Melnā nāve, iespējams, ir ietekmējusi to gēnu attīstību, kas iesaistīti imūnās atbildes reakcijās pret patogēniem

Melnā nāve, iespējams, ir ietekmējusi to gēnu attīstību, kas iesaistīti imūnās atbildes reakcijās pret patogēniem

Nesenā pētījumā, kas publicēts Daba Pētnieki ir savākuši empīriskus pierādījumus, ka pagātnes pandēmijas, ko izraisījuši infekcijas patogēni, ir veidojušas mūsdienu cilvēku uzņēmību pret tādām slimībām kā autoimūnas slimības.

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

fons

Mēra pandēmiju, ko parasti dēvē par melno nāvi, izraisīja baktēriju suga Yersinia pestis, kas iznīcināja 30 līdz 50% Afro-Eirāzijas iedzīvotāju un kļuva par lielāko mirstības gadījumu cilvēces vēsturē. Šādi bezprecedenta mirstības rādītāji liecināja, ka imūno gēnu alēlie varianti, kas izraisīja imūnreakciju pret Y. pestis infekciju, šajā periodā varēja būt pakļauti spēcīgai atlasei. Visās turpmākajās mēra pandēmijās Eiropā mirstības rādītāji ievērojami samazinājās, iespējams, patogēnu evolūcijas, kultūras prakses maiņas vai cilvēka ģenētiskās adaptācijas dēļ Y. pestis.

Tā kā eiropieši, kas piedzīvoja melno nāvi, viņi nesen nav bijuši pakļauti mēri, šķiet, pārstāv imunoloģiski naivu populāciju ar minimālu vai vispār nepielāgošanos Y. pestis. Tomēr līdz šim melnās nāves laikā izvēlētie Y. pestis imūnie mērķi vēl nav zināmi. Lielākā daļa pierādījumu par saikni starp riska alēlēm, kas saistītas ar autoimūnām slimībām, un pielāgošanos iepriekšējām infekcijas slimībām joprojām ir netiešas, jo etioloģiskie faktori, kas izraisa šo atlasi, paliek slēpti.

Par pētījumu

Šajā pētījumā pētnieki izraka senos genoma datus no cilvēkiem, kuri nomira tieši pirms Melnās nāves pandēmijas, tās laikā vai pēc tās Londonā un Dānijā, lai raksturotu viņu ģenētiskās variācijas. Pētījuma unikālais paraugu ņemšanas dizains palīdzēja pētniekiem atšķirt Y. pestis izraisītos ģenētiskos parakstus no citiem selektīviem procesiem, tostarp citām infekcijas slimībām, piemēram, tuberkulozi. Turklāt tika samazināts tas, cik lielā mērā citi vēsturiski notikumi, piemēram, bads, varēja ietekmēt pozitīvās atlases noslēgšanu.

Komanda apmeklēja trīs Londonas kapsētas, lai savāktu dezoksiribonukleīnskābes (DNS) paraugus no cilvēkiem, kuri miruši pirms melnās nāves, tās laikā un pēc tās. Londonā viņi arī savāca visu Melnās nāves upuru paraugus, kuri nomira no 1348. līdz 1349. gadam un tika apglabāti Īstsmitfīldā. Radiokarbons, stratigrāfija un vēsturiskie dati apstiprināja, kā šie cilvēki nomira. Apbedījumi Londonā bija precīzāk datēti un ģeogrāfiski labāk kontrolēti nekā Dānijā. Pēc tam komanda aptaujāja dāņus no piecām vietām visā valstī. Viņi grupēja šos cilvēkus tajos, kuri dzīvoja periodā pirms un pēc melnās nāves. Tādā veidā pētnieki nodrošināja, ka viņi identificēja tikai Eiropas mitogenomiskos haplotipus.

Pētnieki pārbaudīja 516 paraugus, tostarp 318 no Londonas un 198 no Dānijas. Viņi atklāja cilvēka DNS, izmantojot modificētu polimerāzes ķēdes reakcijas (PCR) testu šūnu mielocitomatozes onkogēna gēnam (c-myc). Turklāt viņi identificēja 360 kodollokusus ar pietiekamu endogēno DNS turpmākai bagātināšanai un sekvencēšanai.

Pētnieki nodrošināja, ka deaminācija un citi senie DNS bojājumi neizpaužas kā viltota informācija par genotipu. Tāpēc viņi apgrieza četrus bāzes pārus (bp) no katras secības nolasīšanas sākuma un beigām. Galīgajā pētījuma datu kopā tika iekļauti 33 110 bialēliskie varianti ar vidējo nolasījumu aptvērumu 4,6 reizes vienā vietā vienam indivīdam. Viņi filtrēja trūkstošos genotipu zvanus vairāk nekā 50% mērķa vietņu. Pēc tam komanda aprēķināja mazo alēļu biežumu (MAF) uz vienu iedzīvotāju. Visbeidzot, viņi saglabāja tikai tās vietnes, kuru vidējais MAF bija vairāk nekā 5% Londonā un Dānijā.

Turklāt pētnieki meklēja alēļu variantus imūngēnos un genoma mēroga asociācijas pētījuma (GWAS) lokos, kas uzrādīja negaidītas biežuma izmaiņas starp paraugiem pirms un pēc melnās nāves, lai identificētu gēnu variantus, kuru diferenciācijas pakāpe (FST) nejauši bija lielāka, nekā gaidīts.

Sākotnēji komanda identificēja 245 izplatītus variantus ar MAF lielāku par 10%. Šīs variantu alēles arī bija ļoti diferencētas, kā liecina to FST, kas bija> 95. procentile bija. Pētnieki definēja FST, izmantojot neitrālas vietas, salīdzinot paraugus no Londonas pirms un pēc melnās nāves. Pēc tam viņi apgalvoja, ka alēlēm, kas nodrošina paaugstinātu jutību vai aizsardzību pret Y. pestis, vajadzētu palielināt vai samazināt biežumu cilvēkiem, kuri miruši melnās nāves laikā, vai tiem, kas ņemti paraugā pēc melnās nāves. Tas sašaurināja it kā atlasīto lokusu sarakstu no 245 uz 35. Visbeidzot, viņi pārbaudīja, vai šie loki ir tikpat ļoti diferencēti un tādā pašā virzienā kā viņu Londonas kolēģi.

Turklāt komanda pārbaudīja, vai četri pētījumā identificētie kandidātlokusi vai to tuvumā esošie gēni bija iesaistīti transkripcijas reakcijā pret Y. pestis. Tāpēc viņi inkubēja makrofāgus no 33 paraugiem ar karstumā nogalinātu Y. pestis. Pēc tam viņi izmantoja ribonukleīnskābes (RNS) sekvencēšanu, lai salīdzinātu šo paraugu gēnu ekspresijas profilus ar kontroles paraugu gēnu ekspresijas profiliem.

Studiju rezultāti

Funkcionālie dati no in vitro infekcijas eksperimentiem apstiprināja, ka spēcīgākie pozitīvās atlases kandidāti bija tieši iesaistīti imūnreakcijā pret Y. pestis. Pētnieki identificēja četrus ģenētiskos lokusus, kas bija ļoti diferencēti pirms un pēc melnās nāves uzliesmojuma Londonā. Tāpēc viņi aprēķināja atlases koeficientus katram no šiem variantiem, izmantojot slēpto Markova modeli (HMM). Tas pats atkārtojās Dānijas kohortā kā spēcīgākās atlases kandidātes. Mazā izlases lieluma dēļ replikācijas jauda bija ierobežota. Tāpēc dažus no 245 ļoti diferencētajiem lokusiem Londonā, iespējams, ietekmēja arī dabiskā atlase, lai gan tie neizturēja konservatīvos filtrēšanas kritērijus. Turpmākajos pētījumos, kuros tiek pētīta šo variantu evolucionārā loma imūnreakcijā pret Y. pestis, būtu jāizmanto lielāki paraugi kopā ar papildu funkcionāliem datiem.

Septiņi gēni 100 kilobāzēs no četriem kandidātlokusiem uzrādīja transkripcijas reakciju uz Y. pestis makrofāgos, izņemot leicila un cisteinilaminopeptidāzes gēnu (LNPEP). In vivo Toll līdzīgais receptors 4 (TLR4) atpazina Y. pestis, atpazīstot tā lipopolisaharīda membrānu (LPS). Lai izvairītos no šīs noteikšanas, baktērijas deacetilē virsmas LPS, tādējādi samazinot saistīšanās afinitāti pret TLR4. Toll-like receptoru adaptera molekula 2 (TICAM2) palīdzēja ar LPS saistītajam TLR4 iekļūt endosomās un aktivizēt I tipa interferona (IFN) reakcijas. Tāpēc ir iespējams, ka palielināta TICAM2 ekspresija nodrošināja aizsardzību pret Y. pestis.

Pētnieki atklāja, ka endoplazmatiskā retikuluma aminopeptidāzes 2 (ERAP2) lokusam bija divi haplotipi (A un B). Makrofāgos samazināta ERAP2 ekspresija indivīdiem, kuriem ir kaitīgā rs2248374-G haplotipa B alēle, bija saistīta ar augstāku saīsinātās izoformas ekspresiju. Personas ar labvēlīgo haplotipu spēja pretoties Y. pestis izraisītajai šūnu nāvei efektīvāk nekā subjekti ar letālo haplotipu. Piemēram, IL-1β, galvenā proinflammatoriskā citokīna, kas saistīts ar piroptotisko šūnu nāvi, līmenis bija trīs reizes zemāks indivīdiem, kuri bija homozigoti attiecībā uz labvēlīgo ERAP2 genotipu, nekā indivīdiem, kas bija homozigoti attiecībā uz iespējamo letālo genotipu. Tomēr rezultātus nevarēja apstiprināt ar in vitro eksperimentiem.

Secinājumi

Pašreizējā pētījumā tika izmantoti senie genoma dati un funkcionālā analīze, lai savāktu empīriskus pierādījumus tam, ka Y. pestis infekcija ietekmēja ģenētisko daudzveidību ap dažiem imūnlokusiem. Četri loki, kas stipri diferencējās pirms un pēc Y. pestis izraisītās melnās nāves, kļuva par spēcīgākajiem atlases kandidātiem. ERAP2 uzrādīja pārliecinošākos atlases pierādījumus ar atlases koeficientu 0, 4.

Šis atklājums liecina, ka indivīdiem, kas ir homozigoti attiecībā uz labvēlīgo alēli, ir aptuveni par 40% lielāka iespēja izdzīvot Melnajā nāvē nekā indivīdiem, kas ir homozigoti attiecībā uz nāvējošo alēli. Iespējams, ka ERAP2 proteīns palielināja Y. pestis specifisko antigēnu prezentāciju CD8+ T šūnām, tādējādi stimulējot aizsargājošu imūnreakciju.

ERAP2 transkripcijas veidā reaģēja uz vairākiem patogēniem, atbalstot tā galveno lomu imūnās atbildes regulēšanā. Tāpēc Y. pestis veiktā selekcija uz ERAP2 ietekmēja imūnreakciju pret citiem patogēniem un slimības pazīmēm. Piemēram, selektīvi izdevīgā ERAP2 alēle ir zināms Krona slimības riska faktors, un tās alēļu variācijas ir saistītas ar citām infekcijas slimībām.

Tāpat pētījumi ir parādījuši cita lokusa, rs11571319, saistību ar citotoksisku T limfocītu saistītajam proteīnam 4 (CTLA4) ar paaugstinātu reimatoīdā artrīta un sistēmiskās sarkanās vilkēdes risku. Faktiski dažu imūngēnu it kā labvēlīgo alēļu saglabāšana melnās nāves laikā izraisīja paaugstinātu autoimūno slimību risku mūsdienu populācijā.

Atsauce:

• 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

.