讓自己與後代變得更擅長吃澱粉食物

想一下:那反過來想呢? 如果 AMY1 拷貝數很多的族群,改變飲食方式變成少澱粉攝取,幾個世代以後會發生什麼事情呢?

圖片來源:Luca et al. 2010(文獻 2)

AMY1 拷貝數、澱粉消化 & 餐後血糖

AMY1 拷貝數越多,製造唾液澱粉酶的細胞在一次合成的產量就會跟著增加,口水裡面的澱粉酶活性會比拷貝數少的人高,消化澱粉的效率會比較高。此外,研究發現 AMY1 拷貝數多的人在吃澱粉食物後,血糖與胰島素的反應會和拷貝數少的人不太一樣。

2012 年在《營養學期刊》(文獻 4)上有一篇研究就比較了 AMY1 多與少的人在飲用葡萄糖或是澱粉飲料後血中葡萄糖與胰島素的變化。研究中把 14 位體重正常的健康參與者分成低 CNV 組(LA)與高 CNV 組(HA),LA 組的平均 CNV 是 4;HA 組則是 6(4~11)。

在這個研究結果當中,有幾點是值得注意的:

  • HA 組唾液澱粉酶的活性顯著高於 LA 組
  • 單純喝葡萄糖:兩組飲用後的血糖與胰島素濃度變化沒有顯著差異。(也就是說對簡單糖,我們還是沒輒…)
  • 攝取澱粉後的血糖濃度:HA 組的血糖顯著低於 LA 組
  • 攝取澱粉後的胰島素濃度:下圖 Figure 2,左圖是飲用澱粉飲料後 2 小時間的血中胰島素變化,整體而言,HA 組的胰島素濃度較 LA 組低;而右圖,攝取後 9 分鐘內,HA 組血中的胰島素濃度顯著較 LA 組高。(我的解釋:剛攝取澱粉時,血中先有較高的胰島素能很快的把進入血中的葡萄糖給送入細胞,避免血中葡萄糖濃度突然飆升,而之後胰臟的 Beta-細胞被沒有被飆高的葡萄糖給嚇到,因而不會分泌過多的胰島素)


AMY1 拷貝數與肥胖&第二型糖尿病的關係

高血糖與胰島素阻抗和肥胖與第二型糖尿病的罹患風險有關係,在上一段我們知道 AMY1 拷貝數多有助於攝取澱粉食物後穩定體內的血糖與胰島素。那麼,這是否能減少肥胖與第二型糖尿病的發生呢?

請瞧瞧底下兩篇相關研究的摘要:

研究一、AMY1 基因拷貝數和墨西哥兒童肥胖的關係

在《Diabetologia》期刊上有篇研究(文獻 5)分析了 597 位墨西哥兒童的 AMY1 拷貝數,當中有 293 位肥胖以及 304 位體重正常的兒童。研究發現 AMY1 拷貝數增加與肥胖風險的減少有關係,然後所有 AMY1 拷貝數大於 10 的兒童體重都是正常的。


研究二、AMY1 基因拷貝數和胰島素阻抗的關係

在《Diabetic Medicine》期刊上有一篇研究(文獻 6)以 1,257 位年齡 20~65 歲的韓國人為對象,研究者們試圖找出 AMY1 拷貝數與胰島素阻抗之間的關係,研究裡面還有再進一步分類,也把是否吸煙者和飲酒的習慣給考量進去。空腹血糖 > 10.0 mmol/l(180 mg/dl)、HbA1c >= 64 mmol/mol(8.0%)或者有口服將血糖藥物或胰島素的人會被排除。

結果發現 AMY1 拷貝數與胰島素阻抗有著相反的關係,此外,當根據抽煙與飲酒習慣進行區分的時候,AMY1 拷貝數與胰島素阻抗在不抽煙與經常飲酒者身上是更加的明顯,而在抽煙者與沒有經常飲酒的組合上沒有顯著差異。

抽煙會增加胰島素阻抗的風險,因而淡化了 AMY1 拷貝數的好處。研究有提到飲酒是保護因子。

總是要寫的結論才能按「發表」呀…

手邊還許多關於這個主題的文獻可以分享,但我怕再寫下去會很累,然後也擔心文章太長沒人看,就先在這兒停下來。

其實人類沒有本來就該吃什麼,而是我們和環境(有什麼可以吃)相互作用之下,經過幾個世代的適應後設定出合適的代謝能力。來個簡單的比喻好了,把人(基因)看做是一間很有彈性的工廠,它能依廠商送來的貨(食物)調整生產線,在還沒調整好生產線之前,這工廠就很容易故障出問題(慢性病)。

最後要感謝先前分享唾液澱粉酶研究給我的共筆讀者,讓我有機會學習認識這方面的知識與內容,真的獲益匪淺呀!

參考文獻

  1. 從叢林到文明,人類演化和疾病的產生(2014)
  2. Almal, S. H., & Padh, H. (2012). Implications of gene copy-number variation in health and diseases. Journal of human genetics, 57(1), 6–13.
  3. Luca, F., Perry, G. H., & Di Rienzo, A. (2010). Evolutionary adaptations to dietary changes. Annual review of nutrition, 30, 291–314.
  4. Mandel, A. L., & Breslin, P. A. (2012). High endogenous salivary amylase activity is associated with improved glycemic homeostasis following starch ingestion in adults. The Journal of nutrition, 142(5), 853–858.
  5. Mejía-Benítez, M. A., Bonnefond, A., Yengo, L., Huyvaert, M., Dechaume, A., Peralta-Romero, J., … & Cruz, M. (2015). Beneficial effect of a high number of copies of salivary amylase AMY1 gene on obesity risk in Mexican children. Diabetologia, 58(2), 290–294.
  6. Choi, Y. J., Nam, Y. S., Yun, J. M., Park, J. H., Cho, B. L., Son, H. Y., … & Yun, J. W. (2015). Association between salivary amylase (AMY1) gene copy numbers and insulin resistance in asymptomatic Korean men. Diabetic Medicine, 32(12), 1588–1595.