Wyobraź sobie dreszczyk emocji związany z odkryciem, gdy ponad 10 lat badań nad genezą wspólnej choroby genetycznej, mukowiscydozy (CF), prowadzi do prześledzenia jej przez grupę wyraźnych, ale tajemniczych Europejczyków, którzy żyli około 5000 lat temu.
CF jest najczęstszą, potencjalnie śmiertelną, dziedziczną chorobą rasy kaukaskiej - około jedna na 40 osób nosi tak zwaną mutację F508del. Zwykle tylko korzystne mutacje, które zapewniają przewagę przeżycia, rozprzestrzeniają się szeroko w populacji.
CF utrudnia uwalnianie enzymów trawiennych z trzustki, co powoduje niedożywienie, powoduje chorobę płuc, która ostatecznie kończy się śmiercią i wytwarza wysoki poziom soli w pocie, który może zagrażać życiu.
W zależności od mutacji u pacjenta może wystąpić niektóre lub wszystkie objawy mukowiscydozy. (Pracownicy Blausen.com (2014), CC BY-SA) W ostatnich latach naukowcy ujawnili wiele aspektów tej śmiertelnej choroby płuc, które doprowadziły do rutynowej wczesnej diagnozy u badanych dzieci, lepszych metod leczenia i dłuższego życia. Z drugiej strony społeczność naukowa nie była w stanie dowiedzieć się, kiedy, gdzie i dlaczego mutacja stała się tak powszechna. Współpracując z niezwykłym zespołem europejskich naukowców, takim jak David Barton w Irlandii i Milan Macek w Czechach, w szczególności grupa genialnych genetyków w Brest we Francji, kierowana przez Emmanuelle Génin i Claude Férec, wierzymy, że teraz wiemy, gdzie i kiedy powstała pierwotna mutacja, w której starożytne plemię ludzi.
Dzielimy się tymi odkryciami w artykule w European Journal of Human Genetics, który stanowi kulminację 20 lat pracy z udziałem dziewięciu krajów.
Co to jest mukowiscydoza?
Moja próba ustalenia, jak powstał CF i dlaczego jest tak powszechna, rozpoczęła się wkrótce po tym, jak naukowcy odkryli gen CFTR wywołujący chorobę w 1989 roku. Najczęstszą mutacją tego genu, który powoduje chorobę, nazwano F508del. Dwie kopie mutacji - jedna odziedziczona po matce, a druga po ojcu - spowodowały śmiertelną chorobę. Ale odziedziczenie tylko jednego egzemplarza nie spowodowało żadnych objawów i uczyniło go „nosicielem”.
Byłem zatrudniony na uniwersytecie w Wisconsin od 1977 r. Jako lekarz-naukowiec zajmujący się wczesną diagnozą mukowiscydozy poprzez badania przesiewowe noworodków. Przed odkryciem genu zidentyfikowaliśmy dzieci o wysokim ryzyku mukowiscydozy za pomocą badania krwi, które mierzyło poziomy białka zwanego immunoreaktywnym trypsynogenem (IRT). Wysoki poziom IRT sugerował, że dziecko miało mukowiscydozę. Kiedy dowiedziałem się o odkryciu genu, byłem przekonany, że zmieni to grę zarówno w rozwoju testów przesiewowych, jak i badaniach epidemiologicznych.
To dlatego, że dzięki genowi moglibyśmy zaoferować rodzicom bardziej pouczający test. Moglibyśmy powiedzieć im nie tylko, czy ich dziecko ma mukowiscydozę, ale także czy nosili dwie kopie mutacji CFTR, która spowodowała chorobę, czy tylko jedną kopię, która uczyniła ich nosicielami.
Rodzice niosący jedną dobrą kopię genu CF (R) i jedną złą kopię zmutowanego genu CF (r) są nazywani nosicielami. Kiedy oboje rodzice przekażą swoje potomstwo złą kopię genu CF, dziecko cierpi na mukowiscydozę. Dzieci, które odziedziczą tylko jedną złą kopię, będą nosicielami jak ich rodzice i mogą przekazywać gen swoim dzieciom. (Cburnett, CC BY-SA) Można zapytać, jaki jest związek między badaniem przesiewowym noworodków z CF a poznaniem pochodzenia choroby. Odpowiedź leży w tym, jak nasz zespół badawczy w Wisconsin przekształcił biochemiczny test przesiewowy za pomocą markera IRT w dwupoziomową metodę o nazwie IRT / DNA.
Ponieważ około 90 procent pacjentów z mukowiscydozą w USA i Europie ma co najmniej jedną mutację F508del, zaczęliśmy analizować krew noworodka pod kątem jej obecności, ilekroć poziom IRT był wysoki. Ale po wykonaniu tego dwuetapowego badania przesiewowego IRT / DNA identyfikowani są nie tylko pacjenci z rozpoznaną chorobą, ale także dziesięciokrotnie więcej niemowląt, które są genetycznymi nosicielami choroby.
Ponieważ w ciągu ostatnich dwudziestu lat rozmnażały się badania przesiewowe w kierunku CF, prenatalne i noworodkowe, wiele tysięcy osób, które odkryły, że są nosicielami F508del, a ich zaniepokojeni rodzice często zadawali pytania na temat pochodzenia i znaczenia przenoszenia tej mutacji sami lub w swoich dzieci. Czy cierpieliby z powodu jednej kopii? Czy była korzyść zdrowotna? Frustrowanie dla pediatry specjalizującej się w mukowiscydozie było frustrujące.
Wyzwanie znalezienia źródła mutacji CF.
Chciałem zacząć od początku, kiedy ta mutacja genetyczna po raz pierwszy się pojawi. Określenie tego okresu pozwoliłoby nam zrozumieć, jak mogło ewoluować, aby zapewnić korzyść - przynajmniej początkowo - tym ludziom w Europie, którzy ją mieli. Aby rozszerzyć swoje badania, postanowiłem wziąć urlop naukowy i ćwiczyć epidemiologię podczas kursów w 1993 r. W London School of Hygiene and Tropical Medicine.
Czas był idealny, ponieważ pole starożytnych badań DNA zaczęło kwitnąć. Nowe przełomowe techniki, takie jak reakcja łańcuchowa polimerazy, umożliwiły badanie DNA mumii i innych ludzkich okazów archeologicznych pochodzących z prehistorycznych pochówków. Na przykład przeprowadzono wczesne badania DNA z 5000-letniego tyrolskiego lodziarza, który później stał się znany jako Ötzi.
Typowy prehistoryczny pochówek w przykucniętej pozycji płodowej. (Philip Farrell, CC BY-SA) Zdecydowałem, że możemy odkryć pochodzenie mukowiscydozy, analizując DNA w zębach ludzi z epoki żelaza pochowanych między 700-100 pne na cmentarzach w całej Europie.
Stosując tę strategię, połączyłem siły z archeologami i antropologami, takimi jak Maria Teschler-Nicola w Muzeum Historii Naturalnej w Wiedniu, którzy zapewnili dostęp do 32 szkieletów pochowanych około 350 rpne pod Wiedniem. Genetycy we Francji pobrali DNA ze starożytnych zębów trzonowych i przeanalizowali DNA. Ku naszemu zdziwieniu odkryliśmy obecność mutacji F508del w DNA z trzech z 32 szkieletów.
To odkrycie F508del w pochówkach z epoki żelaza w Europie Środkowej datowanych na radiowęglowy datowany na 350 rpne sugeruje nam, że pierwotna mutacja CF mogła powstać wcześniej. Jednak uzyskanie okazów epoki brązu i neolitu do takich bezpośrednich badań okazało się trudne, ponieważ dostępnych jest mniej pochówków, szkielety nie są tak dobrze zachowane, a każdy cmentarz reprezentuje jedynie plemię lub wioskę. Zamiast polegać na starożytnym DNA, zmieniliśmy naszą strategię badania genów współczesnych ludzi, aby dowiedzieć się, kiedy ta mutacja pojawiła się po raz pierwszy.
Dlaczego miałaby się rozprzestrzeniać szkodliwa mutacja?
Aby znaleźć pochodzenie CF u współczesnych pacjentów, wiedzieliśmy, że musimy dowiedzieć się więcej o mutacji sygnatury - F508del - u ludzi, którzy są nosicielami lub chorują.
Ta niewielka mutacja powoduje utratę jednego aminokwasu z 1480 łańcucha aminokwasowego i zmienia kształt białka na powierzchni komórki, która przemieszcza chlorek do i z komórki. Kiedy to białko jest zmutowane, ludzie niosący dwie jego kopie - jedną od matki i jedną od ojca - są zarażeni gęstym lepkim śluzem w płucach, trzustce i innych narządach. Śluz w ich płucach pozwala bakteriom rozwijać się, niszcząc tkankę i ostatecznie powodując uszkodzenie płuc. W trzustce grube wydzieliny uniemożliwiają gruczołowi dostarczanie enzymów, których organizm potrzebuje do trawienia pokarmu.
Dlaczego więc tak szkodliwa mutacja byłaby przenoszona z pokolenia na pokolenie?
Muzeum Historii Naturalnej w Wiedniu, Austria, mieści dużą kolekcję szkieletów z epoki żelaza i epoki brązu, których kuratorem jest dr Maria Teschler-Nicola. Kolekcje te były źródłem zębów i kości do badania starożytnego DNA i badań nad „Starożytnym początkiem mukowiscydozy”. (Philip Farrell, CC BY-ND) Mutacja tak szkodliwa jak F508del nigdy nie przeżyłaby wśród ludzi z dwoma kopiami zmutowanego genu CFTR, ponieważ prawdopodobnie zmarli wkrótce po urodzeniu. Z drugiej strony osoby z jedną mutacją mogą mieć przewagę w zakresie przetrwania, jak przewidziano w teorii Darwina o „przetrwaniu najsilniejszych”.
Być może najlepszy przykład mutacji sprzyjającej przetrwaniu w stresujących warunkach środowiskowych można znaleźć w Afryce, gdzie śmiertelna malaria była endemiczna od stuleci. Pasożyt wywołujący malarię infekuje czerwone krwinki, w których głównym składnikiem jest hemoglobina białkowa przenosząca tlen. Osoby z prawidłowym genem hemoglobiny są podatne na tę chorobę przenoszoną przez komary. Ale ci, którzy są nosicielami zmutowanego genu „hemoglobiny S”, z tylko jedną kopią, są chronieni przed ciężką malarią. Jednak dwie kopie genu hemoglobiny S powodują chorobę sierpowatą, która może być śmiertelna.
Istnieje wyraźna korzyść z posiadania jednego zmutowanego genu - w rzeczywistości około jeden na 10 Afrykanów ma jedną kopię. Tak więc przez wiele stuleci czynnik środowiskowy sprzyjał przetrwaniu osób noszących jedną kopię mutacji sierp hemoglobiny.
Osoby, które niosą dwie kopie genu sierpowatego, cierpią na anemię sierpowatą, w której komórki krwi stają się sztywne, sierpowate i utkną w naczyniach krwionośnych, powodując ból. Normalne czerwone krwinki to elastyczne dyski, które łatwo przesuwają się przez naczynia. (Designua / Shutterstock.com) Podobnie zastanawialiśmy się, czy przewożenie jednej kopii tej konkretnej mutacji CF przyniosło korzyści zdrowotne podczas ekspozycji na stresujące warunki środowiskowe. Być może, uzasadniliśmy to, dlatego mutacja F508del była powszechna wśród kaukaskich Europejczyków i populacji pochodzących z Europy.
Wskazówki ze współczesnego DNA
Aby odkryć zaletę przekazywania pojedynczego zmutowanego genu F508del z pokolenia na pokolenie, najpierw musieliśmy ustalić, kiedy i gdzie powstała mutacja, abyśmy mogli odkryć korzyści, jakie ta mutacja przyniosła.
Otrzymaliśmy próbki DNA od 190 pacjentów z CF z F508del i ich rodziców zamieszkujących odrębne geograficznie populacje europejskie od Irlandii po Grecję oraz populację pochodzącą z Niemiec w USA. Następnie zidentyfikowaliśmy zbiór markerów genetycznych - zasadniczo sekwencji DNA - w obrębie genu CF i oskrzydlające miejsca na chromosomie. Identyfikując czas pojawienia się tych mutacji w badanych populacjach, byliśmy w stanie oszacować wiek ostatniego wspólnego przodka.
Następnie, poprzez rygorystyczne analizy komputerowe, oszacowaliśmy wiek mutacji CF w każdej populacji mieszkającej w różnych krajach.
Choroby wywołują dwie kopie genu sierpowatego. Ale noszenie jednego egzemplarza zmniejsza ryzyko malarii. Gen jest szeroko rozpowszechniony wśród ludzi żyjących w regionach świata (czerwony), gdzie malaria jest endemiczna. (ellepigrafica) Następnie ustaliliśmy, że wiek najstarszego wspólnego przodka wynosi od 4600 do 4725 lat i powstał w południowo-zachodniej Europie, prawdopodobnie w osadach wzdłuż Oceanu Atlantyckiego i być może w regionie Francji lub Portugalii. Uważamy, że mutacja szybko rozprzestrzeniła się stamtąd do Wielkiej Brytanii i Irlandii, a następnie do populacji Europy Środkowej i Południowo-Wschodniej, takich jak Grecja, gdzie F508del wprowadzono zaledwie około 1000 lat temu.
Kto rozprzestrzenia mutację CF w całej Europie?
Zatem nasze nowo opublikowane dane sugerują, że mutacja F508del powstała we wczesnej epoce brązu i rozprzestrzeniła się z zachodniej na południowo-wschodnią Europę podczas starożytnych migracji.
Ponadto, biorąc pod uwagę zapis archeologiczny, nasze wyniki pozwalają nam wprowadzić nowatorską koncepcję, sugerując, że populacja znana jako lud Bell Bellera była prawdopodobną ludnością migrującą odpowiedzialną za wczesne rozprzestrzenianie się F508del w prehistorycznej Europie. Pojawiły się one przy przejściu z późnego okresu neolitu, około 4000 pne, do wczesnej epoki brązu w trzecim tysiącleciu pne gdzieś w Europie Zachodniej. Wyróżniały je ceramiczne zlewki, pionierska hutnictwo miedzi i brązu na północ od Alp oraz duża mobilność. Wszystkie badania pokazują, że byli oni zmuszeni do intensywnej migracji, podróżując po całej Europie Zachodniej.
Dystrybucja witryn Bell Beaker w całej Europie. (DieKraft za pośrednictwem Wikimedia Commons) W ciągu około 1000 lat sieć małych rodzin i / lub elitarnych plemion rozprzestrzeniała swoją kulturę z zachodu na wschód na regiony ściśle związane z dzisiejszą Unią Europejską, gdzie występuje najwyższa zapadalność na mukowiscydozę. Ich migracje związane są z nadejściem metalurgii Europy Zachodniej i Środkowej, ponieważ produkowali i handlowali wyrobami metalowymi, zwłaszcza bronią, podczas podróży na duże odległości. Spekuluje się również, że ich podróże były motywowane ustanowieniem sieci małżeńskich. Najbardziej istotne dla naszego badania są dowody na to, że migrowali oni w kierunku i przez okres czasu, który dobrze pasuje do naszych wyników. Najnowsze dane genomowe sugerują, że zarówno migracja, jak i transmisja kulturowa odegrały ważną rolę w rozpowszechnianiu „kompleksu zlewek” i doprowadziły do „głębokiej transformacji demograficznej” Wielkiej Brytanii i innych krajów po 2400 rpne
Ustalenie, kiedy F508del został po raz pierwszy wprowadzony w Europie, i odkrycie, gdzie się pojawiło, powinno dostarczyć nowych informacji na temat wysokiego rozpowszechnienia nosicieli - i czy mutacja daje przewagę ewolucyjną. Na przykład Europejczycy z epoki brązu, mimo że migrują na dużą skalę, najwyraźniej uniknęli narażenia na endemiczne choroby zakaźne lub epidemie; dlatego ochrona przed chorobą zakaźną, jak w przypadku mutacji sierpowatej, poprzez tę mutację genetyczną wydaje się mało prawdopodobna.
Gdy więcej informacji o ludziach z epoki brązu i ich praktykach podczas migracji stanie się dostępnych poprzez badania archeologiczne i genomiczne, powinny pojawić się kolejne wskazówki na temat czynników środowiskowych, które sprzyjały ludziom, którzy mieli ten wariant genu. Wtedy możemy być w stanie odpowiedzieć na pytania pacjentów i rodziców dotyczące tego, dlaczego mają mutację CFTR w swojej rodzinie i jakie korzyści to daje.
Przykłady narzędzi i ceramiki stworzonych przez ludzi Bell Beaker. (Benutzer: Thomas Ihle za pośrednictwem niemieckiej Wikipedii, CC BY-SA) Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation.
Philip Farrell, profesor nauk pediatrii i zdrowia populacji, University of Wisconsin-Madison
