Juodoji mirtis galėjo turėti įtakos genų, dalyvaujančių imuniniame atsake prieš patogenus, evoliucijai

Juodoji mirtis galėjo turėti įtakos genų, dalyvaujančių imuniniame atsake prieš patogenus, evoliucijai

Neseniai paskelbtame tyrime Gamta Tyrėjai surinko empirinių įrodymų, kad praeities pandemijos, kurias sukėlė infekciniai patogenai, suformavo šiandienos žmonių jautrumą ligoms, tokioms kaip autoimuninės ligos.

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

fone

Maro pandemiją, paprastai vadinamą juodąja mirtimi, sukėlė bakterijų rūšis Yersinia pestis, kuri sunaikino 30–50 % Afrikos ir Eurazijos gyventojų ir tapo didžiausiu mirtingumo įvykiu žmonijos istorijoje. Tokie precedento neturintys mirtingumo rodikliai leido manyti, kad aleliniai imuninių genų variantai, kurie sukėlė imuninį atsaką prieš Y. pestis infekciją, šiuo laikotarpiu galėjo būti stipriai atrinkti. Per visas vėlesnes maro pandemijas Europoje mirtingumas gerokai sumažėjo, tikriausiai dėl patogenų evoliucijos, besikeičiančios kultūrinės praktikos ar žmogaus genetinės adaptacijos prie Y. pestis.

Kadangi pastaruoju metu jie nebuvo užsikrėtę maru, juodąją mirtį patyrę europiečiai, atrodo, atstovauja imunologiškai naiviai populiacijai, kuri minimaliai prisitaikė prie Y. pestis arba visai neprisitaikė. Tačiau iki šiol per Juodąją mirtį atrinkti Y. pestis imuniniai taikiniai dar nėra žinomi. Dauguma įrodymų, patvirtinančių ryšį tarp rizikos alelių, susijusių su autoimuninėmis ligomis, ir prisitaikymo prie ankstesnių infekcinių ligų išlieka netiesioginiai, nes etiologiniai veiksniai, lemiantys šią atranką, lieka paslėpti.

Apie studiją

Šiame tyrime mokslininkai iškasė senovės genominius duomenis iš žmonių, kurie mirė prieš pat, per ar po Juodosios mirties pandemijos Londone ir Danijoje, kad apibūdintų jų genetinius pokyčius. Tyrimo unikalus mėginių ėmimo planas padėjo mokslininkams atskirti Y. pestis sukeliamus genetinius požymius nuo kitų selektyvių procesų, įskaitant kitas infekcines ligas, tokias kaip tuberkuliozė. Be to, buvo sumažinta, kiek kiti istoriniai įvykiai, pavyzdžiui, badas, galėjo turėti įtakos teigiamos atrankos išvadai.

Grupė aplankė tris Londono kapines, kad paimtų dezoksiribonukleino rūgšties (DNR) mėginius iš žmonių, mirusių prieš, per ir po Juodosios mirties. Londone jie taip pat surinko visų juodosios mirties aukų, mirusių 1348–1349 m. ir palaidotų East Smithfield mieste, pavyzdžius. Radiokarbonatas, stratigrafija ir istoriniai duomenys patvirtino, kaip šie žmonės mirė. Laidotuvės Londone buvo tiksliau datos ir geografiškai geriau kontroliuojamos nei Danijoje. Tada komanda apklausė danus iš penkių vietų visoje šalyje. Jie suskirstė šiuos žmones į tuos, kurie gyveno laikotarpiu prieš ir po Juodosios mirties. Tokiu būdu mokslininkai užtikrino, kad jie nustatė tik Europos mitogenominius haplotipus.

Tyrėjai ištyrė 516 mėginių, iš jų 318 iš Londono ir 198 iš Danijos. Jie atrado žmogaus DNR, naudodami modifikuotą polimerazės grandininės reakcijos (PGR) testą, skirtą ląstelių mielocitomatozės onkogeno genui (c-myc). Be to, jie nustatė 360 branduolinių lokusų, turinčių pakankamai endogeninės DNR, kad vėliau būtų galima praturtinti ir nustatyti seką.

Tyrėjai užtikrino, kad deaminacija ir kiti senovės DNR pažeidimai nepasireikš kaip suklastota genotipo informacija. Todėl jie apkarpė keturias bazines poras (bp) nuo kiekvieno sekos skaitymo pradžios ir pabaigos. Galutinis tyrimo duomenų rinkinys apėmė 33 110 dvialelinių variantų, kurių vidutinė aprėptis kiekvienoje vietoje buvo 4,6 karto. Jie išfiltravo trūkstamus genotipo skambučius daugiau nei 50% tikslinių vietų. Tada komanda apskaičiavo mažųjų alelių dažnį (MAF) vienai populiacijai. Galiausiai jie išlaikė tik tas svetaines, kurių vidutinis MAF Londone ir Danijoje buvo daugiau nei 5 %.

Be to, mokslininkai ieškojo alelinių variantų imuninių genų ir genomo masto asociacijos tyrimo (GWAS) lokusuose, kurie parodė netikėtus dažnio pokyčius tarp mėginių prieš ir po juodosios mirties, kad nustatytų genų variantus, kurių diferenciacijos laipsnis (FST) buvo didesnis nei tikėtasi atsitiktinai.

Iš pradžių komanda nustatė 245 įprastus variantus, kurių MAF didesnis nei 10%. Šie alelių variantai taip pat buvo labai diferencijuoti, kaip rodo jų FST, kuris buvo> 95. procentilė buvo. Tyrėjai apibrėžė FST naudodami neutralias vietas, lygindami mėginius iš Londono prieš ir po Juodosios mirties. Be to, jie teigė, kad aleliai, kurie suteikia didesnį jautrumą arba apsaugą nuo Y. pestis, turėtų atitinkamai padidėti arba sumažėti žmonių, mirusių juodosios mirties metu, arba tiems, kurie paimti mėginiai po juodosios mirties, dažnis. Tai susiaurino tariamai atrinktų lokusų sąrašą nuo 245 iki 35. Galiausiai jie ištyrė, ar šie lokusai buvo tokie pat labai diferencijuoti ir tos pačios krypties kaip ir jų Londono analogai.

Be to, komanda ištyrė, ar tyrime nustatyti keturi kandidatiniai lokusai arba šalia jų esantys genai buvo susiję su transkripcijos atsaku į Y. pestis. Todėl jie inkubavo makrofagus iš 33 mėginių su karščiu nužudytu Y. pestis. Tada jie panaudojo ribonukleino rūgšties (RNR) sekos nustatymą, kad palygintų šių mėginių genų ekspresijos profilius su kontrolinių mėginių genų ekspresijos profiliais.

Studijų rezultatai

In vitro infekcijos eksperimentų funkciniai duomenys patvirtino, kad stipriausi teigiamos atrankos kandidatai buvo tiesiogiai susiję su imuniniu atsaku į Y. pestis. Tyrėjai nustatė keturis genetinius lokusus, kurie buvo labai diferencijuoti prieš ir po Juodosios mirties protrūkio Londone. Todėl jie apskaičiavo kiekvieno iš šių variantų atrankos koeficientus naudodami paslėptą Markovo modelį (HMM). Tas pats pasikartojo ir Danijos, kaip stipriausių atrankos kandidatų, kohortoje. Dėl mažo imties dydžio replikacijos galia buvo ribota. Todėl kai kurie iš 245 labai diferencijuotų lokusų Londone tikriausiai taip pat buvo paveikti natūralios atrankos, nors ir neišlaikė konservatyvių filtravimo kriterijų. Būsimuose tyrimuose, kuriuose nagrinėjamas šių variantų evoliucinis vaidmuo imuniniame atsake į Y. pestis, turėtų būti naudojami didesni imčių dydžiai kartu su papildomais funkciniais duomenimis.

Septyni genai, esantys 100 kilobazių iš keturių kandidatų lokusų, parodė transkripcijos atsaką į Y. pestis makrofaguose, išskyrus leucilo ir cisteinilaminopeptidazės geną (LNPEP). In vivo į Toll panašus receptorius 4 (TLR4) atpažino Y. pestis, atpažindamas jo lipopolisacharidinę membraną (LPS). Kad būtų išvengta šio aptikimo, bakterijos deacetiliuoja paviršiaus LPS, taip sumažindamos prisijungimo prie TLR4 afinitetą. Į rinkliavą panaši receptorių adapterio molekulė 2 (TICAM2) padėjo su LPS surištam TLR4 patekti į endosomas ir suaktyvinti I tipo interferono (IFN) atsakus. Todėl gali būti, kad padidėjusi TICAM2 ekspresija suteikė apsaugą nuo Y. pestis.

Tyrėjai nustatė, kad endoplazminio retikulinio aminopeptidazės 2 (ERAP2) lokusas turėjo du haplotipus (A ir B). Makrofaguose sumažėjusi ERAP2 ekspresija asmenims, turintiems žalingą rs2248374-G haplotipo B alelį, buvo susijusi su didesne sutrumpintos izoformos ekspresija. Tiriamieji, turintys naudingą haplotipą, galėjo atsispirti Y. pestis sukeltai ląstelių mirčiai veiksmingiau nei tiriamieji, turintys mirtiną haplotipą. Pavyzdžiui, IL-1β, pagrindinio priešuždegiminio citokino, susijusio su piroptozinių ląstelių mirtimi, lygis buvo tris kartus mažesnis asmenims, homozigotiniams dėl naudingo ERAP2 genotipo, nei asmenims, homozigotiniams dėl tariamai mirtino genotipo. Tačiau rezultatai negalėjo būti patvirtinti in vitro eksperimentais.

Išvados

Dabartiniame tyrime buvo naudojami senovės genominiai duomenys ir funkcinė analizė, siekiant surinkti empirinius įrodymus, kad Y. pestis infekcija paveikė genetinę įvairovę aplink kai kuriuos imuninius lokusus. Keturi lokusai, kurie stipriai skyrėsi prieš ir po juodosios mirties, kurią sukėlė Y. pestis, pasirodė kaip stipriausi atrankos kandidatai. Įtikinamiausius atrankos įrodymus parodė ERAP2, kurio atrankos koeficientas buvo 0,4.

Šis atradimas rodo, kad asmenys, homozigotiniai dėl naudingojo alelio, turi maždaug 40% didesnę tikimybę išgyventi juodąją mirtį nei asmenys, homozigotiniai dėl mirtino alelio. Gali būti, kad ERAP2 baltymas padidino Y. pestis specifinių antigenų pateikimą CD8+ T ląstelėms, taip stimuliuodamas apsauginį imuninį atsaką.

ERAP2 transkripciškai reagavo į kelis patogenus, palaikydamas pagrindinį jo vaidmenį reguliuojant imuninį atsaką. Todėl Y. pestis ERAP2 atlikta atranka paveikė imuninį atsaką į kitus patogenus ir ligos požymius. Pavyzdžiui, selektyviai naudingas ERAP2 alelis yra žinomas Krono ligos rizikos veiksnys, o jo alelinė variacija buvo susijusi su kitomis infekcinėmis ligomis.

Taip pat tyrimai parodė, kad kitas lokusas, rs11571319, artimas citotoksiniam T limfocitams susijusiam baltymui 4 (CTLA4), yra susijęs su padidėjusia reumatoidinio artrito ir sisteminės raudonosios vilkligės rizika. Tiesą sakant, tariamai naudingų kai kurių imuninių genų alelių išlaikymas Juodosios mirties metu padidino autoimuninių ligų riziką šiandieninėje populiacijoje.

Nuoroda:

• 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

.