Ο Μαύρος Θάνατος μπορεί να επηρέασε την εξέλιξη των γονιδίων που εμπλέκονται στις ανοσολογικές αποκρίσεις ενάντια στα παθογόνα

Ο Μαύρος Θάνατος μπορεί να επηρέασε την εξέλιξη των γονιδίων που εμπλέκονται στις ανοσολογικές αποκρίσεις ενάντια στα παθογόνα

Σε πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Φύση Οι ερευνητές έχουν συγκεντρώσει εμπειρικά στοιχεία ότι παλαιότερες πανδημίες που προκλήθηκαν από μολυσματικά παθογόνα έχουν διαμορφώσει τη σημερινή ευαισθησία του ανθρώπου σε ασθένειες όπως τα αυτοάνοσα νοσήματα.

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

φόντο

Η πανδημία της πανώλης, που συνήθως αναφέρεται ως ο Μαύρος Θάνατος, προκλήθηκε από ένα είδος βακτηρίων, το Yersinia pestis, το οποίο εξάλειψε το 30 έως 50% του αφρο-ευρασιατικού πληθυσμού και έγινε το μεγαλύτερο γεγονός θνησιμότητας στην ανθρώπινη ιστορία. Τέτοια πρωτοφανή ποσοστά θνησιμότητας υποδηλώνουν ότι οι αλληλικές παραλλαγές των γονιδίων του ανοσοποιητικού που προκάλεσαν μια ανοσοαπόκριση έναντι της μόλυνσης από Y. pestis μπορεί να ήταν υπό έντονη επιλογή κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Σε όλες τις επακόλουθες πανδημίες πανώλης στην Ευρώπη, τα ποσοστά θνησιμότητας μειώθηκαν σημαντικά, πιθανώς λόγω της εξέλιξης των παθογόνων, της αλλαγής πολιτισμικών πρακτικών ή της ανθρώπινης γενετικής προσαρμογής στο Y. pestis.

Επειδή δεν είχαν πρόσφατη έκθεση στην πανώλη, οι Ευρωπαίοι που βίωσαν τον Μαύρο Θάνατο φαίνεται να αντιπροσωπεύουν έναν ανοσολογικά αφελή πληθυσμό με ελάχιστη ή καθόλου προσαρμογή στο Y. pestis. Ωστόσο, μέχρι σήμερα, οι ανοσοποιητικοί στόχοι του Y. pestis που επιλέχθηκαν κατά τη διάρκεια του Μαύρου Θανάτου δεν είναι ακόμη γνωστοί. Τα περισσότερα στοιχεία για σύνδεση μεταξύ των αλληλόμορφων κινδύνου που σχετίζονται με αυτοάνοσα νοσήματα και της προσαρμογής σε προηγούμενες μολυσματικές ασθένειες παραμένουν έμμεσα, καθώς οι αιτιολογικοί παράγοντες που οδηγούν αυτήν την επιλογή παραμένουν κρυφοί.

Σχετικά με τη μελέτη

Στην παρούσα μελέτη, οι ερευνητές ανακάλυψαν αρχαία γονιδιωματικά δεδομένα από ανθρώπους που πέθαναν λίγο πριν, κατά τη διάρκεια ή μετά την πανδημία του Μαύρου Θανάτου στο Λονδίνο και τη Δανία για να χαρακτηρίσουν τις γενετικές τους παραλλαγές. Ο μοναδικός σχεδιασμός δειγματοληψίας της μελέτης βοήθησε τους ερευνητές να διακρίνουν τις γενετικές υπογραφές που οφείλονται στο Y. pestis από άλλες επιλεκτικές διαδικασίες, συμπεριλαμβανομένων άλλων μολυσματικών ασθενειών όπως η φυματίωση. Επιπλέον, ελαχιστοποιήθηκε ο βαθμός στον οποίο άλλα ιστορικά γεγονότα, όπως ο λιμός, θα μπορούσαν να έχουν επηρεάσει το συμπέρασμα της θετικής επιλογής.

Η ομάδα επισκέφτηκε τρία νεκροταφεία του Λονδίνου για να συλλέξει δείγματα δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος (DNA) από ανθρώπους που πέθαναν πριν, κατά τη διάρκεια και μετά τον Μαύρο Θάνατο. Στο Λονδίνο συνέλεξαν επίσης δείγματα όλων των θυμάτων του Μαύρου Θανάτου που πέθαναν μεταξύ 1348 και 1349 και θάφτηκαν στο East Smithfield. Ο ραδιενεργός άνθρακας, η στρωματογραφία και τα ιστορικά δεδομένα επιβεβαίωσαν τον τρόπο με τον οποίο πέθαναν αυτοί οι άνθρωποι. Οι ταφές στο Λονδίνο χρονολογήθηκαν με μεγαλύτερη ακρίβεια και γεωγραφικά καλύτερα ελεγχόμενες από αυτές στη Δανία. Στη συνέχεια, η ομάδα ερεύνησε Δανούς από πέντε τοποθεσίες σε όλη τη χώρα. Ομαδοποίησαν αυτούς τους ανθρώπους σε αυτούς που έζησαν την περίοδο πριν και μετά τον Μαύρο Θάνατο. Με αυτόν τον τρόπο, οι ερευνητές εξασφάλισαν ότι εντόπισαν μόνο ευρωπαϊκούς μιτογόνους απλότυπους.

Οι ερευνητές εξέτασαν 516 δείγματα, συμπεριλαμβανομένων 318 από το Λονδίνο και 198 από τη Δανία. Ανακάλυψαν το ανθρώπινο DNA χρησιμοποιώντας μια δοκιμασία τροποποιημένης αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης (PCR) για το γονίδιο του ογκογονιδίου της κυτταρικής μυελοκυτταρωμάτωσης (c-myc). Επιπλέον, εντόπισαν 360 πυρηνικούς τόπους με επαρκές ενδογενές DNA για επακόλουθο εμπλουτισμό και αλληλούχιση.

Οι ερευνητές διασφάλισαν ότι η απαμίνωση και άλλες βλάβες στο αρχαίο DNA δεν εμφανίζονταν ως παραποιημένες πληροφορίες γονότυπου. Επομένως, έκοψαν τέσσερα ζεύγη βάσεων (bp) από την αρχή και το τέλος κάθε ανάγνωσης αλληλουχίας. Το τελικό σύνολο δεδομένων της μελέτης περιελάμβανε 33.110 διαλληλικές παραλλαγές με μέση κάλυψη 4,6 φορές αναγνώσεις ανά τοποθεσία ανά άτομο. Διέγραψαν κλήσεις γονότυπου που λείπουν σε πάνω από το 50% των στόχων. Στη συνέχεια, η ομάδα υπολόγισε τη συχνότητα ελάσσονος αλληλόμορφου (MAF) ανά πληθυσμό. Τέλος, διατήρησαν μόνο τις τοποθεσίες των οποίων ο μέσος όρος MAF ήταν πάνω από 5% στο Λονδίνο και τη Δανία.

Επιπλέον, οι ερευνητές αναζήτησαν αλληλόμορφες παραλλαγές σε ανοσογονίδια και θέσεις μελέτης συσχέτισης σε επίπεδο γονιδιώματος (GWAS) που έδειξαν απροσδόκητες αλλαγές στη συχνότητα μεταξύ δειγμάτων πριν και μετά τον Μαύρο Θάνατο για να εντοπίσουν παραλλαγές γονιδίων για τις οποίες ο βαθμός διαφοροποίησης (FST) ήταν περισσότερο από τον αναμενόμενο κατά τύχη.

Αρχικά, η ομάδα εντόπισε 245 κοινές παραλλαγές με MAF μεγαλύτερο από 10%. Αυτά τα παραλλαγμένα αλληλόμορφα ήταν επίσης σε μεγάλο βαθμό διαφοροποιημένα, όπως υποδεικνύεται από το FST τους, το οποίο ήταν >95. εκατοστημόριο ήταν. Οι ερευνητές όρισαν το FST χρησιμοποιώντας ουδέτερες τοποθεσίες κατά τη σύγκριση δειγμάτων από το Λονδίνο πριν και μετά τον Μαύρο Θάνατο. Στη συνέχεια, υποστήριξαν ότι τα αλληλόμορφα που προσδίδουν αυξημένη ευαισθησία ή προστασία έναντι του Y. pestis θα πρέπει να αυξάνουν ή να μειώνουν σε συχνότητα σε άτομα που πέθαναν κατά τη διάρκεια του Μαύρου Θανάτου ή σε αυτούς που ελήφθησαν δείγμα μετά τον Μαύρο Θάνατο, αντίστοιχα. Αυτό μείωσε τον κατάλογο των υποτιθέμενων επιλεγμένων τόπων από 245 σε 35. Τέλος, εξέτασαν εάν αυτοί οι τόποι ήταν τόσο διαφοροποιημένοι και στην ίδια κατεύθυνση με τους ομολόγους τους στο Λονδίνο.

Επιπλέον, η ομάδα εξέτασε εάν οι τέσσερις υποψήφιοι τόποι που εντοπίστηκαν στη μελέτη ή γονίδια κοντά τους εμπλέκονταν στη μεταγραφική απόκριση στο Y. pestis. Ως εκ τούτου, επώασαν μακροφάγα από 33 δείγματα με Y. pestis που σκοτώθηκε από τη θερμότητα. Στη συνέχεια, χρησιμοποίησαν αλληλουχία ριβονουκλεϊκού οξέος (RNA) για να συγκρίνουν τα προφίλ γονιδιακής έκφρασης αυτών των δειγμάτων με αυτά των δειγμάτων ελέγχου.

Αποτελέσματα μελέτης

Λειτουργικά δεδομένα από πειράματα λοιμώξεων in vitro επιβεβαίωσαν ότι οι ισχυρότεροι υποψήφιοι για θετική επιλογή εμπλέκονταν άμεσα στην ανοσολογική απόκριση στο Y. pestis. Οι ερευνητές εντόπισαν τέσσερις γενετικούς τόπους που είχαν μεγάλη διαφοροποίηση πριν και μετά το ξέσπασμα του Μαύρου Θανάτου στο Λονδίνο. Επομένως, υπολόγισαν τους συντελεστές επιλογής για καθεμία από αυτές τις παραλλαγές χρησιμοποιώντας ένα κρυφό μοντέλο Markov (HMM). Το ίδιο επαναλήφθηκε στη δανική κοόρτη ως οι ισχυρότεροι υποψήφιοι επιλογής. Λόγω του μικρού μεγέθους δείγματος, η ισχύς αναπαραγωγής ήταν περιορισμένη. Ως εκ τούτου, μερικοί από τους 245 εξαιρετικά διαφοροποιημένους τόπους στο Λονδίνο πιθανότατα επηρεάστηκαν επίσης από τη φυσική επιλογή, αν και δεν επιβίωσαν των συντηρητικών κριτηρίων φιλτραρίσματος. Μελλοντικές μελέτες που εξετάζουν τον εξελικτικό ρόλο αυτών των παραλλαγών στην ανοσολογική απόκριση στο Y. pestis θα πρέπει να χρησιμοποιούν μεγαλύτερα μεγέθη δειγμάτων σε συνδυασμό με πρόσθετα λειτουργικά δεδομένα.

Επτά γονίδια εντός 100 κιλοβάσεων τεσσάρων υποψήφιων θέσεων έδειξαν μεταγραφική απόκριση στο Υ. pestis σε μακροφάγους, με εξαίρεση το γονίδιο λευκυλο και κυστεϊνυλο αμινοπεπτιδάσης (LNPEP). Ιη νίνο, ο υποδοχέας τύπου Toll 4 (TLR4) αναγνώρισε το Υ. pestis αναγνωρίζοντας τη μεμβράνη λιποπολυσακχαρίτη του (LPS). Για να αποφευχθεί αυτή η ανίχνευση, τα βακτήρια αποακετυλιώνουν το LPS της επιφάνειας, μειώνοντας έτσι τη συγγένεια δέσμευσης για το TLR4. Το μόριο 2 προσαρμογέα υποδοχέα τύπου Toll (TICAM2) βοήθησε το συνδεδεμένο με LPS TLR4 να εισέλθει στα ενδοσώματα και να ενεργοποιήσει αποκρίσεις ιντερφερόνης τύπου Ι (IFN). Είναι επομένως πιθανό ότι η αυξημένη έκφραση TICAM2 προσέφερε προστασία έναντι του Y. pestis.

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ο τόπος της αμινοπεπτιδάσης 2 του ενδοπλασματικού δικτύου (ERAP2) είχε δύο απλότυπους (Α και Β). Στα μακροφάγα, η μειωμένη έκφραση ERAP2 σε άτομα που φέρουν το επιβλαβές αλληλόμορφο rs2248374-G απλότυπου Β συσχετίστηκε με υψηλότερη έκφραση της κολοβωμένης ισομορφής. Τα άτομα με τον ευεργετικό απλότυπο ήταν σε θέση να αντισταθούν στον κυτταρικό θάνατο που προκλήθηκε από το Y. pestis πιο αποτελεσματικά από τα άτομα με τον θανατηφόρο απλότυπο. Για παράδειγμα, τα επίπεδα της IL-1β, μιας βασικής προφλεγμονώδους κυτοκίνης που σχετίζεται με πυροπτωτικό κυτταρικό θάνατο, ήταν τρεις φορές χαμηλότερα σε άτομα ομόζυγα για τον ευεργετικό γονότυπο ERAP2 από ό,τι σε άτομα ομόζυγα για τον πιθανώς θανατηφόρο γονότυπο. Ωστόσο, τα αποτελέσματα δεν μπορούσαν να επιβεβαιωθούν με πειράματα in vitro.

συμπεράσματα

Η τρέχουσα μελέτη χρησιμοποίησε αρχαία γονιδιωματικά δεδομένα και λειτουργική ανάλυση για να συγκεντρώσει εμπειρικά στοιχεία ότι η μόλυνση από το Y. pestis επηρέασε τη γενετική ποικιλότητα γύρω από ορισμένους ανοσολογικούς τόπους. Τέσσερις τόποι που διαφοροποιήθηκαν έντονα πριν και μετά τον Μαύρο Θάνατο που προκλήθηκε από το Y. pestis αναδείχθηκαν ως οι ισχυρότεροι υποψήφιοι για επιλογή. Το ERAP2 έδειξε τα πιο πειστικά στοιχεία για την επιλογή, με συντελεστή επιλογής 0,4.

Αυτό το εύρημα υποδηλώνει ότι τα άτομα που είναι ομόζυγα για το ευεργετικό αλληλόμορφο έχουν περίπου 40% περισσότερες πιθανότητες να επιβιώσουν από τον Μαύρο Θάνατο από τα άτομα που είναι ομόζυγα για το θανατηφόρο αλληλόμορφο. Είναι πιθανό ότι η πρωτεΐνη ERAP2 αύξησε την παρουσίαση των ειδικών για το Υ. pestis αντιγόνων στα CD8+ Τ κύτταρα, διεγείροντας έτσι μια προστατευτική ανοσοαπόκριση.

Το ERAP2 αποκρίθηκε μεταγραφικά σε πολλαπλά παθογόνα, υποστηρίζοντας τον βασικό του ρόλο στη ρύθμιση της ανοσολογικής απόκρισης. Επομένως, η επιλογή που ασκήθηκε στο ERAP2 από το Y. pestis επηρέασε την ανοσολογική απόκριση σε άλλα παθογόνα και χαρακτηριστικά της νόσου. Για παράδειγμα, το επιλεκτικά πλεονεκτικό αλληλόμορφο ERAP2 είναι ένας γνωστός παράγοντας κινδύνου για τη νόσο του Crohn και η αλληλική παραλλαγή του έχει συνδεθεί με άλλες μολυσματικές ασθένειες.

Ομοίως, μελέτες έχουν δείξει τη συσχέτιση ενός άλλου τόπου, του rs11571319, κοντά στην κυτταροτοξική πρωτεΐνη 4 που σχετίζεται με τα λεμφοκύτταρα Τ (CTLA4), με αυξημένο κίνδυνο ρευματοειδούς αρθρίτιδας και συστηματικού ερυθηματώδους λύκου. Στην πραγματικότητα, η διατήρηση των υποτιθέμενων ωφέλιμων αλληλόμορφων ορισμένων γονιδίων του ανοσοποιητικού κατά τη διάρκεια του Μαύρου Θανάτου οδήγησε σε αυξημένο κίνδυνο αυτοάνοσων νοσημάτων στον σημερινό πληθυσμό.

Αναφορά:

• 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

.