Den sorte død kan have påvirket udviklingen af ​​gener involveret i immunresponser mod patogener

Den sorte død kan have påvirket udviklingen af ​​gener involveret i immunresponser mod patogener

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Natur Forskere har indsamlet empiriske beviser for, at tidligere pandemier forårsaget af infektiøse patogener har formet nutidens menneskers modtagelighed for sygdomme som autoimmune sygdomme.

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

baggrund

Pest-pandemien, almindeligvis omtalt som den sorte død, var forårsaget af en bakterieart, Yersinia pestis, som udslettede 30 til 50 % af den afro-eurasiske befolkning og blev den største dødelighedshændelse i menneskehedens historie. Sådanne hidtil usete dødelighedsrater antydede, at allele varianter af immungener, der udløste et immunrespons mod Y. pestis-infektion, kan have været under stærk selektion i denne periode. I alle efterfølgende pestpandemier i Europa faldt dødeligheden markant, sandsynligvis på grund af patogenudvikling, ændrede kulturelle praksisser eller menneskelig genetisk tilpasning til Y. pestis.

Fordi de ikke for nylig har været udsat for pest, ser de europæere, der oplevede den sorte død, ud til at repræsentere en immunologisk naiv befolkning med minimal eller ingen tilpasning til Y. pestis. Men til dato er immunmålene for Y. pestis udvalgt under Den Sorte Død endnu ikke kendt. De fleste beviser for en sammenhæng mellem risikoalleler forbundet med autoimmune sygdomme og tilpasning til tidligere infektionssygdomme forbliver indirekte, da de ætiologiske faktorer, der driver denne selektion, forbliver skjulte.

Om studiet

I denne undersøgelse gravede forskere ældgamle genomiske data frem fra mennesker, der døde lige før, under eller efter Black Death-pandemien i London og Danmark for at karakterisere deres genetiske variationer. Studiets unikke prøveudtagningsdesign hjalp forskere med at skelne genetiske signaturer på grund af Y. pestis fra andre selektive processer, herunder andre infektionssygdomme såsom tuberkulose. Derudover blev det minimeret, i hvilket omfang andre historiske begivenheder, såsom hungersnød, kunne have påvirket konklusionen af ​​positiv selektion.

Holdet besøgte tre London-kirkegårde for at indsamle deoxyribonukleinsyre (DNA) prøver fra mennesker, der døde før, under og efter Den Sorte Død. I London indsamlede de også prøver af alle Black Death-ofre, der døde mellem 1348 og 1349 og blev begravet i East Smithfield. Radiocarbon, stratigrafi og historiske data bekræftede, hvordan disse mennesker døde. Begravelser i London var mere nøjagtigt dateret og geografisk bedre kontrolleret end i Danmark. Dernæst undersøgte holdet danskere fra fem steder over hele landet. De grupperede disse mennesker i dem, der levede i perioden før og efter Den Sorte Død. På den måde sikrede forskerne, at de kun identificerede europæiske mitogenomiske haplotyper.

Forskerne undersøgte 516 prøver, herunder 318 fra London og 198 fra Danmark. De opdagede humant DNA ved hjælp af en modificeret polymerasekædereaktion (PCR) test for det cellulære myelocytomatosis onkogen (c-myc). Derudover identificerede de 360 ​​nukleare loci med tilstrækkelig endogent DNA til efterfølgende berigelse og sekventering.

Forskerne sikrede, at deaminering og andre gamle DNA-skader ikke manifesterede sig som forfalskede genotypeoplysninger. Derfor trimmede de fire basepar (bp) fra starten og slutningen af ​​hver sekvenslæsning. Det endelige undersøgelsesdatasæt inkluderede 33.110 bialleliske varianter med en gennemsnitlig dækning på 4,6 gange aflæsninger pr. sted pr. individ. De bortfiltrerede manglende genotypekald på over 50 % af målwebstederne. Derefter beregnede holdet den mindre allelfrekvens (MAF) pr. population. Endelig beholdt de kun de steder, hvis gennemsnitlige MAF var på mere end 5 % i London og Danmark.

Derudover ledte forskere efter allelvarianter inden for immungener og genom-wide association study (GWAS) loci, der viste uventede ændringer i frekvens mellem prøver før og efter den sorte død for at identificere genvarianter, for hvilke graden af ​​differentiering (FST) var mere end forventet tilfældigt.

I første omgang identificerede holdet 245 almindelige varianter med en MAF større end 10 %. Disse variantalleler var også stærkt differentierede, som angivet ved deres FST, som var >95. percentil var. Forskerne definerede FST ved at bruge neutrale steder, når de sammenlignede prøver fra London før og efter Den Sorte Død. Dernæst argumenterede de for, at alleler, der giver øget modtagelighed for eller beskyttelse mod Y. pestis, bør øges eller falde i hyppighed hos personer, der døde under den sorte død eller hos dem, der blev udtaget efter den sorte død. Dette indsnævrede listen over angiveligt udvalgte loci fra 245 til 35. Til sidst undersøgte de, om disse loci var lige så stærkt differentierede og i samme retning som deres modparter i London.

Derudover undersøgte holdet, om de fire kandidat-loci identificeret i undersøgelsen eller gener i nærheden af ​​dem var involveret i den transkriptionelle reaktion på Y. pestis. Derfor inkuberede de makrofager fra 33 prøver med varmedræbt Y. pestis. Dernæst brugte de ribonukleinsyre (RNA) sekventering til at sammenligne genekspressionsprofilerne for disse prøver med dem for kontrolprøver.

Studieresultater

Funktionelle data fra in vitro-infektionsforsøg bekræftede, at de stærkeste kandidater til positiv selektion var direkte involveret i immunresponset på Y. pestis. Forskerne identificerede fire genetiske loci, der var stærkt differentierede før og efter udbruddet af Den Sorte Død i London. Derfor beregnede de selektionskoefficienterne for hver af disse varianter ved hjælp af en skjult Markov-model (HMM). Det samme gentog sig i den danske årgang som de stærkeste udtagelseskandidater. På grund af den lille stikprøvestørrelse var replikationskraften begrænset. Derfor var nogle af de 245 højt differentierede loci i London sandsynligvis også påvirket af naturlig selektion, selvom de ikke overlevede de konservative filtreringskriterier. Fremtidige undersøgelser, der undersøger den evolutionære rolle af disse varianter i immunresponset på Y. pestis, bør bruge større prøvestørrelser i forbindelse med yderligere funktionelle data.

Syv gener inden for 100 kilobaser af fire kandidat-loci viste en transkriptionel respons på Y. pestis i makrofager, med undtagelse af leucyl- og cysteinylaminopeptidasegenet (LNPEP). In vivo genkendte Toll-lignende receptor 4 (TLR4) Y. pestis ved at genkende dens lipopolysaccharidmembran (LPS). For at undgå denne påvisning deacetylerer bakterier overflade LPS og reducerer derved bindingsaffiniteten for TLR4. Toll-lignende receptor adapter molekyle 2 (TICAM2) hjalp LPS-bundet TLR4 med at komme ind i endosomer og aktivere type I interferon (IFN) responser. Det er derfor muligt, at øget TICAM2-ekspression gav beskyttelse mod Y. pestis.

Forskerne fandt ud af, at det endoplasmatiske reticulum aminopeptidase 2 (ERAP2) locus havde to haplotyper (A og B). I makrofager var reduceret ERAP2-ekspression hos individer, der bar den skadelige rs2248374-G-haplotype B-allel, forbundet med højere ekspression af den trunkerede isoform. Forsøgspersoner med den gavnlige haplotype var i stand til at modstå celledød forårsaget af Y. pestis mere effektivt end forsøgspersoner med den dødelige haplotype. For eksempel var niveauer af IL-1β, et nøgleproinflammatorisk cytokin forbundet med pyroptotisk celledød, tre gange lavere hos individer, der er homozygote for den gavnlige ERAP2-genotype, end hos individer, der er homozygote for den formodet dødelige genotype. Resultaterne kunne dog ikke bekræftes ved in vitro eksperimenter.

Konklusioner

Den nuværende undersøgelse brugte ældgamle genomiske data og funktionel analyse til at indsamle empiriske beviser for, at Y. pestis-infektion påvirkede genetisk diversitet omkring nogle immunlokaliteter. Fire loci, der adskilte sig stærkt før og efter den sorte død forårsaget af Y. pestis, viste sig som de stærkeste kandidater til udvælgelse. ERAP2 viste det mest overbevisende bevis for selektion, med en selektionskoefficient på 0,4.

Dette fund tyder på, at individer, der er homozygote for den gavnlige allel, er ca. 40 % mere tilbøjelige til at overleve Den Sorte Død end individer, der er homozygote for den dødelige allel. Det er muligt, at ERAP2-proteinet øgede præsentationen af ​​Y. pestis-specifikke antigener til CD8+ T-celler og derved stimulerede et beskyttende immunrespons.

ERAP2 var transkriptionelt responsivt på flere patogener, hvilket understøttede dets nøglerolle i reguleringen af ​​immunresponset. Derfor påvirkede selektion udøvet på ERAP2 af Y. pestis immunresponset på andre patogener og sygdomstræk. For eksempel er den selektivt fordelagtige ERAP2-allel en kendt risikofaktor for Crohns sygdom, og dens alleliske variation er blevet forbundet med andre infektionssygdomme.

Ligeledes har undersøgelser vist sammenhængen mellem et andet locus, rs11571319, tæt på cytotoksisk T-lymfocyt-associeret protein 4 (CTLA4), med en øget risiko for reumatoid arthritis og systemisk lupus erythematosus. Faktisk førte tilbageholdelsen af ​​formodet gavnlige alleler af nogle immungener under Den Sorte Død til en øget risiko for autoimmune sygdomme i nutidens befolkning.

Reference:

• 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

.