人类乳糖耐受性的演化之路
人类乳糖耐受性的演化之路
Q1. 为什么会乳糖不耐受？
图1：生活中的常见乳制品
图源：https://andrea-digestive-clinic.com/education/lactose-intolerance-2/
尽管牛奶已成为日常饮食的一部分，但对于许多人来说，牛奶可能引发腹痛等不适症状，这通常被归因于乳糖不耐受（Lactose Intolerance）。乳糖是牛奶中的主要碳水成分，占比约3-6%，它是一种由单糖葡萄糖和半乳糖组成的二糖。乳糖不能直接被人体吸收，需要在小肠上皮细胞黏膜表面的乳糖酶（Lactase）水解作用下，分解成葡萄糖和半乳糖后才能被吸收。因此，在缺乏乳糖酶的情况下，乳糖无法在小肠内被及时分解，进入大肠后，会在微生物的发酵作用下，产生甲烷、氢气、二氧化碳等气体，从而引发腹痛腹胀等常见不耐受症状（图2）。因此，乳糖不耐受多被解释为是乳糖酶持久性的缺乏（Lactase Non-Persistence，LNP）导致的。
图2：牛奶和乳糖在人体内的命运
（Ségurel & Bon, 2017, Annu. Rev. Genom. Hum. G.）
乳糖不耐受主要发生在成年人群体中，婴儿不会受此困扰，可正常代谢乳糖。随着年龄的增长，乳糖酶合成不断减少，伴随而来的就是对乳糖代谢的能力下降。到七到八岁的时候，大约只有35%的人能正常代谢乳糖（图3）。这种现象在大多数哺乳动物中都可以观察到，大多数哺乳动物一旦长大到能够从母乳之外别的地方找到营养来源，就会逐渐失去消化乳糖的能力。
图3：年龄与乳糖酶水平的关系
图源：Lactase & the Mechanism of Lactose Intolerance, https://youtu.be/CXqXr6xK1xA?si=78vyPvtscEpOgrY9
Q2. 为什么乳糖耐受性在人群间有差异？
尽管上述现象在物种演化过程中很保守，但在不同人群中成年后代谢乳糖的能力却存在很大差异。欧洲人群是乳糖耐受性最高的群体，其中北欧地区（如英国和斯堪的纳维亚半岛）人群比例可达到90%以上，此外，中东（西奈半岛）、东非、西非、印度西北部等地区人口也具有很高比例的耐受性，东亚人群是典型的乳糖不耐受群体（图4）。
图4：成年人群乳糖正常代谢的全球分布特征
图源：https://en.wikipedia.org/wiki/Lactase_persistence
MCM6基因的点突变
研究表明，造成这种乳糖耐受性在地区和人群中差异的主要原因是MCM6基因rs4988235位点上发生的一个点突变C/T−13910（Enattah et al., 2002, Nat. Genet.）。尽管MCM6不直接合成乳糖酶，但可作为类似增强子（Enhancer）功能的调控元件直接影响附近的乳糖酶合成基因LCT的表达（图5）。该位点基因型为C（胞嘧啶）时，乳糖分解酶基因LCT在婴幼儿时期表达，成年后，该基因的乳糖酶合成能力下降，导致乳糖酶含量逐渐降低，从而出现乳糖不耐。但当该位点为突变类型T（胸腺嘧啶）时，乳糖酶基因在断奶后还可以继续表达，个体具有乳糖耐受性。该突变为显性突变，也就是说基因型为杂合CT时，个体也可以进行正常乳糖代谢。
图5：乳糖不耐受位点C/T−13910的遗传定位
（Enattah et al., 2002, Nature Genetics）
“牛奶革命”与强正选择
不同研究得出的估算结果存在一些差异，但大致上该突变在距今7500至5000年前的中欧草原首次出现(Itan et al., 2009, Plos Comput. Biol.; Segurel et al., 2020, Plos Biol.；Ségurel & Bon, 2017, Annu. Rev. Genom. Hum. G.)，随后快速向欧洲其他地区传播。我们可以在乳糖耐受人群的LCT及MCM6基因周围发现强烈的选择特征，该区域也被认为是人类基因组受到强正选择的典型案例之一（Tishkoff et al., 2007, Nat. Genet.）。
一般认为，只有当突变可以显著提升物种适合度（Fitness）或者受到人工驯化选择的情况下，该突变才会呈现出强烈的正选择特征，那么喝牛奶所带来的适合度提升是如何在短短几千年时间将北欧地区的突变基因型近乎固定？最近的一项研究表明，比常规牛奶消费所带来的好处更极端的因素（如严重的饥荒或者流行病）可能推动了这种快速变化（Evershed et al., 2022, Nature）。通俗点理解就是，如果个体有乳糖不耐受，在健康状态下喝很多牛奶可能会让人难受，但不会丧命。但如果本身就患病或严重营养不良，再喝牛奶就很可能会威胁生命。饥荒和病原体等异常压力可能加剧了对乳糖耐受的选择作用。
图6：驯化动物与乳制品利用传播历史
（Curry, 2013, Nature）
考古证据表明，乳制品动物驯化最早发生在11000至10000年前的安纳托利亚地区（今土耳其大部）（图6）。随着中亚农民的迁徙，驯化家畜在距今9000年左右传播至欧洲，并在距今7000年左右传播到非洲（Ségurel & Bon, 2017, Annu. Rev. Genom. Hum. G.）。
图7：过去一万年欧洲人群乳糖耐受突变C/T−13910的频率变化
（Ségurel & Bon, 2017, Annu. Rev. Genom. Hum. G.）
可以推断，C/T−13910突变发生时间晚于反刍动物驯化和人类对奶制品的利用，因此第一批进入欧洲的西亚农民大概率是不具有乳糖耐受性的，人类在成年时没有代谢乳糖能力的情况下喝了或利用了牛奶数千年。这一点被古人类基因组证据所支持，在近七十个可追溯到新石器时代早期或中期（大约8500至5000年前）的古欧洲人基因组中都没有发现C/T−13910突变（图7）。
尽管C/T−13910突变可以很好解释欧洲和印度西部等地区的乳糖耐受性成因（图8），但一些消费牛奶的非洲游牧民族（如东北非苏丹的丁卡人和努尔人、埃塞俄比亚人和南非赫雷罗人）中并没有出现突变类型T或呈现低频特征。这种不对应关系的解释之一是不同地区人群独立演化出了不同的乳糖耐受遗传基础。
图8：乳糖耐受性在不同地区人群中的趋同演化
（Tishkoff et al., 2007, Nat. Genet.）
基于不同人群基因组数据比较分析发现，非洲地区的乳糖耐受可由C/T−13910附近的其他三至四种突变所解释，是独立于欧洲地区之外的趋同演化（图8）。如G/C-14010突变在东非（肯尼亚和坦桑尼亚）和南非人群中高频出现，且该基因组区域受到了强选择作用（图8）。值得注意的是，牦牛最早在距今4500年左右在我国青藏高原地区被驯化，藏族人群的乳糖耐受比例（~30%）显著高于汉族人群（~3%），但所有五种先前与乳糖耐受相关的突变在藏族人群中均不存在（Peng et al., 2012, J. Hum. Genet.）。
图9：中亚草原游牧民不同历史时期的
乳糖耐受突变（蓝色）频率
（Segurel et al., 2020, Plos Biol.）
Q3. 乳糖耐受性与奶类消耗量直接相关吗？
似乎牛奶依赖程度较高的人群（特别是游牧民）应该具有较高的乳糖耐受频率，即乳糖耐受性与奶类消耗量直接相关，这是文化历史假说的核心内容之一。然而，广泛分布在欧亚草原的游牧民群体（如蒙古人、哈萨克人），耐受基因型频率并没有很高，现在以及过去不同历史时期的频率分布在3%到26%之间（图9）。由此看来，在亚洲（除印度西北部和巴基斯坦地区），无论是否从事游牧生活方式，耐受型突变频率都很低。
图10：C/T−13910突变类型T的欧洲地区分布
图源：https://en.wikipedia.org/wiki/Lactase_persistence
此外，在反刍动物最初被驯化的地区（土耳其地区）以及地中海沿岸（如意大利、希腊等），食用牛奶数千年的人群相比北欧也只具有中等或很低的耐受突变频率（图10）。
图11：各式各样的奶酪
图源：https://shapesoftaste.cn/ge-zhong-kouwei-de-yidali-nailao-ruan-nailao/
造成这种差异的一个重要因素可能是加工乳制品的出现（图11）。将鲜牛奶发酵加工成为酸奶、奶酪等乳制品可以显著降低鲜牛奶中的乳糖含量。在现今的波兰（位于中东欧），考古学家发现了带有乳脂分子证据的古老过滤器，证明在约7500年前就有人制作奶酪（图6; Salque et al., 2013, Nature）。大家所熟知的“希腊酸奶”（Greek yogurt）就是一种去除乳清后的发酵乳制品，其乳糖含量被大大降低。考虑到游牧生活的机动性，运输上的方便程度可能使得游牧民更喜欢加工乳制品而非鲜牛奶。此外，气候差异也可能促使亚欧草原游牧民选择能更长期贮藏的加工乳制品。
遗传适应和文化适应共同塑造了当下乳糖耐受性的全球分布格局，“牛奶革命”既对不同文化文明产生影响，也在基因组上留下了痕迹。
尽管大部分中国人是乳糖不耐受体质，但中国居民膳食指南鼓励每人每天要有300至500克的奶及奶制品摄入。牛奶及奶制品富含优质蛋白、钙、维生素等，大多数乳糖不耐的人可以耐受一定量的乳糖，因此没必要完全拒绝牛奶，宜根据自身需求选择适合自己的奶及奶制品。
