© Nakladatelství Academia,SSČ AV ČR, v. v. i., 2016. Přetisk článků včetně obrázků se výslovně zapovídá. Veškerá práva včetně práva reprodukce jsou vyhrazena.
Jeden litr kravského mléka, které si dnes
můžeme koupit v obchodě, obsahuje kromě
vody 22–38 g tuku, 23–44 g proteinů
(z toho 17–35 g kaseinu), 1 g solí a 38–53 g
mléčného cukru – laktózy. Ta je přítomna
ve všech typech savčího mléka, s výjimkou
zástupců čeledi lachtanovitých (Otariidae)
a mrožovitých (Odobenidae).
Pro trávení laktózy potřebují lidé (stejně
jako další savci) enzym – laktázu, která
štěpí laktózu na galaktózu a glukózu, jež
představuje pro organismus zdroj energie.
Laktáza je produkována buňkami epitelu
tenkého střeva a pro savce je nezbytná jen
v období závislosti na mateřském mléce.
Po odstavení její produkce klesá. Dospělí,
jejichž tenké střevo už laktázu netvoří prakticky
vůbec, mohou mít po požití většího
množství mléka trávicí obtíže. Vypije-li dospělý
člověk (u dalších savců tato problematika
není dosud hlouběji prozkoumána),
který laktázu neprodukuje, více než 1–2 dcl
mléka, může zhruba po půl hodině až hodině
pocítit nadýmání a případně se dostaví
průjem. Tyto symptomy způsobují bakterie
tlustého střeva, které začnou nestrávenou
laktózu fermentovat. Vylučují přitom vodík,
metan a jiné látky, což může vyvolat
zažívací obtíže spojené s narušením střevní
rovnováhy. Tento stav nazýváme primární
laktózovou intolerancí, a jde de facto
o stav normální či původní. Naproti tomu
alergie na obvykle mléčné proteiny se projevují
závažnějšími symptomy. Máte-li primární
laktózovou intoleranci, nemusíte si
zoufat, většina lidí snese menší množství
mléka – ca 2 dcl denně bez problémů. Není
tedy třeba vzdávat se bílé kávy, a potraviny
jako jogurty nebo kysané mléčné výrobky
obsahují laktózy méně a navíc ji pomáhají
trávit obsažené mikroorganismy, takže
by zdravému člověku neměly působit obtíže.
V tvrdých sýrech a másle by laktóza
neměla být téměř žádná.
Existují však lidé, kteří začínají den
hrnkem mléka, vypijí klidně i litr a žádné
nadýmání je netrápí. Jsou totiž nositeli
genetické mutace, která způsobuje, že tenké
střevo vylučuje laktázu i v dospělosti –
mají schopnost laktázové perzistence (dále
jen LP). Celosvětově se vyskytuje zhruba
u 32 % lidí. Značně rozšířená je v Evropě,
nejvíce na severu – ve Skandinávii nebo
ve Velké Británii jde až o 82–96 % obyvatel,
k jihu počet lidí s LP klesá. I v České
republice je asi 80 % lidí schopno trávit
mléčný cukr i v dospělém věku. LP se rovněž
vyskytuje u pastevců Předního východu,
Arabského poloostrova a Afriky. Naopak
populace jihovýchodní Asie, Austrálci
a indiáni tuto mutaci nenesou téměř vůbec,
usedlí afričtí zemědělci, pastevci a zemědělci
Střední Asie a Indie jsou někde na
pomezí.
Proč se LP v některých částech světa rozšířila
a jinde ne, vysvětluje několik teorií.
Ta nejznámější hovoří o tzv. genově-kulturní
koevoluci. Říká, že se LP objevila po
vzniku zemědělství, konkrétně mléčné produkce,
a dnes se vyskytuje jen u těch národů,
které ji provozovaly v minulosti a většinou
stále provozují. Uvažuje se také, že
by LP mohla v určitých klimatických podmínkách
zvyšovat fitness neboli biologickou
zdatnost jedince. Tedy pro pastevce
z aridních oblastí Afriky nebo Arabského
poloostrova může být výhodné, když dokáží
bez obtíží vypít 1–2 litry čerstvého
mléka, čímž získají nejen tekutiny, ale
i potřebnou energii.
Ale proč severní Evropa? Přítomnost LP
se zde vysvětluje z poněkud jiných důvodů.
Lidé v těchto zeměpisných šířkách mohou
mít potíže s nedostatkem vitamínu D. Ten
se díky slunečnímu záření vytváří z prekurzoru
(provitamínu 7-dehydrocholesterolu)
v kůži a stává se výchozí látkou pro
syntézu kalcitriolu, hormonu důležitého
pro metabolismus vápníku a fosforu. Nedostatek
vitamínu D pak může způsobit
křivici nebo osteomalacii (podrobněji o vitamínu
D viz Živa 2015, 4: 159–161 a 6:
279–281). Pokud lidé v těchto podmínkách
nesou mutaci pro trávení laktózy, pití
mléka se pro ně stane dalším zdrojem vápníku
a částečně vitamínu D, a pravděpodobně
se dožijí dospělosti bez křivice.
Budou mít nejspíše i víc potomků, kteří
zdědí schopnost trávit laktózu, a LP se takto
může rychle rozšířit do následujících
generací.
Genetická podstata
laktázové perzistence
LP známe poměrně dlouho, její genetická
podstata však zůstávala nejasná. Přestože
se vědělo, že se dědí jako autozomálně
dominantní znak (viz dále), a byla zjištěna
pozice genu pro laktázu (LCT) – 2q21
(na dlouhém rameni druhého chromozomu),
přesnou příčinu objasnili vědci až
v r. 2002. Člověk má dvě sady chromozomů
– 22 párů autozomů a jeden pár gonozomů
určujících pohlaví. Autozomálně
dominantní dědičnost v našem případě
znamená, že se laktázová perzistence projeví
i u heterozygotního jedince, tedy s mutací
pouze na jednom z páru chromozomů.
Dominantní homozygot nese stejnou mutaci
na obou párových chromozomech. Při
výpočtu frekvence mutace se heterozygoti
započítávají vlastně jako polovina, frekvence
výskytu mutace tak může být nižší
než frekvence výskytu LP jako takové.
Ukázalo se, že za LP stojí jednobodová
mutace, záměna báze thyminu za cytozin,
která ale neleží v genu pro laktázu, nýbrž
v genu sousedním, označovaném zkratkou
MCM6 (obr. 1) Konkrétně ve vzdálenosti
13 910 párů bází proti směru transkripce
od laktázového genu. Vyšlo najevo, že tato
mutace zesiluje expresi laktázového genu,
resp. syntézu laktázy, a nedojde tak k poklesu
její produkce jako u lidí bez této mutace.
Popsaná mutace nazývaná -13910*T
(značení podle vzdálenosti od laktázového
genu a změněné báze) byla určena jako
příčina výskytu LP v Evropě. U velké části
pastevců východní Afriky a Předního
východu, kteří tráví mléko v dospělosti,
však nalezena nebyla. Časem se ukázalo,
že za LP zde odpovídají jiné mutace, konkrétně
-14010*C (původní alela guanin),
-13907*G (záměna za cytozin) a -14009*G
(původně thymin) v Africe, na Arabském
poloostrově pak -13915*G (původně rovněž
thymin). Nutno však dodat, že v Africe
ziva.avcr.cz 238 živa 5/2016
1
Edita Priehodová
Laktázová perzistence a pití mléka
Pití mléka a konzumace mléčných výrobků patří dnes k živě diskutovaným
tématům. Zda je pití mléka pro lidi prospěšné i po skončení kojeneckého období,
zatím nemáme uspokojivě zodpovězeno. Provází nás však hluboko do historie.
Poté, co lidé začali se zemědělským způsobem života, objevili, že mohou
chovat zvířata nejen pro maso, ale i pro další produkty. První doklady zpracování
mléka jsou více než 8 tisíc let staré. S pitím mléka šla ruku v ruce také evoluce
člověka. Uvádí se, že zhruba jedna třetina světové populace je dnes dobře
přizpůsobena, aby mohla bez obtíží pít mléko během celého života. Tuto schopnost
nazýváme laktázová perzistence. Kdy a kde vznikla a jak se dále šířila?
Odpovědi nachází v současnosti kromě archeologie i genetika.
1 Umístění genu pro enzym laktázu
(LCT) v rámci lidského karyotypu
(souboru 22 nepohlavních chromozomů
– autozomů a jednoho páru pohlavních
chromozomů – gonozomů, X a Y).
Spolu s genem LCT je zde znázorněn
sousední gen MCM6, v němž se nacházejí
mutace zodpovědné za laktázovou
perzistenci. Pozice mutací vůči LCT
a původní versus změněná báze je označena
barevně ve spodní části obrázku.
Orig. E. Priehodová
MCM6 gen LCT gen pro laktázu
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
X
Y
10 kb
-14 010 kb
-14 009 kb
-13 915 kb
-13 910 kb
-13 907 kb
GAGTGCATAAAGACG/CT/GAAGTTACC.. GATAAT/GGTAGC/TCCC/GTGGCCTCAAAGGAA
© Nakladatelství Academia,SSČ AV ČR, v. v. i., 2016. Přetisk článků včetně obrázků se výslovně zapovídá. Veškerá práva včetně práva reprodukce jsou vyhrazena.
jsou v nezanedbatelné míře zastoupeny
všechny výše uvedené mutace, zatímco
u Evropanů pouze -13910*T a na Arabském
poloostrově jednoznačně dominuje
-13915*G (obr. 2 a 3). Na základě těchto
a dalších poznatků (např. různého haplotypového
pozadí, tedy specifické kombinace
alel v okolí sledované mutace) předpokládáme,
že LP vznikla v lidské historii
několikrát nezávisle na sobě.
Zda člověk tráví nebo netráví laktózu, se
dá experimentálně ověřit několika metodami.
Nejjednodušší je měřit změny hladiny
glukózy v krvi. V praxi vyšetřovaná
osoba přijde na lačno a glukometrem je jí
změřena hladina glukózy. Následně vypije
50 g laktózy rozpuštěné ve 2 dcl vody
(množství laktózy odpovídá 1–2 l kravského
mléka). Krevní glukóza se pak znovu
měří v dvacetiminutových intervalech.
Pokud jedinec laktázu produkuje, hladina
glukózy v krvi výrazně stoupá.
Mléčná produkce
a laktázová perzistence v Evropě
Před více než 10 tisíci let se na Předním
východě lidé začali věnovat zemědělství.
Toto období nazýváme neolit a považujeme
ho za jednu z největších revolucí, kterou
lidstvo prošlo. Archeologické nálezy
zvířecích kostí ukazují, že se tito lidé věnovali
chovu koz, ovcí a skotu. Co se týče
konzumace mléka a výroby mléčných produktů
asi nejstarší doklady (zhruba 8 500
let staré) představují nálezy keramiky
z oblasti dnešního Turecka se zbytky mléčného
tuku.
Zemědělství se z Předního východu šířilo
do okolních oblastí, včetně Evropy. Nejstarší
doklady konzumace mléka v Evropě
pocházejí z keramiky nalezené v dnešním
Rumunsku a Maďarsku, datované do doby
před 7 900 až 7 500 lety. Pozůstatky mléčného
tuku se našly i na proděravělých
keramických střepech z Kujavy (severní
část Polska). Jde o střepy nádob původně
sloužících jako cedníky při výrobě sýra.
Jejich stáří je odhadováno na 7 400 až
7 300 let. Podíváme-li se na naše území,
můžeme předpokládat, že chov hovězího
dobytka, ovcí a koz pro mléčnou produkci
zde existoval již v období lineární keramiky
(před 7 700 až 6 800 lety; blíže na
str. 225 této Živy).
Vzniká otázka, zda mezi těmito dávnými
zemědělci už byla rozšířena schopnost
trávit mléčný cukr v dospělosti. Několik
studií se pokusilo určit období, kdy se mutace
-13910*T objevila a začala šířit. V jedné
z prvních byla použita k odhadu DNA
současných lidí. V této práci autoři analyzovali
okolí laktázového genu a mutace
-13910*T. Výsledkem výpočtů byl široký
interval zahrnující dobu před 2 188 až
20 650 lety. Další studie vznikla na základě
simulace, do níž byla zahrnuta frekvence
výskytu mutace -13910*T v současné
evropské populaci a další demografické
a archeologické poznatky. Autoři došli
k závěru, že mutace -13910*T mohla vzniknout
zhruba před 7 500 lety (s rozpětím
6 256 až 8 638 před současností), což
spadá do výše zmíněného období kultury
s lineární keramikou.
Principem datování mutace -13910*T
bylo srovnání kombinace alel – tzv. haplotypu,
který je v okolí mutace a přenáší se
společně s mutací. Tento postup se řadí
mezi metody molekulárního datování, kdy
se určuje časový interval oddělující dnešní
haplotypy od haplotypu výchozího.
živa 5/2016 239 ziva.avcr.cz
32
2 a 3 Výskyt mutací zodpovědných
za laktázovou perzistenci a přibližná
frekvence ve vybraných částech Evropy
(obr. 2), Afriky, Předního východu
a Arábie (3). Mapy byly sestaveny na
základě publikovaných údajů a dat
zjištěných v Laboratoři archeogenetiky
Archeologického ústavu AV ČR, v. v. i.
4 a 5 Fulbský pastevec z Burkiny Faso
při dojení a pití mléka. Na obr. 4 můžeme
vidět tradiční metodu dojení primitivních
plemen skotu, kdy se u krávy musí
nejprve vybudit tzv. vydojovací reflex.
Tele nechají sát, ale pak je odstaveno
a přivázáno k přední noze samice,
což v ní budí dojem, že mládě stále pije
a tak je možné dojit.
4 5
-13910*T
-13915*G
-14010*C
-14009*G
-13907*G
-13910*T
© Nakladatelství Academia,SSČ AV ČR, v. v. i., 2016. Přetisk článků včetně obrázků se výslovně zapovídá. Veškerá práva včetně práva reprodukce jsou vyhrazena.
Velkou výhodou je možnost použití DNA
současných lidí – lze tak pracovat s obsáhlými
soubory dat. Musíme však brát
v potaz množství vlivů, které se mohly na
genofondu současné populace podepsat.
Stále tedy máme co zpřesňovat, stejně jako
u odhadování doby expanze na základě
počítačových simulací. Užitečné srovnání
umožňuje také analýza DNA z ostatků
minulých lidí – pravěké DNA (ancient
DNA, aDNA). Vzhledem k náročnosti těchto
analýz je ale zatím výsledků spíše poskrovnu.
Vrátíme-li se k laktázové perzistenci,
zajímavé výsledky přinesly analýzy
aDNA z evropských neolitických nalezišť
v dnešní Litvě, Polsku, Německu a Maďarsku.
Ani u jednoho z 8 zkoumaných
jedinců z období před 7 840 až 7 000 lety
nebyla mutace -13910*T objevena. Rovněž
ani jeden z 9 jedinců z Maďarska žijících
před 7 780 až 6 490 lety nebyl nositelem
této mutace. Stejně dopadlo i 7 jedinců
ze severozápadního Španělska z období
zhruba před 7 tisíci let. Jedni z nejstarších
lidí, u nichž byla -13910*T identifikována,
pocházejí z dnešního Baskicka.
Z 26 jedinců pozdního neolitu (zhruba
před 5 000 až 4 500 lety) mělo 7 osob
mutaci -13910*T.
Doklady pro rozšíření mutace -13910*T
máme až ze středověku. Na základě výzkumů
kosterních pozůstatků ze severního
Polska z období 1 000 až 1 400 n. l. bylo
40–86 % lidí schopno pít mléko bez obtíží
i v dospělosti, v západním Německu
kolem roku 1 200 n. l. se LP mohla vyskytovat
až u 72 % obyvatel.
Přestože se studie vycházející ze současného
rozšíření LP v Evropě shodují, že
by počátek jejího šíření měl souviset s přechodem
na zemědělský styl života, analýzy
aDNA ukazují, že mezi prvními zemědělci
se tato mutace vyskytovala spíše vzácně.
K vysvětlení uvedeného rozporu bude
třeba dalšího výzkumu. Avšak to, jak je LP
v Evropě rozšířena dnes, naznačuje, že selekce
pro tento znak musela být poměrně
silná – proč, zůstává rovněž předmětem
bádání. Hypotéza o vitamínu D možná není
dostačujícím vysvětlením. Mohly zde sehrát
roli další nutriční výhody. Např. v dobách
hladomoru mohli být zvýhodněni
jedinci schopní konzumovat mléko bez
potíží. A rovněž při epidemiích infekčních
onemocnění by mléko mohlo sloužit jako
bezpečný zdroj vody a kalorií. Svou úlohu
zde mohla hrát i vysoká dětská úmrtnost
nebo jiné evoluční mechanismy, jako je
např. genetický drift (náhodná změna četnosti
mutace v průběhu generací). Ačkoli
by se tedy mohlo zdát, že o LP a historii
pití mléka již víme dost, stále zůstává
mnoho nejasností.
Konzumace mléka
u afrických a arabských pastevců
Předpokládá se, že pastevectví se v Africe
a Arábii objevilo mnohem dříve než pěstování
rostlin. Podle archeologických dokladů
odhadujeme, že skot, kozy a ovce
byly chovány na savanách v oblasti dnešní
Sahary již před 8 tisíci let. Nejstarší
důkazy o mlékařství v těchto místech
máme díky analýzám keramiky z naleziště
Takarkori v jihozápadní Libyi, podle
odhadů bylo mléko používáno před více
než 7 tisíci let.
Zatímco v Evropě můžeme hovořit o tzv.
klinální variabilitě LP, kdy se frekvence LP
kontinuálně mění – na severu Evropy je
nejvyšší a k jihu postupně klesá, v Africe
se četnost LP u jednotlivých populací
značně liší. V podstatě velmi dobře odráží
jejich způsob obživy – u pastevců, pro něž
znamená chov dobytka a mléko základ
stravy, nacházíme vysoké frekvence LP,
v případě usedlých zemědělců, kteří od
pastevců vykupují pouze máslo, může být
výskyt LP i nulový. Co se týče genetické
podstaty LP, v Africe tato schopnost vznikla
zřejmě několikrát nezávisle. U Afričanů
se totiž vyskytují mutace způsobující LP,
které nejsou jinde rozšířeny. Jednou takovou
je -14010*C, ve větší míře nalezená u pastevců
v Tanzanii a Keni, např. u Masajů,
ale i Kikujů, dnes žijících jako zemědělci.
Předpokládá se, že tato mutace má původ
právě ve východní Africe a rozšířila se tu
někdy před 2 700 až 6 800 lety. Pro úplnost
uveďme, že se nachází také u některých pastevců
jižní Afriky, např. Khoikhoiů, k nimž
se dostala pravděpodobně před více než
1 300 lety se skupinami přicházejícími ze
severovýchodu, od nich Khoikhoiové převzali
i pastevecký způsob života.
Další africká mutace, -13907*G, byla
zjištěna převážně u populací afroasijské
jazykové rodiny v Súdánu, Etiopii a severní
Keni, a třetí typicky africkou mutací
je -14009*G, známá např. z Etiopie nebo
Súdánu (obr. 3).
V Africe však nalézáme rovněž mutaci
-13915*G, která se vyskytuje takřka výhradně
u populací s arabským původem.
Jinak je častá ve vysokých frekvencích na
Arabském poloostrově. Předpokládá se, že
vznikla právě zde před 4 000 let v souvislosti
s domestikací velblouda. Naše výzkumy
z posledních let ukazují, že se do Afriky
rozšířila až během posledních 1 400 let
v rámci migrací beduínů souvisejících
se šířením islámu.
U pastevců západní části afrického sahelu
(krajinný typ na okraji Sahary od Atlantského
oceánu po Rudé moře, blíže v následujícím
článku) a Sahary nacházíme také
mutaci -13910*T, jinak typickou pro západní
Eurasii. V tomto ohledu představují velice
zajímavou populaci Fulbové. Část tohoto
tradičně pasteveckého národa stále žije
kočovným způsobem v pásmu od Senegalu
až po Súdán (viz Živa 2006, 2: 86–88).
U Fulbů je také ve značné míře rozšířena
LP, což by nebylo tak neočekávané. Překvapivě
však za ni zodpovídá právě -13910*T,
podobně jako v Evropě. Jedním z vysvětlení
by mohl být genový tok z mimoafrických
populací, avšak pro potvrzení či vyvrácení
této hypotézy bude nutné další zkoumání
genetického pozadí této mutace.
Dnešní výskyt mutací pro LP a analýza
jejich genetického okolí může vypovídat
o proběhlých migracích a adaptacích na
jednotlivých kontinentech. Jak tomu v minulosti
bylo v Africe a Arábii, zatím jen
odhadujeme pouze podle současných populací.
Na rozdíl od Evropy zde nemáme
k dispozici žádná data pocházející z analýz
aDNA, neboť horké a suché podnebí
nepřeje zachování DNA v ostatcích.
Laktázová perzistence není jen kuriozitou,
jíž se vyznačují někteří jedinci. Je
ukázkou, jak se náš genom přizpůsoboval
prostředí, v tomto případě dokonce přímo
kulturním návykům. Srovnání jejího
současného výskytu s rozšířením u minulých
populací může povědět mnohé o principech
evoluce lidského genomu. Rovněž
hledáním vysvětlení, proč se tato schopnost
u lidí v určitých částech světa rozšířila
a v jiných nikoli, odkrýváme odlišnosti
populační historie jednotlivých kontinentů
a snažíme se porozumět příčinám
genetické variability našeho druhu.
Výzkum byl podpořen Grantovou agenturou
Univerzity Karlovy (projekt č. 651112)
a Grantovou agenturou České republiky
(13-37998S-P505).
Použitá literatura uvedena na webu Živy.
ziva.avcr.cz 240 živa 5/2016
6 Stan v táboře kočovných Arabů
zvaných Baggara ve středním Čadu
v okolí Ati. Asi u 26 % těchto pastevců
hovězího dobytka se vyskytuje mutace
pro laktázovou perzistenci -13915*G,
jinak typická pro Arabský poloostrov.
Snímky V. Černého
6