Crna smrt je možda utjecala na evoluciju gena uključenih u imunološki odgovor protiv patogena

Crna smrt je možda utjecala na evoluciju gena uključenih u imunološki odgovor protiv patogena

U nedavnoj studiji objavljenoj u Priroda Istraživači su prikupili empirijske dokaze da su prošle pandemije uzrokovane zaraznim patogenima oblikovale današnju ljudsku osjetljivost na bolesti kao što su autoimune bolesti.

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

pozadina

Pandemiju kuge, koja se obično naziva crna smrt, uzrokovala je vrsta bakterije, Yersinia pestis, koja je izbrisala 30 do 50% afro-euroazijske populacije i postala najveća smrtnost u ljudskoj povijesti. Takve dosad neviđene stope smrtnosti sugerirale su da su alelne varijante imunoloških gena koje su pokrenule imunološki odgovor protiv infekcije Y. pestis možda bile pod snažnom selekcijom tijekom tog razdoblja. U svim kasnijim pandemijama kuge u Europi, stope smrtnosti značajno su se smanjile, vjerojatno zbog evolucije patogena, promjene kulturološke prakse ili ljudske genetske prilagodbe na Y. pestis.

Budući da u posljednje vrijeme nisu bili izloženi kugi, čini se da Europljani koji su doživjeli Crnu smrt predstavljaju imunološki naivnu populaciju s minimalnom ili nikakvom prilagodbom na Y. pestis. Međutim, do danas još nisu poznate imunološke mete Y. pestis odabrane tijekom crne smrti. Većina dokaza za vezu između rizičnih alela povezanih s autoimunim bolestima i prilagodbe na prethodne zarazne bolesti ostaje neizravna, budući da etiološki čimbenici koji pokreću ovaj odabir ostaju skriveni.

O studiju

U ovoj studiji istraživači su iskopali drevne genomske podatke ljudi koji su umrli neposredno prije, tijekom ili nakon pandemije crne smrti u Londonu i Danskoj kako bi okarakterizirali njihove genetske varijacije. Jedinstveni dizajn uzorkovanja studije pomogao je istraživačima da razlikuju genetske potpise izazvane Y. pestis od drugih selektivnih procesa, uključujući druge zarazne bolesti kao što je tuberkuloza. Osim toga, minimiziran je stupanj do kojeg su drugi povijesni događaji, poput gladi, mogli utjecati na zaključak pozitivne selekcije.

Tim je posjetio tri londonska groblja kako bi prikupio uzorke deoksiribonukleinske kiseline (DNK) od ljudi koji su umrli prije, tijekom i nakon Crne smrti. U Londonu su također prikupili uzorke svih žrtava crne smrti koje su umrle između 1348. i 1349. i pokopane su u East Smithfieldu. Radiokarbonski, stratigrafski i povijesni podaci potvrdili su kako su ti ljudi umrli. Ukopi u Londonu bili su točnije datirani i geografski bolje kontrolirani od onih u Danskoj. Zatim je tim anketirao Dance s pet lokacija diljem zemlje. Grupirali su te ljude u one koji su živjeli u razdoblju prije i poslije Crne smrti. Na taj su način istraživači osigurali da identificiraju samo europske mitogenemičke haplotipove.

Istraživači su ispitali 516 uzoraka, uključujući 318 iz Londona i 198 iz Danske. Otkrili su ljudsku DNK pomoću modificiranog testa lančane reakcije polimeraze (PCR) za gen onkogena stanične mijelocitomatoze (c-myc). Osim toga, identificirali su 360 nuklearnih lokusa s dovoljno endogene DNA za naknadno obogaćivanje i sekvenciranje.

Istraživači su osigurali da se deaminacija i druga oštećenja drevne DNK ne manifestiraju kao krivotvorene informacije o genotipu. Stoga su odrezali četiri para baza (bp) od početka i kraja svakog čitanja sekvenciranja. Konačni skup podataka studije uključivao je 33 110 bialelnih varijanti s prosječnom pokrivenošću od 4,6 puta čitanja po mjestu po pojedincu. Filtrirali su genotip koji nedostaje na više od 50% ciljnih mjesta. Zatim je tim izračunao učestalost manjih alela (MAF) po populaciji. Konačno, zadržali su samo mjesta čiji je prosječni MAF bio u prosjeku veći od 5% u Londonu i Danskoj.

Osim toga, istraživači su tražili alelne varijante unutar imunoloških gena i lokusa studije asocijacije na cijelom genomu (GWAS) koji su pokazali neočekivane promjene u učestalosti između uzoraka prije i poslije crne smrti kako bi identificirali varijante gena za koje je stupanj diferencijacije (FST) slučajno bio veći od očekivanog.

U početku je tim identificirao 245 uobičajenih varijanti s MAF većim od 10%. Ovi varijanti alela također su bili visoko diferencirani, kao što je naznačeno njihovim FST-om, koji je bio >95. percentil je bio. Istraživači su definirali FST koristeći neutralne lokacije kada su uspoređivali uzorke iz Londona prije i poslije Crne smrti. Zatim su tvrdili da bi aleli koji daju povećanu osjetljivost ili zaštitu od Y. pestis trebali povećati ili smanjiti učestalost kod ljudi koji su umrli tijekom crne smrti ili kod onih koji su uzorkovani nakon crne smrti. Ovo je suzilo popis navodno odabranih lokusa s 245 na 35. Konačno, ispitali su jesu li ti lokusi tako visoko diferencirani i u istom smjeru kao i njihovi londonski parnjaci.

Osim toga, tim je ispitao jesu li četiri kandidatska lokusa identificirana u studiji ili geni blizu njih uključeni u transkripcijski odgovor na Y. pestis. Stoga su inkubirali makrofage iz 33 uzorka s Y. pestis ubijenom toplinom. Zatim su upotrijebili sekvenciranje ribonukleinske kiseline (RNA) kako bi usporedili profile ekspresije gena ovih uzoraka s onima kontrolnih uzoraka.

Rezultati studije

Funkcionalni podaci iz pokusa infekcije in vitro potvrdili su da su najjači kandidati za pozitivnu selekciju izravno uključeni u imunološki odgovor na Y. pestis. Istraživači su identificirali četiri genetska lokusa koji su bili visoko diferencirani prije i nakon izbijanja crne smrti u Londonu. Stoga su izračunali koeficijente selekcije za svaku od ovih varijanti pomoću skrivenog Markovljevog modela (HMM). Isto se ponovilo iu danskoj kohorti kao kandidatima za najjaču selekciju. Zbog male veličine uzorka, snaga replikacije bila je ograničena. Stoga su neki od 245 visoko diferenciranih lokusa u Londonu vjerojatno također bili pod utjecajem prirodne selekcije, iako nisu preživjeli konzervativne kriterije filtriranja. Buduće studije koje ispituju evolucijsku ulogu ovih varijanti u imunološkom odgovoru na Y. pestis trebale bi koristiti veće veličine uzoraka u kombinaciji s dodatnim funkcionalnim podacima.

Sedam gena unutar 100 kilobaza četiri kandidata lokusa pokazalo je transkripcijski odgovor na Y. pestis u makrofagima, s izuzetkom gena za leucil i cisteinil aminopeptidazu (LNPEP). In vivo, Tollu sličan receptor 4 (TLR4) prepoznao je Y. pestis prepoznavanjem njegove lipopolisaharidne membrane (LPS). Kako bi se izbjegla ova detekcija, bakterije deacetiliraju površinski LPS, čime se smanjuje afinitet vezanja za TLR4. Toll-like receptorska adapterska molekula 2 (TICAM2) pomogla je LPS-vezanom TLR4 da uđe u endosome i aktivira odgovore tipa I interferona (IFN). Stoga je moguće da povećana ekspresija TICAM2 daje zaštitu protiv Y. pestis.

Istraživači su otkrili da lokus aminopeptidaze 2 (ERAP2) endoplazmatskog retikuluma ima dva haplotipa (A i B). U makrofazima, smanjena ekspresija ERAP2 kod pojedinaca koji nose štetan alel haplotipa B rs2248374-G bila je povezana s većom ekspresijom skraćenog izoforma. Subjekti s korisnim haplotipom uspjeli su se oduprijeti staničnoj smrti uzrokovanoj Y. pestis učinkovitije od subjekata s letalnim haplotipom. Na primjer, razine IL-1β, ključnog proupalnog citokina povezanog s piroptotičnom staničnom smrću, bile su tri puta niže kod pojedinaca homozigotnih za korisni genotip ERAP2 nego kod pojedinaca homozigotnih za navodno smrtonosni genotip. Međutim, rezultati nisu mogli biti potvrđeni in vitro pokusima.

Zaključci

Trenutna studija koristila je drevne genomske podatke i funkcionalnu analizu za prikupljanje empirijskih dokaza da je infekcija bakterijom Y. pestis utjecala na genetsku raznolikost oko nekih imunoloških lokusa. Četiri lokusa koji su se snažno diferencirali prije i poslije crne smrti uzrokovane Y. pestis pojavili su se kao najjači kandidati za selekciju. ERAP2 pokazao je najuvjerljiviji dokaz za selekciju, s koeficijentom selekcije od 0,4.

Ovo otkriće sugerira da pojedinci homozigoti za korisni alel imaju približno 40% veću vjerojatnost da će preživjeti Crnu smrt nego pojedinci homozigoti za smrtonosni alel. Moguće je da je protein ERAP2 povećao prezentaciju antigena specifičnih za Y. pestis CD8+ T stanicama, stimulirajući tako zaštitni imunološki odgovor.

ERAP2 je bio transkripcijski osjetljiv na višestruke patogene, podupirući njegovu ključnu ulogu u regulaciji imunološkog odgovora. Stoga je selekcija Y. pestis izvršena na ERAP2 utjecala na imunološki odgovor na druge patogene i osobine bolesti. Na primjer, selektivno povoljan alel ERAP2 poznati je faktor rizika za Crohnovu bolest, a njegova alelna varijacija povezana je s drugim zaraznim bolestima.

Isto tako, studije su pokazale povezanost drugog lokusa, rs11571319, bliskog citotoksičnom proteinu 4 povezanom s limfocitima T (CTLA4), s povećanim rizikom od reumatoidnog artritisa i sistemskog eritemskog lupusa. Zapravo, zadržavanje navodno korisnih alela nekih imunoloških gena tijekom crne smrti dovelo je do povećanog rizika od autoimunih bolesti u današnjoj populaciji.

Referenca:

• 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

.