A fekete halál befolyásolhatta a kórokozók elleni immunválaszban részt vevő gének evolúcióját

A fekete halál befolyásolhatta a kórokozók elleni immunválaszban részt vevő gének evolúcióját

Egy nemrégiben megjelent tanulmányban Természet A kutatók empirikus bizonyítékokat gyűjtöttek arra vonatkozóan, hogy a fertőző kórokozók által okozott múltbéli járványok alakították a mai emberek fogékonyságát olyan betegségekre, mint például az autoimmun betegségek.

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

háttér

A pestisjárványt, amelyet általában fekete halálnak neveznek, egy baktériumfaj, a Yersinia pestis okozta, amely az afro-eurázsiai lakosság 30-50%-át kiirtotta, és az emberiség történetének legnagyobb halálozási eseményévé vált. Az ilyen példátlan mortalitási arányok arra utaltak, hogy az immungének allélváltozatai, amelyek immunválaszt váltottak ki az Y. pestis fertőzés ellen, erős szelekció alatt állhattak ebben az időszakban. Az összes későbbi pestisjárvány Európában a halálozási arányok jelentősen csökkentek, valószínűleg a kórokozók evolúciója, a változó kulturális gyakorlatok vagy az emberi Y. pestishez való genetikai alkalmazkodás miatt.

Mivel a közelmúltban nem voltak kitéve pestisnek, a fekete halált átélt európaiak immunológiailag naiv populációt képviselnek, akik minimálisan vagy egyáltalán nem alkalmazkodtak az Y. pestishez. A fekete halál során kiválasztott Y. pestis immuncélpontjai azonban a mai napig még nem ismertek. A legtöbb bizonyíték az autoimmun betegségekkel kapcsolatos kockázati allélek és a korábbi fertőző betegségekhez való alkalmazkodás közötti kapcsolatra közvetett marad, mivel a szelekciót kiváltó etiológiai tényezők rejtve maradnak.

A tanulmányról

Jelen tanulmányban a kutatók olyan emberek ősi genomikai adatait ásták ki, akik közvetlenül a fekete halál-járvány előtt, alatt vagy után haltak meg Londonban és Dániában, hogy jellemezzék genetikai változataikat. A tanulmány egyedülálló mintavételi terve segített a kutatóknak megkülönböztetni az Y. pestis által okozott genetikai jeleket más szelektív folyamatoktól, beleértve az egyéb fertőző betegségeket, például a tuberkulózist. Ezenkívül minimálisra csökkentették, hogy más történelmi események, például az éhínség milyen mértékben befolyásolhatták a pozitív szelekciót.

A csapat három londoni temetőt látogatott meg, hogy dezoxiribonukleinsav (DNS) mintákat gyűjtsenek a fekete halál előtt, alatt és után elhunyt emberektől. Londonban is gyűjtöttek mintát a fekete halál összes áldozatáról, akik 1348 és 1349 között haltak meg, és East Smithfieldben temették el. Radiokarbon, rétegtani és történelmi adatok megerősítették, hogyan haltak meg ezek az emberek. A londoni temetések pontosabb dátummal és földrajzilag jobban ellenőrizve voltak, mint Dániában. Ezt követően a csapat dánokat kérdezett meg öt helyről országszerte. Ezeket az embereket a fekete halál előtti és utáni időszakban élőkbe csoportosították. Ily módon a kutatók biztosították, hogy csak az európai mitogenomikus haplotípusokat azonosítsák.

A kutatók 516 mintát vizsgáltak meg, köztük 318 Londonból és 198 Dániából. Módosított polimeráz láncreakció (PCR) teszttel fedezték fel a humán DNS-t a celluláris myelocytomatosis onkogén gén (c-myc) kimutatására. Ezenkívül 360 sejtmag lókuszt azonosítottak elegendő endogén DNS-sel a későbbi dúsításhoz és szekvenáláshoz.

A kutatók gondoskodtak arról, hogy a dezamináció és más ősi DNS-károsodások ne nyilvánuljanak meg hamisított genotípus-információként. Ezért minden szekvenciaolvasás elejétől és végétől négy bázispárt (bp) vágtak le. A végső vizsgálati adatkészlet 33 110 biallélikus változatot tartalmazott, amelyek átlagos lefedettsége 4,6-szoros leolvasás helyenként és egyénenként. A célhelyek több mint 50%-án kiszűrték a hiányzó genotípus-hívásokat. Ezután a csapat kiszámította a kisebb allél gyakoriságot (MAF) populációnként. Végül csak azokat a webhelyeket tartották meg, amelyek átlagos MAF-értéke több mint 5% volt Londonban és Dániában.

Emellett a kutatók allélváltozatokat kerestek az immungénekben és a genomszintű asszociációs vizsgálati (GWAS) lókuszokon belül, amelyek a fekete halál előtt és után nem várt gyakorisági változásokat mutattak a minták között, hogy azonosítsák azokat a génváltozatokat, amelyeknél a differenciálódás mértéke (FST) a vártnál nagyobb volt.

Kezdetben a csapat 245 gyakori változatot azonosított, amelyek MAF-értéke meghaladja a 10%-ot. Ezek a variáns allélek szintén nagymértékben differenciáltak, amint azt az FST-jük is jelzi, amely >95 volt. százalékos volt. A kutatók a fekete halál előtti és utáni londoni minták összehasonlításakor semleges helyeken határozták meg az FST-t. Ezt követően azzal érveltek, hogy az Y. pestis elleni fokozott fogékonyságot vagy védelmet biztosító allélok gyakoriságának növekednie kell vagy csökkennie kell azoknál az embereknél, akik a fekete halál alatt haltak meg, illetve azoknál, akiket a fekete halál után vettek mintát. Ez 245-ről 35-re szűkítette az állítólagos kiválasztott lókuszok listáját. Végül megvizsgálták, hogy ezek a lókuszok olyan erősen differenciáltak-e és ugyanolyan irányúak-e, mint londoni társaik.

Ezenkívül a csapat megvizsgálta, hogy a vizsgálatban azonosított négy jelölt lókusz vagy a közelükben lévő gének részt vesznek-e az Y. pestis elleni transzkripciós válaszban. Ezért 33 mintából származó makrofágokat hővel elölt Y. pestisszel inkubáltak. Ezután ribonukleinsav (RNS) szekvenálást alkalmaztak, hogy összehasonlítsák ezen minták génexpressziós profilját a kontrollmintákéval.

Tanulmányi eredmények

Az in vitro fertőzési kísérletekből származó funkcionális adatok megerősítették, hogy a pozitív szelekció legerősebb jelöltjei közvetlenül részt vesznek az Y. pestis elleni immunválaszban. A kutatók négy olyan genetikai lókuszt azonosítottak, amelyek nagymértékben differenciálódnak a londoni fekete halál kitörése előtt és után. Ezért mindegyik változathoz egy rejtett Markov-modell (HMM) segítségével számították ki a kiválasztási együtthatókat. Ugyanez megismétlődött a dán kohorszban, mint a legerősebb kiválasztási jelöltek között. A kis mintaméret miatt a replikációs teljesítmény korlátozott volt. Ezért a londoni 245 erősen differenciált lókusz közül néhányra valószínűleg szintén hatással volt a természetes szelekció, bár nem élték túl a konzervatív szűrési kritériumokat. Azoknak a jövőbeni tanulmányoknak, amelyek e változatok evolúciós szerepét vizsgálják az Y. pestis elleni immunválaszban, nagyobb mintaméreteket kell alkalmazni további funkcionális adatokkal együtt.

Négy jelölt lókusz 100 kilobázisán belül hét gén mutatott transzkripciós választ az Y. pestisre makrofágokban, a leucil- és ciszteinil-aminopeptidáz gén (LNPEP) kivételével. In vivo a Toll-like receptor 4 (TLR4) felismerte az Y. pestist lipopoliszacharid membránjának (LPS) felismerésével. A kimutatás elkerülése érdekében a baktériumok deacetilezik a felszíni LPS-t, ezáltal csökkentik a TLR4-hez való kötődési affinitást. A Toll-like receptor adapter molekula 2 (TICAM2) segített az LPS-hez kötött TLR4 bejutni az endoszómákba és aktiválni az I. típusú interferon (IFN) válaszokat. Ezért lehetséges, hogy a megnövekedett TICAM2 expresszió védelmet biztosított Y. pestis ellen.

A kutatók azt találták, hogy az endoplazmatikus retikulum aminopeptidáz 2 (ERAP2) lókusznak két haplotípusa van (A és B). A makrofágokban a káros rs2248374-G haplotípus B allélt hordozó egyének csökkent ERAP2 expressziója a csonkolt izoforma magasabb expressziójával társult. A jótékony haplotípusú alanyok hatékonyabban tudtak ellenállni az Y. pestis által okozott sejthalálnak, mint a letális haplotípusú alanyok. Például az IL-1β, a piroptotikus sejthalálhoz kapcsolódó kulcsfontosságú proinflammatorikus citokin szintje háromszor alacsonyabb volt a jótékony ERAP2 genotípusra homozigóta egyedekben, mint a feltételezett halálos genotípusra homozigóta egyedekben. Az eredményeket azonban in vitro kísérletekkel nem tudták megerősíteni.

Következtetések

A jelenlegi tanulmány ősi genomikai adatokat és funkcionális elemzést használt annak empirikus bizonyítékainak összegyűjtésére, hogy az Y. pestis fertőzés befolyásolta a genetikai sokféleséget egyes immunlókuszok körül. Négy, a Y. pestis által okozott fekete halál előtt és után erősen differenciált lókusz vált a legerősebb jelöltként a szelekcióra. Az ERAP2 mutatta a legmeggyőzőbb bizonyítékot a szelekcióra, 0,4-es szelekciós együtthatóval.

Ez a megállapítás arra utal, hogy a jótékony allélra homozigóta egyedek körülbelül 40%-kal nagyobb valószínűséggel élik túl a fekete halált, mint a halálos allélra homozigóták. Lehetséges, hogy az ERAP2 fehérje megnövelte az Y. pestis-specifikus antigének CD8+ T-sejtek felé történő prezentációját, ezáltal stimulálva a védő immunválaszt.

Az ERAP2 transzkripciósan reagált több kórokozóra, alátámasztva kulcsszerepét az immunválasz szabályozásában. Ezért az Y. pestis által az ERAP2-n végzett szelekció befolyásolta az immunválaszt más kórokozókkal és betegségjellemzőkkel. Például a szelektíven előnyös ERAP2 allél a Crohn-betegség ismert rizikófaktora, és allélvariációját más fertőző betegségekkel is összefüggésbe hozták.

Hasonlóképpen, a vizsgálatok kimutatták, hogy egy másik lókusz, az rs11571319, amely közel áll a citotoxikus T-limfocitákkal asszociált protein 4-hez (CTLA4), a rheumatoid arthritis és a szisztémás lupus erythematosus fokozott kockázatával. Valójában egyes immungének állítólag jótékony alléljeinek megtartása a fekete halál alatt az autoimmun betegségek fokozott kockázatához vezetett a mai populációban.

Referencia:

• 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

.