La Morte Nera potrebbe aver influenzato l’evoluzione dei geni coinvolti nelle risposte immunitarie contro gli agenti patogeni

La Morte Nera potrebbe aver influenzato l’evoluzione dei geni coinvolti nelle risposte immunitarie contro gli agenti patogeni

In un recente studio pubblicato su Natura I ricercatori hanno raccolto prove empiriche che le pandemie del passato causate da agenti patogeni infettivi hanno modellato l’odierna suscettibilità umana a malattie come le malattie autoimmuni.

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

sfondo

La pandemia di peste, comunemente chiamata Morte Nera, fu causata da una specie di batterio, Yersinia pestis, che spazzò via dal 30 al 50% della popolazione afro-eurasiatica e divenne il più grande evento di mortalità nella storia umana. Tali tassi di mortalità senza precedenti hanno suggerito che le varianti alleliche dei geni immunitari che hanno innescato una risposta immunitaria contro l’infezione da Y. pestis potrebbero essere state sotto forte selezione durante questo periodo. In tutte le successive pandemie di peste in Europa, i tassi di mortalità sono diminuiti in modo significativo, probabilmente a causa dell’evoluzione dei patogeni, del cambiamento delle pratiche culturali o dell’adattamento genetico umano all’Y. pestis.

Poiché non sono stati recentemente esposti alla peste, gli europei che hanno sperimentato la peste nera sembrano rappresentare una popolazione immunologicamente ingenua con un adattamento minimo o nullo all’Y. pestis. Tuttavia, ad oggi, non sono ancora noti i bersagli immunitari di Y. pestis selezionati durante la Peste Nera. La maggior parte delle prove di un legame tra alleli di rischio associati a malattie autoimmuni e adattamento a precedenti malattie infettive rimane indiretta, poiché i fattori eziologici che guidano questa selezione rimangono nascosti.

A proposito dello studio

Nel presente studio, i ricercatori hanno raccolto antichi dati genomici di persone morte poco prima, durante o dopo la pandemia di peste nera a Londra e in Danimarca per caratterizzare le loro variazioni genetiche. L'esclusivo disegno di campionamento dello studio ha aiutato i ricercatori a distinguere le firme genetiche dovute a Y. pestis da altri processi selettivi, comprese altre malattie infettive come la tubercolosi. Inoltre, è stata minimizzata la misura in cui altri eventi storici, come la carestia, avrebbero potuto influenzare la conclusione della selezione positiva.

Il team ha visitato tre cimiteri di Londra per raccogliere campioni di acido desossiribonucleico (DNA) da persone morte prima, durante e dopo la Peste Nera. A Londra raccolsero anche campioni di tutte le vittime della Morte Nera che morirono tra il 1348 e il 1349 e furono sepolte a East Smithfield. Il radiocarbonio, la stratigrafia e i dati storici hanno confermato il modo in cui morirono queste persone. Le sepolture a Londra erano datate in modo più accurato e geograficamente meglio controllate rispetto a quelle in Danimarca. Successivamente, il team ha intervistato i danesi da cinque località in tutto il paese. Hanno raggruppato queste persone in coloro che hanno vissuto nel periodo precedente e successivo alla Peste Nera. In questo modo, i ricercatori si sono assicurati di aver identificato solo gli aplotipi mitogenomici europei.

I ricercatori hanno esaminato 516 campioni, di cui 318 provenienti da Londra e 198 dalla Danimarca. Hanno scoperto il DNA umano utilizzando un test modificato della reazione a catena della polimerasi (PCR) per il gene dell'oncogene della mielocitomatosi cellulare (c-myc). Inoltre, hanno identificato 360 loci nucleari con DNA endogeno sufficiente per il successivo arricchimento e sequenziamento.

I ricercatori hanno assicurato che la deaminazione e altri danni al DNA antico non si manifestavano come informazioni genotipiche falsificate. Pertanto, hanno tagliato quattro coppie di basi (bp) dall'inizio e dalla fine di ciascuna lettura del sequenziamento. Il set di dati finale dello studio includeva 33.110 varianti bialleliche con una copertura media di 4,6 volte le letture per sito per individuo. Hanno filtrato le identificazioni dei genotipi mancanti in oltre il 50% dei siti target. Successivamente, il team ha calcolato la frequenza allelica minore (MAF) per popolazione. Infine, hanno mantenuto solo i siti la cui MAF media era superiore al 5% a Londra e in Danimarca.

Inoltre, i ricercatori hanno cercato varianti alleliche all’interno dei geni immunitari e dei loci dello studio di associazione sull’intero genoma (GWAS) che mostravano cambiamenti inaspettati nella frequenza tra i campioni prima e dopo la peste nera per identificare varianti genetiche per le quali il grado di differenziazione (FST) era più del previsto per caso.

Inizialmente, il team ha identificato 245 varianti comuni con un MAF superiore al 10%. Anche questi alleli varianti erano altamente differenziati, come indicato dal loro FST, che era >95. percentile era. I ricercatori hanno definito la FST utilizzando posizioni neutre confrontando campioni provenienti da Londra prima e dopo la Peste Nera. Successivamente, hanno sostenuto che gli alleli che conferiscono una maggiore suscettibilità o protezione contro Y. pestis dovrebbero aumentare o diminuire di frequenza rispettivamente nelle persone morte durante la Peste Nera o in quelle campionate dopo la Peste Nera. Ciò ha ristretto l'elenco dei loci presumibilmente selezionati da 245 a 35. Infine, hanno esaminato se questi loci fossero altrettanto altamente differenziati e nella stessa direzione dei loro omologhi londinesi.

Inoltre, il team ha esaminato se i quattro loci candidati identificati nello studio o i geni vicini ad essi fossero coinvolti nella risposta trascrizionale all’Y. pestis. Pertanto, hanno incubato i macrofagi di 33 campioni con Y. pestis ucciso dal calore. Successivamente, hanno utilizzato il sequenziamento dell’acido ribonucleico (RNA) per confrontare i profili di espressione genetica di questi campioni con quelli dei campioni di controllo.

Risultati dello studio

I dati funzionali degli esperimenti di infezione in vitro hanno confermato che i candidati più forti per la selezione positiva erano direttamente coinvolti nella risposta immunitaria a Y. pestis. I ricercatori hanno identificato quattro loci genetici altamente differenziati prima e dopo l’epidemia di peste nera a Londra. Pertanto, hanno calcolato i coefficienti di selezione per ciascuna di queste varianti utilizzando un modello Markov nascosto (HMM). Lo stesso si è ripetuto nel gruppo danese, dove sono stati i candidati più forti alla selezione. A causa delle dimensioni ridotte del campione, il potere di replicazione era limitato. Pertanto, alcuni dei 245 loci altamente differenziati di Londra furono probabilmente influenzati anche dalla selezione naturale, sebbene non sopravvissero ai criteri di filtraggio conservativi. Gli studi futuri che esaminano il ruolo evolutivo di queste varianti nella risposta immunitaria a Y. pestis dovrebbero utilizzare campioni di dimensioni più ampie insieme a dati funzionali aggiuntivi.

Sette geni entro 100 kilobasi di quattro loci candidati hanno mostrato una risposta trascrizionale a Y. pestis nei macrofagi, ad eccezione del gene della leucil e cisteinil aminopeptidasi (LNPEP). In vivo, il recettore Toll-like 4 (TLR4) ha riconosciuto Y. pestis riconoscendo la sua membrana lipopolisaccaridica (LPS). Per evitare questo rilevamento, i batteri deacetilano l’LPS superficiale, riducendo così l’affinità di legame per TLR4. La molecola 2 dell'adattatore del recettore toll-like (TICAM2) ha aiutato il TLR4 legato a LPS a entrare negli endosomi e ad attivare le risposte dell'interferone di tipo I (IFN). È quindi possibile che una maggiore espressione di TICAM2 conferisca protezione contro Y. pestis.

I ricercatori hanno scoperto che il locus dell’aminopeptidasi 2 del reticolo endoplasmatico (ERAP2) aveva due aplotipi (A e B). Nei macrofagi, la ridotta espressione di ERAP2 negli individui portatori dell'allele deleterio dell'aplotipo B rs2248374-G era associata a una maggiore espressione dell'isoforma troncata. I soggetti con l'aplotipo benefico sono stati in grado di resistere alla morte cellulare causata da Y. pestis in modo più efficace rispetto ai soggetti con l'aplotipo letale. Ad esempio, i livelli di IL-1β, una citochina proinfiammatoria chiave associata alla morte delle cellule piroptotiche, erano tre volte inferiori negli individui omozigoti per il genotipo benefico ERAP2 rispetto agli individui omozigoti per il genotipo presumibilmente letale. Tuttavia, i risultati non possono essere confermati da esperimenti in vitro.

Conclusioni

Lo studio attuale ha utilizzato dati genomici antichi e analisi funzionali per raccogliere prove empiriche del fatto che l’infezione da Y. pestis ha influenzato la diversità genetica attorno ad alcuni loci immunitari. Quattro loci che si differenziavano fortemente prima e dopo la peste nera causata da Y. pestis sono emersi come i candidati più forti per la selezione. L'ERAP2 ha mostrato le prove più convincenti per la selezione, con un coefficiente di selezione di 0,4.

Questa scoperta suggerisce che gli individui omozigoti per l’allele benefico hanno circa il 40% in più di probabilità di sopravvivere alla Peste Nera rispetto agli individui omozigoti per l’allele mortale. È possibile che la proteina ERAP2 abbia aumentato la presentazione degli antigeni specifici di Y. pestis alle cellule T CD8+, stimolando così una risposta immunitaria protettiva.

ERAP2 rispondeva trascrizionalmente a più agenti patogeni, supportando il suo ruolo chiave nella regolazione della risposta immunitaria. Pertanto, la selezione esercitata su ERAP2 da Y. pestis ha influenzato la risposta immunitaria ad altri agenti patogeni e tratti della malattia. Ad esempio, l’allele selettivamente vantaggioso ERAP2 è un noto fattore di rischio per la malattia di Crohn e la sua variazione allelica è stata collegata ad altre malattie infettive.

Allo stesso modo, gli studi hanno dimostrato l’associazione di un altro locus, rs11571319, vicino alla proteina 4 associata ai linfociti T citotossici (CTLA4), con un aumento del rischio di artrite reumatoide e lupus eritematoso sistemico. In effetti, la conservazione di alleli presumibilmente benefici di alcuni geni immunitari durante la Peste Nera ha portato ad un aumento del rischio di malattie autoimmuni nella popolazione odierna.

Riferimento:

• 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

.