Černá smrt mohla ovlivnit vývoj genů zapojených do imunitních reakcí proti patogenům

Černá smrt mohla ovlivnit vývoj genů zapojených do imunitních reakcí proti patogenům

V nedávné studii publikované v Příroda Vědci shromáždili empirické důkazy, že minulé pandemie způsobené infekčními patogeny formovaly dnešní lidskou náchylnost k nemocem, jako jsou autoimunitní onemocnění.

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

pozadí

Morovou pandemii, běžně označovanou jako černá smrt, způsobil druh bakterie Yersinia pestis, která vyhubila 30 až 50 % afro-euroasijské populace a stala se největší úmrtností v historii lidstva. Taková bezprecedentní úmrtnost naznačovala, že alelické varianty imunitních genů, které spustily imunitní odpověď proti infekci Y. pestis, mohly být v tomto období pod silnou selekcí. Ve všech následujících morových pandemiích v Evropě se úmrtnost výrazně snížila, pravděpodobně v důsledku evoluce patogenů, měnících se kulturních postupů nebo lidské genetické adaptace na Y. pestis.

Protože nebyli v nedávné době vystaveni moru, zdá se, že Evropané, kteří zažili černou smrt, představují imunologicky naivní populaci s minimální nebo žádnou adaptací na Y. pestis. Dosud však nejsou známy imunitní cíle Y. pestis vybrané během černé smrti. Většina důkazů o souvislosti mezi rizikovými alelami spojenými s autoimunitními onemocněními a adaptací na předchozí infekční onemocnění zůstává nepřímá, protože etiologické faktory, které řídí tento výběr, zůstávají skryté.

O studiu

V této studii výzkumníci vykopali starověká genomická data od lidí, kteří zemřeli těsně před, během nebo po pandemii černé smrti v Londýně a Dánsku, aby charakterizovali jejich genetické variace. Jedinečný vzor vzorkování studie pomohl výzkumníkům odlišit genetické podpisy způsobené Y. pestis od jiných selektivních procesů, včetně jiných infekčních chorob, jako je tuberkulóza. Navíc byl minimalizován rozsah, v jakém mohly závěr pozitivního výběru ovlivnit jiné historické události, jako je hladomor.

Tým navštívil tři londýnské hřbitovy, aby shromáždil vzorky deoxyribonukleové kyseliny (DNA) od lidí, kteří zemřeli před, během a po černé smrti. V Londýně také shromáždili vzorky všech obětí černé smrti, které zemřely mezi lety 1348 a 1349 a byly pohřbeny v East Smithfield. Radiokarbon, stratigrafie a historická data potvrdily, jak tito lidé zemřeli. Pohřby v Londýně byly přesněji datovány a geograficky lépe kontrolovány než pohřby v Dánsku. Dále tým zkoumal Dány z pěti míst po celé zemi. Seskupovali tyto lidi do těch, kteří žili v období před a po černé smrti. Tímto způsobem vědci zajistili, že identifikovali pouze evropské mitogenomické haplotypy.

Vědci zkoumali 516 vzorků, z toho 318 z Londýna a 198 z Dánska. Lidskou DNA objevili pomocí testu modifikované polymerázové řetězové reakce (PCR) na gen pro onkogen buněčné myelocytomatózy (c-myc). Kromě toho identifikovali 360 jaderných lokusů s dostatkem endogenní DNA pro následné obohacení a sekvenování.

Vědci zajistili, že deaminace a další starověké poškození DNA se neprojevily jako zfalšované informace o genotypu. Proto ořízli čtyři páry bází (bp) od začátku a konce každého čtení sekvenování. Konečný datový soubor studie zahrnoval 33 110 bialelických variant s průměrným pokrytím 4,6násobným přečtením na místo na jednotlivce. Odfiltrovali chybějící volání genotypů na více než 50 % cílových míst. Dále tým vypočítal frekvenci minoritních alel (MAF) na populaci. Nakonec si ponechali pouze stránky, jejichž průměrná hodnota MAF byla v Londýně a Dánsku v průměru více než 5 %.

Kromě toho výzkumníci hledali alelické varianty v rámci imunitních genů a lokusů genomové asociační studie (GWAS), které ukázaly neočekávané změny ve frekvenci mezi vzorky před a po černé smrti, aby identifikovali genové varianty, u kterých byl stupeň diferenciace (FST) více, než se očekávalo náhodou.

Zpočátku tým identifikoval 245 běžných variant s MAF větším než 10 %. Tyto variantní alely byly také vysoce diferencované, jak naznačuje jejich FST, která byla >95. percentil byl. Vědci definovali FST pomocí neutrálních míst při srovnávání vzorků z Londýna před a po černé smrti. Dále tvrdili, že alely, které propůjčují zvýšenou vnímavost nebo ochranu proti Y. pestis, by měly zvýšit nebo snížit frekvenci u lidí, kteří zemřeli během černé smrti, nebo u těch, kteří byli odebíráni po černé smrti, v daném pořadí. Tím se zúžil seznam údajně vybraných lokusů z 245 na 35. Nakonec zkoumali, zda jsou tyto lokusy stejně vysoce diferencované a ve stejném směru jako jejich londýnské protějšky.

Kromě toho tým zkoumal, zda se čtyři kandidátní lokusy identifikované ve studii nebo geny v jejich blízkosti podílely na transkripční odpovědi na Y. pestis. Proto inkubovali makrofágy z 33 vzorků s teplem usmrceným Y. pestis. Dále použili sekvenování ribonukleové kyseliny (RNA) k porovnání profilů genové exprese těchto vzorků s profily kontrolních vzorků.

Výsledky studie

Funkční data z in vitro infekčních experimentů potvrdila, že nejsilnější kandidáti na pozitivní selekci byli přímo zapojeni do imunitní odpovědi na Y. pestis. Vědci identifikovali čtyři genetická lokusy, které byly vysoce diferencované před a po vypuknutí černé smrti v Londýně. Vypočítali proto selekční koeficienty pro každou z těchto variant pomocí skrytého Markovova modelu (HMM). Totéž se opakovalo v dánské kohortě jako nejsilnější výběr kandidátů. Vzhledem k malé velikosti vzorku byla replikační síla omezená. Proto některé z 245 vysoce diferencovaných lokusů v Londýně byly pravděpodobně také ovlivněny přirozeným výběrem, ačkoli nepřežily konzervativní kritéria filtrování. Budoucí studie zkoumající evoluční roli těchto variant v imunitní odpovědi na Y. pestis by měly používat větší velikosti vzorků ve spojení s dalšími funkčními daty.

Sedm genů v rámci 100 kilobází čtyř kandidátních lokusů vykazovalo transkripční odpověď na Y. pestis v makrofázích, s výjimkou genu pro leucyl a cysteinyl aminopeptidázu (LNPEP). In vivo Toll-like receptor 4 (TLR4) rozpoznal Y. pestis rozpoznáním jeho lipopolysacharidové membrány (LPS). Aby se zabránilo této detekci, bakterie deacetylují povrchový LPS, čímž se sníží vazebná afinita pro TLR4. Molekula 2 adaptéru Toll-like receptoru (TICAM2) pomohla LPS vázanému TLR4 vstoupit do endozomů a aktivovat reakce interferonu typu I (IFN). Je tedy možné, že zvýšená exprese TICAM2 poskytla ochranu proti Y. pestis.

Vědci zjistili, že lokus aminopeptidázy 2 endoplazmatického retikula (ERAP2) měl dva haplotypy (A a B). V makrofázích byla snížená exprese ERAP2 u jedinců nesoucích škodlivou alelu rs2248374-G haplotypu B spojena s vyšší expresí zkrácené izoformy. Jedinci s prospěšným haplotypem byli schopni odolávat buněčné smrti způsobené Y. pestis účinněji než jedinci s letálním haplotypem. Například hladiny IL-lp, klíčového prozánětlivého cytokinu spojeného s pyroptotickou buněčnou smrtí, byly třikrát nižší u jedinců homozygotních pro prospěšný genotyp ERAP2 než u jedinců homozygotních pro domněle letální genotyp. Výsledky však nemohly být potvrzeny experimenty in vitro.

Závěry

Současná studie použila starověká genomická data a funkční analýzu ke shromáždění empirických důkazů, že infekce Y. pestis ovlivnila genetickou rozmanitost kolem některých imunitních lokusů. Čtyři lokusy, které se silně diferencovaly před a po černé smrti způsobené Y. pestis, se ukázaly jako nejsilnější kandidáti na selekci. ERAP2 ukázal nejpřesvědčivější důkaz pro výběr s koeficientem výběru 0,4.

Toto zjištění naznačuje, že jedinci homozygotní pro prospěšnou alelu mají přibližně o 40 % vyšší pravděpodobnost, že přežijí černou smrt než jedinci homozygotní pro smrtelnou alelu. Je možné, že protein ERAP2 zvýšil prezentaci specifických antigenů Y. pestis CD8+ T buňkám, čímž stimuloval ochrannou imunitní odpověď.

ERAP2 byl transkripčně citlivý na více patogenů, což podporuje jeho klíčovou roli při regulaci imunitní odpovědi. Proto selekce prováděná na ERAP2 pomocí Y. pestis ovlivnila imunitní odpověď na jiné patogeny a znaky onemocnění. Například selektivně výhodná alela ERAP2 je známým rizikovým faktorem Crohnovy choroby a její alelická variace je spojována s jinými infekčními chorobami.

Podobně studie prokázaly asociaci dalšího lokusu, rs11571319, v blízkosti cytotoxického proteinu 4 asociovaného s T lymfocyty (CTLA4), se zvýšeným rizikem revmatoidní artritidy a systémového lupus erythematodes. Ve skutečnosti retence údajně prospěšných alel některých imunitních genů během černé smrti vedlo ke zvýšenému riziku autoimunitních onemocnění v dnešní populaci.

Odkaz:

• 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

.