Un esempio di evoluzione recente: la persistenza della lattasi.

Un esempio di evoluzione recente:
   la persistenza della lattasi.

Il LATTE contiene uno zucchero: il Lattosio
Il Lattosio un disaccaride composta da glucosio e
galattosio
      La lattasi (lattasi-florizina idrolisi (LPH )
      idrolizza il lattosio nelle sue componenti
      più semplici

In humans, the activities of lactase and most of the other
digestive hydrolases are maximal at birth.

The majority of the world's human population experiences a
decline in production of the digestive enzyme lactase
during maturation.
Due to the reduced lactase level, lactose present in dairy
products cannot be digested in the small intestine and instead
is fermented by bacteria in the distal ileum and colon.
The fermentative products result in symptoms of diarrhea, gas
bloat, flatulence,and abdominal pain.
However, in a minority of adults, high levels of lactase activity
persist in adulthood.
Lactase persistence is a heritable autosomal dominant
condition that results in a sustained ability to digest the milk
sugar lactose throughout adulthood

2 fenotipi:
• Persistenza alla lattasi: grazie ad una
mutazione genetica gli individui mantengono
la capacità di digerire il lattosio anche in età
adulta
• Ipolattasia (non persistenza): l’espressione
dell’enzima decresce dopo lo svezzamento e
l’assunzione di latte determina sintomi
intestinali quali nausea, crampi, diarrea, ecc.

Complessivamente circa il 75% della popolazione
mondiale perdono l’attività enzimatica della lattasi dopo
lo svezzamento
La frequenza della persistenza alla lattasi varia
notevolmente tra le popolazioni umane.
In Europa, maggiore frequenza di persistenza della
lattasi tra le popolazioni nord-occidentali, dove
l’economia pastorale si è sviluppata precocemente.
In Italia: dati discordanti: alcuni studi mostrano un
incremento della frequenza della persistenza della lattasi
da nord verso sud, mentre altri lavori discordano con
questa ipotesi, riportando valori discontinui lungo la
penisola.

Lactose tolerance, as evaluated by physiological tests,
presents high frequency variability in human
populations:

     Tolerance

     Intolerance

High frequencies in      Higher frequencies in African
Northern-Europeans       pastoralists than in neighbor
                         non-pastoralist populations

Diagnosi

La non persistenza della lattasi, o ipolattasia,
è generalmente diagnosticata tramite biopsia
intestinale o test fisiologici meno invasivi,
quali la misura del tasso di glucosio nel
sangue o di galattosio nelle urine, effettuata
dopo l’assunzione di una dose standard di
lattosio.
Analisi delle feci
Breath test

LE DIVERSE FORME D’ INTOLLERANZA
AL LATTOSIO

Intolleranza al lattosio: sindrome caratterizzata dalla presenza di uno
o più dei seguenti sintomi: dolori addominali, diarrea, nausea, flatulenza,
gonfiore di stomaco conseguente all’assunzione di lattosio o di sostanze
che contengono lattosio come ad esempio gli alimenti preparati con latte
in polvere. La dose di lattosio che causa i sintomi suddetti è variabile da
individuo ad individuo

Malassorbimento del lattosio: sbilanciamento tra la dose ingerita e la
capacità di idrolizzare il lattosio (diarree osmotiche)

Intolleranza secondaria al lattosio: conseguenza di una patologia che
determina lesioni all’intestino tenue con conseguente danno enzimatico
(gastroenterite, morbo di Crohn, celiachia, colite ulcerativa, sindrome del
colon irritabile, radiazioni, deficit immunologici)

Intolleranza al lattosio nell’adulto
 (OMIM 223100: online mendelian inheritance in man)

Altre condizioni genetiche di intolleranza al lattosio:
• Deficienza congenita di lattasi OMIM 223000
(totale assenza di lattasi fin dalla nascita, rara, Finlandia)
mancata attività della lattasi causata da un mRNA non-senso, si
manifesta non appena il neonato viene
nutrito con il latte. Il deficit di elementi nutritivi determina un ritardo
nella crescita, con disidratazione e rapida insorgenza di alcalosi

•Intolleranza neonatale al lattosio OMIM 150220
(produzione di lattasi normale, problemi di assorbimento gastrico del
lattosio, si risolve con l’età)

La tolleranza al lattosio è un
 tratto sotto selezione?

A   A) Distribuzione del fenotipo tollerante al lattosio

B   B) Localizzazione dei siti Neolitici che mostrano
    presenza di attività di allevamento di bovini

                                Beja-Pereira et al., 2003

Prima ipotesi:
La mutazione si sarebbe verificata nelle
popolazioni dedite alla pastorizia all’inizio del
neolitico, circa 10.000 anni fa.
Essendo il gene mutante un gene dominante e
ipotizzato che esso abbia conferito un vantaggio
riproduttivo di circa il 5%, si stima che tale tratto
sia divenuto predominante in un periodo di circa
7000 anni (350 generazioni).

2° ipotesi:
Le popolazioni umane del passato erano già
differenziate per il polimorfismo della persistenza
alla lattasi, prima dello sviluppo della pastorizia e la
presenza della persistenza alla lattasi ha
determinato la pratica del consumo e della
produzione del latte.

Evoluzione della tolleranza al
                lattosio
             Cultural-historical                         Reverse
                 Simoons 1969                             cause
                                                       Bayless 1971
                       •Adozione della             *     •Insorgenza della
                       pastorizia                        mutazione

                *
                       •Insorgenza della                  •Adozione della
                       mutazione                          pastorizia

             * * *                               * * *
                       •Aumento in frequenza              •Aumento in frequenza
                       della mutazione dovuta             della mutazione dovuta
*                      alla selezione naturale            alla selezione naturale

   : LP
individual

SELECTIVE ADVANTAGES

Nutrient value of milk
Water content (desertic and arid regions)
Improved calcium absorption (North Europe)
and also…
high content of riboflavin in the milk

Arid climate hypothesis
             Cook & al-Torki 1975
         Milk as a source of
         food and clean,
         uncontaminated
         fluid in desertic
         climate

 Calcium absorption hypothesis
          Flatz & Rotthauwe 1973
Milk as source of
calcium for
reducing risk of
rickets in high
latitudes were low
light levels occure

Il gene: LCT

         Sono state identificate 2
         varianti genetiche
         localizzate 13910 bp e
         22018 bp a monte del
         gene umano della
2q21     lattasi, che risultano
         associate con la
         persistenza/non
         persistenza ereditaria
         della lattasi. Entrambe le
         varianti sono dovute a
         sostituzioni di un singolo
         nucleotide (SNPs).
         (-13910 C>T e -22018 G>A)

Molecular basis for lactose tolerance

          D2S3010            D2S3013   D2S3015        D2S3016

                    LCT

                          C/T -13910     G/A -22018

The T allele of a C/T                  Its frequency            The A allele of
polymorphism located                   matches the              the G/A-22018
in a potential regulatory              frequency of             polymorphism is
site 13.9 kb upstream                  the lactose              highly, but not
the lactase gene (-                    persistent allele        completely
13.9kb*T allele) was                   expected from            associated in
found to be completely                 physiological            the same
associated with                        tests.                   populations
lactase persistence in                 A new diagnostic
                                       tolerance test.
Northern Europeans.
                                                                  Enattah et al., 2003

I 2 polimorfismi sono da considerare come una
“predisposizione genetica” all’intolleranza al lattosio la cui
sintomatologia insorge quando sono presenti altri fattori tra i
quali una notevole importanza riveste la flora batterica
intestinale

E’ possibile infatti che la deficienza dell’attività della lattasi
sia compensata dall’azione della flora batterica, che si
estrinseca attraverso il metabolismo dei batteri appartenenti
al genere lactobacillus, i quali sono in grado di
metabolizzare il lattosio

Analisi DNA antico

E’ stata riscontrata assenza della mutazione nelle
popolazioni del Mesolitico (10.000-8.000 anni fa), nelle
popolazioni del Neolitico la frequenza non è superiore allo
0,17%

 Anche per il marcatore 22018 G>A, tutti i campioni meso e
 neolitici erano GG, l’unico campione eterozigote era del
 Medioevo

     Compatibile anche con l’ipotesi che la mutazione 13910 fosse
     presente a frequenze apprezzabili nel tardo neolitico o nel
     preneolitico

IPOTESI EVOLUTIVA
(Bersaglieri T. et al., Am J Hum Genet 74:1111-1120, 2004)
Genetic signatures of strong recent positive selection at the
lactase gene
Nelle popolazioni nord europee l’allele T strettamente
associato a persistenza della lattasi è compreso in
un blocco aplotipico con frequenza elevata (0.77) e
inusualmente lungo (>1 Mb).
→ selezione recente e forte, avvenuta negli ultimi
10.000 anni (con l’introduzione della
pastorizia/allevamento)
→vantaggio nutrizionale derivante dai latticini
importante per sopravvivenza nel Nord Europa

Da dove si è originato l’allele -13910*T?
La distribuzione delle frequenze alleliche suggerisce un
origine europea nord occidentale …

>tolleranza
Un recente screening su
base molecolare della
distribuzione della
tolleranza al lattosio in
Italia (utilizzando i
marcatori biallelici -13910
C>T e -22018 G>A) ha
permesso la tipizzazione di
molti campioni italiani in
modo non invasivo
Risultati: confermato la
presenza di un cline
decrescente di tolleranza
lungo la penisola (come
nel resto d’Europa)           -tolleranza

Studio condotto in Sardegna
Confronto tra Cabras e Scano Montiferro

    1
  0.8
  0.6
                                Scano Montiferro
  0.4                           Cabras
  0.2
    0
        13910*T   13910*C

1
 0.8
 0.6
                                           Scano Montiferro
 0.4                                       Cabras
 0.2
   0
       22018*G        22018*A

Differenza statisticamente significativa