Must surm võis mõjutada patogeenide vastu suunatud immuunvastustes osalevate geenide arengut

Must surm võis mõjutada patogeenide vastu suunatud immuunvastustes osalevate geenide arengut

aastal avaldatud hiljutises uuringus Loodus Teadlased on kogunud empiirilisi tõendeid selle kohta, et nakkuslike patogeenide põhjustatud minevikupandeemiad on kujundanud tänapäeva inimese vastuvõtlikkust sellistele haigustele nagu autoimmuunhaigused.

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

taustal

Katku pandeemia, mida tavaliselt nimetatakse mustaks surmaks, põhjustas bakteriliik Yersinia pestis, mis hävitas 30–50% Afro-Euraasia elanikkonnast ja sellest sai suurim suremusjuhtum inimkonna ajaloos. Sellised enneolematud suremusnäitajad viitasid sellele, et immuungeenide alleelsed variandid, mis käivitasid immuunvastuse Y. pestis'e nakkuse vastu, võisid sel perioodil olla tugeva valiku all. Kõigi järgnevate katku pandeemiate puhul Euroopas langes suremus märkimisväärselt, tõenäoliselt patogeenide evolutsiooni, kultuuriliste tavade muutumise või inimese geneetilise kohanemise tõttu Y. pestisega.

Kuna nad ei puutunud hiljuti kokku katkuga, näivad musta surma kogenud eurooplased esindavat immunoloogiliselt naiivset populatsiooni, kes on kohanenud Y. pestisega minimaalselt või üldse mitte. Kuid praeguseks ei ole musta surma ajal valitud Y. pestis'e immuunsihtmärgid veel teada. Enamik tõendeid seose kohta autoimmuunhaigustega seotud riskialleelide ja varasemate nakkushaigustega kohanemise vahel jääb kaudseks, kuna seda valikut põhjustavad etioloogilised tegurid jäävad varjatuks.

Uuringu kohta

Käesolevas uuringus kaevasid teadlased välja iidsed genoomiandmed inimestelt, kes surid vahetult enne musta surma pandeemiat, selle ajal või pärast seda Londonis ja Taanis, et iseloomustada nende geneetilisi variatsioone. Uuringu ainulaadne proovivõtukava aitas teadlastel eristada Y. pestis'e põhjustatud geneetilisi allkirju muudest selektiivsetest protsessidest, sealhulgas muudest nakkushaigustest, nagu tuberkuloos. Lisaks viidi miinimumini see, mil määral muud ajaloolised sündmused, nagu nälg, võisid mõjutada positiivse valiku järeldust.

Meeskond külastas kolme Londoni kalmistut, et koguda desoksüribonukleiinhappe (DNA) proove inimestelt, kes surid enne musta surma, selle ajal ja pärast seda. Londonis kogusid nad ka proove kõigist musta surma ohvritest, kes surid aastatel 1348–1349 ja maeti East Smithfieldi. Radiosüsinik, stratigraafia ja ajaloolised andmed kinnitasid, kuidas need inimesed surid. Matused Londonis olid täpsemini dateeritud ja geograafiliselt paremini kontrollitud kui Taanis. Järgmisena uuris meeskond taanlasi viiest kohast üle kogu riigi. Nad rühmitasid need inimesed nendeks, kes elasid perioodil enne ja pärast musta surma. Sel viisil tagasid teadlased, et nad tuvastasid ainult Euroopa mitogenoomilisi haplotüüpe.

Teadlased uurisid 516 proovi, sealhulgas 318 Londonist ja 198 Taanist. Nad avastasid inimese DNA, kasutades modifitseeritud polümeraasi ahelreaktsiooni (PCR) testi rakulise müelotsütomatoosi onkogeeni (c-myc) jaoks. Lisaks tuvastasid nad 360 tuuma lookust piisava endogeense DNA-ga järgnevaks rikastamiseks ja sekveneerimiseks.

Teadlased tagasid, et deamineerimine ja muud iidsed DNA kahjustused ei ilmnenud võltsitud genotüübiteabena. Seetõttu kärpisid nad iga järjestuse lugemise algusest ja lõpust neli aluspaari (bp). Lõplik uuringu andmestik hõlmas 33 110 bialleelset varianti, mille keskmine katvus oli 4,6-kordne lugemine saidi kohta üksikisiku kohta. Nad filtreerisid puuduvad genotüübikutsed enam kui 50% sihtkohtadest. Järgmisena arvutas meeskond väiksema alleeli sageduse (MAF) populatsiooni kohta. Lõpuks säilitasid nad ainult need saidid, mille keskmine MAF oli Londonis ja Taanis üle 5%.

Lisaks otsisid teadlased immuungeenide ja genoomi hõlmavate assotsiatsiooniuuringute (GWAS) lookuste alleelseid variante, mis näitasid ootamatuid muutusi sageduses proovide vahel enne ja pärast musta surma, et tuvastada geenivariante, mille diferentseerumisaste (FST) oli juhuslikult oodatust suurem.

Algselt tuvastas meeskond 245 tavalist varianti, mille MAF oli suurem kui 10%. Need variandi alleelid olid samuti väga diferentseeritud, nagu näitas nende FST, mis oli> 95. protsentiil oli. Uurijad määratlesid FST neutraalsete asukohtade abil, kui võrrelda Londonist võetud proove enne ja pärast musta surma. Järgmisena väitsid nad, et alleelid, mis annavad Y. pestis'e suhtes suurema tundlikkuse või kaitse selle vastu, peaksid suurenema või vähenema vastavalt musta surma ajal surnud või pärast musta surma proovidest võetud inimestel. See vähendas väidetavalt valitud lookuste loendit 245-lt 35-le. Lõpuks uurisid nad, kas need lookused on sama tugevalt diferentseeritud ja samas suunas kui nende Londoni kolleegid.

Lisaks uuris töörühm, kas uuringus tuvastatud neli kandidaatlookust või nende läheduses olevad geenid olid seotud Y. pestis'e transkriptsioonivastusega. Seetõttu inkubeerisid nad 33 proovi makrofaage kuumaga tapetud Y. pestisega. Järgmisena kasutasid nad ribonukleiinhappe (RNA) sekveneerimist, et võrrelda nende proovide geeniekspressiooniprofiile kontrollproovide omadega.

Uuringu tulemused

In vitro infektsioonikatsete funktsionaalsed andmed kinnitasid, et positiivse selektsiooni tugevaimad kandidaadid olid otseselt seotud immuunvastusega Y. pestis'ele. Teadlased tuvastasid neli geneetilist lookust, mis olid enne ja pärast musta surma puhangut Londonis väga eristatavad. Seetõttu arvutasid nad peidetud Markovi mudeli (HMM) abil iga variandi valikukoefitsiendid. Sama kordus Taani kohordis tugevaimate valikukandidaatidena. Valimi väikese suuruse tõttu oli replikatsioonivõimsus piiratud. Seetõttu mõjutas looduslik valik tõenäoliselt ka mõnda Londoni 245 väga diferentseeritud lookusest, kuigi need ei elanud üle konservatiivsetest filtreerimiskriteeriumidest. Tulevastes uuringutes, mis uurivad nende variantide evolutsioonilist rolli immuunvastuses Y. pestis'e vastu, tuleks kasutada suuremaid valimi koos täiendavate funktsionaalsete andmetega.

Seitse geeni nelja kandidaat lookuse 100 kiloaluse piires näitasid makrofaagides Y. pestis'e transkriptsioonilist vastust, välja arvatud leutsüül- ja tsüsteinüülaminopeptidaasi geen (LNPEP). In vivo tundis Toll-like retseptor 4 (TLR4) ära Y. pestis'e, tuvastades selle lipopolüsahhariidmembraani (LPS). Selle tuvastamise vältimiseks deatsetüleerivad bakterid pinna LPS-i, vähendades sellega seondumisafiinsust TLR4 suhtes. Toll-like retseptori adaptermolekul 2 (TICAM2) aitas LPS-ga seotud TLR4 siseneda endosoomidesse ja aktiveerida I tüüpi interferooni (IFN) vastuseid. Seetõttu on võimalik, et suurenenud TICAM2 ekspressioon andis kaitse Y. pestis'e vastu.

Teadlased leidsid, et endoplasmaatilise retikulumi aminopeptidaas 2 (ERAP2) lookusel oli kaks haplotüüpi (A ja B). Makrofaagides seostati kahjulikku rs2248374-G haplotüüpi B alleeli kandvate isikute ERAP2 ekspressiooni vähenemist kärbitud isovormi kõrgema ekspressiooniga. Kasuliku haplotüübiga katsealused suutsid Y. pestis'e põhjustatud rakusurma vastu seista tõhusamalt kui letaalse haplotüübiga katsealused. Näiteks oli püroptootilise rakusurmaga seotud peamise põletikueelse tsütokiini IL-1β tase kasuliku ERAP2 genotüübi suhtes homosügootsetel isikutel kolm korda madalam kui oletatavalt surmava genotüübi suhtes homosügootsetel isikutel. Kuid tulemusi ei saanud in vitro katsed kinnitada.

Järeldused

Käesolevas uuringus kasutati iidseid genoomiandmeid ja funktsionaalset analüüsi, et koguda empiirilisi tõendeid selle kohta, et Y. pestis'e infektsioon mõjutas geneetilist mitmekesisust mõne immuunlookuse ümber. Neli lookust, mis eristusid tugevalt enne ja pärast Y. pestis'e põhjustatud musta surma, tõusid kõige tugevamateks kandidaatideks. ERAP2 näitas kõige veenvamaid tõendeid valiku kohta, valikukoefitsiendiga 0, 4.

See leid viitab sellele, et kasuliku alleeli suhtes homosügootsetel isikutel on umbes 40% suurem tõenäosus musta surma üle elada kui surmava alleeli suhtes homosügootsetel isikutel. On võimalik, et ERAP2 valk suurendas Y. pestis-spetsiifiliste antigeenide esitlemist CD8+ T-rakkudele, stimuleerides seeläbi kaitsvat immuunvastust.

ERAP2 reageeris transkriptsiooniliselt mitmele patogeenile, toetades selle võtmerolli immuunvastuse reguleerimisel. Seetõttu mõjutas Y. pestis'e poolt ERAP2-le tehtud selektsioon immuunvastust teistele patogeenidele ja haiguse tunnustele. Näiteks selektiivselt soodne ERAP2 alleel on Crohni tõve teadaolev riskitegur ja selle alleelset varieerumist on seostatud teiste nakkushaigustega.

Samuti on uuringud näidanud teise lookuse, rs11571319, tsütotoksilise T-lümfotsüütidega seotud valgu 4 (CTLA4) lähedase seost reumatoidartriidi ja süsteemse erütematoosluupuse suurenenud riskiga. Tegelikult tõi mõnede immuungeenide väidetavalt kasulike alleelide säilimine musta surma ajal kaasa autoimmuunhaiguste riski suurenemise tänapäeva elanikkonnas.

Viide:

• 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

.