Черната смърт може да е повлияла на еволюцията на гените, участващи в имунния отговор срещу патогени

Черната смърт може да е повлияла на еволюцията на гените, участващи в имунния отговор срещу патогени

В скорошно проучване, публикувано в Природата Изследователите са събрали емпирични доказателства, че минали пандемии, причинени от инфекциозни патогени, са оформили днешната чувствителност на хората към заболявания като автоимунни заболявания.

Lernen: Die Entwicklung von Immungenen wird mit dem Schwarzen Tod in Verbindung gebracht. Bildquelle: Marcin Osman/Shutterstock

фон

Чумната пандемия, обикновено наричана Черната смърт, е причинена от вид бактерии, Yersinia pestis, които унищожават 30 до 50% от афро-евразийското население и се превръщат в най-голямата смъртност в човешката история. Такива безпрецедентни нива на смъртност предполагат, че алелни варианти на имунни гени, които предизвикват имунен отговор срещу инфекция с Y. pestis, може да са били под силна селекция през този период. При всички последващи чумни пандемии в Европа смъртността е намаляла значително, вероятно поради еволюцията на патогена, променящите се културни практики или човешката генетична адаптация към Y. pestis.

Тъй като не са имали скорошно излагане на чума, европейците, преживели черната смърт, изглежда представляват имунологично наивна популация с минимална или никаква адаптация към Y. pestis. Към днешна дата обаче имунните цели на Y. pestis, избрани по време на Черната смърт, все още не са известни. Повечето доказателства за връзка между рисковите алели, свързани с автоимунни заболявания и адаптирането към предишни инфекциозни заболявания, остават косвени, тъй като етиологичните фактори, движещи тази селекция, остават скрити.

Относно изследването

В настоящото изследване изследователите изкопаха древни геномни данни от хора, починали точно преди, по време или след пандемията от Черната смърт в Лондон и Дания, за да характеризират техните генетични вариации. Уникалният дизайн на изследването за вземане на проби помогна на изследователите да разграничат генетичните подписи, дължащи се на Y. pestis, от други селективни процеси, включително други инфекциозни заболявания като туберкулоза. В допълнение, степента, до която други исторически събития, като глада, биха могли да повлияят на заключението за положителна селекция, беше сведена до минимум.

Екипът посети три лондонски гробища, за да вземе проби от дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК) от хора, починали преди, по време и след Черната смърт. В Лондон те също събраха проби от всички жертви на Черната смърт, починали между 1348 и 1349 г. и погребани в Източен Смитфийлд. Радиовъглерод, стратиграфия и исторически данни потвърждават как тези хора са умрели. Погребенията в Лондон са по-точно датирани и географски по-добре контролирани от тези в Дания. След това екипът анкетира датчани от пет места в цялата страна. Те групираха тези хора в онези, които са живели в периода преди и след Черната смърт. По този начин изследователите гарантират, че идентифицират само европейски митогенни хаплотипове.

Изследователите са изследвали 516 проби, включително 318 от Лондон и 198 от Дания. Те откриха човешка ДНК с помощта на модифициран тест за полимеразна верижна реакция (PCR) за онкогенния ген на клетъчната миелоцитоматоза (c-myc). В допълнение, те идентифицираха 360 ядрени локуса с достатъчно ендогенна ДНК за последващо обогатяване и секвениране.

Изследователите гарантират, че дезаминирането и други древни увреждания на ДНК не се проявяват като фалшифицирана информация за генотипа. Следователно, те подрязаха четири базови двойки (bp) от началото и края на всяко четене на последователността. Окончателният набор от данни от проучването включва 33 110 двуалелни варианта със средно покритие от 4,6 пъти четения на сайт на индивид. Те филтрираха липсващите генотипове в над 50% от целевите сайтове. След това екипът изчислява честотата на второстепенните алели (MAF) за популация. И накрая, те запазиха само сайтовете, чийто среден MAF беше средно над 5% в Лондон и Дания.

В допълнение, изследователите са търсили алелни варианти в рамките на имунните гени и локусите на изследване на асоциациите в целия геном (GWAS), които показват неочаквани промени в честотата между пробите преди и след Черната смърт, за да идентифицират генни варианти, за които степента на диференциация (FST) е била повече от очакваното случайно.

Първоначално екипът идентифицира 245 често срещани варианта с MAF над 10%. Тези вариантни алели също са силно диференцирани, както е посочено от техния FST, който е>95. процентил беше. Изследователите определят FST, използвайки неутрални места, когато сравняват проби от Лондон преди и след Черната смърт. След това те твърдят, че алелите, които придават повишена чувствителност към или защита срещу Y. pestis, трябва да се увеличават или намаляват по честота при хора, умрели по време на Черната смърт или съответно при тези, взети след Черната смърт. Това стеснява списъка с предполагаемо избрани локуси от 245 на 35. Накрая те изследват дали тези локуси са толкова силно диференцирани и в същата посока като техните лондонски колеги.

В допълнение, екипът изследва дали четирите кандидат-локуса, идентифицирани в изследването, или гени в близост до тях са включени в транскрипционния отговор на Y. pestis. Затова те инкубираха макрофаги от 33 проби с убит от топлина Y. pestis. След това те използваха секвениране на рибонуклеинова киселина (РНК), за да сравнят профилите на генната експресия на тези проби с тези на контролните проби.

Резултати от изследването

Функционалните данни от експерименти с ин витро инфекция потвърдиха, че най-силните кандидати за положителна селекция са пряко включени в имунния отговор към Y. pestis. Изследователите идентифицираха четири генетични локуса, които бяха силно диференцирани преди и след избухването на Черната смърт в Лондон. Следователно, те изчисляват коефициентите на подбор за всеки от тези варианти, използвайки скрит модел на Марков (HMM). Същото се повтори и в датската кохорта като най-силни кандидати за подбор. Поради малкия размер на извадката мощността на репликация беше ограничена. Следователно, някои от 245-те силно диференцирани локуса в Лондон вероятно също са били засегнати от естествения подбор, въпреки че не са преживели консервативните критерии за филтриране. Бъдещите проучвания, изследващи еволюционната роля на тези варианти в имунния отговор към Y. pestis, трябва да използват по-големи размери на пробите във връзка с допълнителни функционални данни.

Седем гена в рамките на 100 килобази от четири кандидат локуса показват транскрипционен отговор на Y. pestis в макрофагите, с изключение на гена на левцил и цистеинил аминопептидаза (LNPEP). In vivo, Toll-подобен рецептор 4 (TLR4) разпознава Y. pestis чрез разпознаване на неговата липополизахаридна мембрана (LPS). За да се избегне това откриване, бактериите деацетилират повърхностния LPS, като по този начин намаляват афинитета на свързване за TLR4. Toll-подобна рецепторна адаптерна молекула 2 (TICAM2) помогна на LPS-свързания TLR4 да навлезе в ендозоми и да активира отговорите на интерферон тип I (IFN). Следователно е възможно повишената експресия на TICAM2 да осигури защита срещу Y. pestis.

Изследователите открили, че локусът на аминопептидаза 2 на ендоплазмения ретикулум (ERAP2) има два хаплотипа (A и B). В макрофагите намалената експресия на ERAP2 при индивиди, носещи вредния алел за хаплотип B rs2248374-G, се свързва с по-висока експресия на пресечената изоформа. Субекти с полезен хаплотип са били в състояние да устоят на клетъчната смърт, причинена от Y. pestis, по-ефективно от субекти с летален хаплотип. Например, нивата на IL-1β, ключов провъзпалителен цитокин, свързан с пироптотична клетъчна смърт, са три пъти по-ниски при индивиди, хомозиготни за полезния ERAP2 генотип, отколкото при индивиди, хомозиготни за предполагаемо леталния генотип. Резултатите обаче не могат да бъдат потвърдени от in vitro експерименти.

Изводи

Настоящото проучване използва древни геномни данни и функционален анализ, за ​​да събере емпирични доказателства, че инфекцията с Y. pestis засяга генетичното разнообразие около някои имунни локуси. Четири локуса, които са силно диференцирани преди и след Черната смърт, причинена от Y. pestis, се очертават като най-силните кандидати за селекция. ERAP2 показа най-убедителното доказателство за селекция, с коефициент на селекция от 0,4.

Това откритие предполага, че индивидите, хомозиготни за полезния алел, имат приблизително 40% по-голяма вероятност да оцелеят след Черната смърт, отколкото индивидите, хомозиготни за смъртоносния алел. Възможно е протеинът ERAP2 да увеличи представянето на Y. pestis-специфични антигени към CD8+ Т клетки, като по този начин стимулира защитен имунен отговор.

ERAP2 реагира транскрипционно на множество патогени, подкрепяйки ключовата му роля в регулирането на имунния отговор. Следователно, селекцията, упражнена върху ERAP2 от Y. pestis, повлиява имунния отговор към други патогени и болестни черти. Например, селективно благоприятният алел ERAP2 е известен рисков фактор за болестта на Crohn и неговата алелна вариация е свързана с други инфекциозни заболявания.

По същия начин проучванията показват връзката на друг локус, rs11571319, близък до цитотоксичния Т-лимфоцит-асоцииран протеин 4 (CTLA4), с повишен риск от ревматоиден артрит и системен лупус еритематозус. Всъщност запазването на предполагаеми полезни алели на някои имунни гени по време на Черната смърт е довело до повишен риск от автоимунни заболявания сред днешното население.

Справка:

• Klunk, J., Vilgalys, T., Demeure, C., Cheng, X., Shiratori, M. & Madej, J. et al. (2022). Die Entwicklung von Immungenen wird mit dem Schwarzen Tod in Verbindung gebracht. Natur. doi: 10.1038/s41586-022-05349-x https://www.nature.com/articles/s41586-022-05349-x

.