De Zwarte Dood heeft mogelijk de evolutie beïnvloed van genen die betrokken zijn bij immuunreacties tegen ziekteverwekkers

De Zwarte Dood heeft mogelijk de evolutie beïnvloed van genen die betrokken zijn bij immuunreacties tegen ziekteverwekkers

Uit een recente studie gepubliceerd in Natuur Onderzoekers hebben empirisch bewijs verzameld dat pandemieën uit het verleden, veroorzaakt door infectieuze pathogenen, de huidige menselijke gevoeligheid voor ziekten zoals auto-immuunziekten hebben bepaald.

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

achtergrond

De pestpandemie, gewoonlijk de Zwarte Dood genoemd, werd veroorzaakt door een bacteriesoort, Yersinia pestis, die 30 tot 50% van de Afro-Euraziatische bevolking uitroeide en de grootste sterfte in de menselijke geschiedenis werd. Dergelijke ongekende sterftecijfers suggereerden dat allelische varianten van immuungenen die een immuunrespons tegen Y. pestis-infectie teweegbrachten gedurende deze periode mogelijk onder sterke selectie stonden. Bij alle daaropvolgende pestpandemieën in Europa daalde het sterftecijfer aanzienlijk, waarschijnlijk als gevolg van de evolutie van pathogenen, veranderende culturele praktijken of menselijke genetische aanpassing aan Y. pestis.

Omdat ze niet recentelijk aan de pest zijn blootgesteld, lijken de Europeanen die de Zwarte Dood hebben meegemaakt een immunologisch naïeve bevolking te vertegenwoordigen met minimale of geen aanpassing aan Y. pestis. Tot op heden zijn de immuundoelen van Y. pestis die tijdens de Zwarte Dood zijn geselecteerd echter nog niet bekend. Het meeste bewijs voor een verband tussen risico-allelen geassocieerd met auto-immuunziekten en aanpassing aan eerdere infectieziekten blijft indirect, omdat de etiologische factoren die deze selectie aandrijven verborgen blijven.

Over de studie

In de huidige studie hebben onderzoekers oude genomische gegevens opgegraven van mensen die vlak voor, tijdens of na de Zwarte Dood-pandemie in Londen en Denemarken stierven om hun genetische variaties te karakteriseren. Het unieke steekproefontwerp van de studie hielp onderzoekers genetische kenmerken als gevolg van Y. pestis te onderscheiden van andere selectieve processen, waaronder andere infectieziekten zoals tuberculose. Bovendien werd de mate waarin andere historische gebeurtenissen, zoals hongersnood, de conclusie van positieve selectie hadden kunnen beïnvloeden, tot een minimum beperkt.

Het team bezocht drie begraafplaatsen in Londen om deoxyribonucleïnezuur (DNA)-monsters te verzamelen van mensen die stierven vóór, tijdens en na de Zwarte Dood. In Londen verzamelden ze ook monsters van alle slachtoffers van de Zwarte Dood die tussen 1348 en 1349 stierven en begraven werden in East Smithfield. Radiokoolstof, stratigrafie en historische gegevens bevestigden hoe deze mensen stierven. Begrafenissen in Londen waren nauwkeuriger gedateerd en geografisch beter gecontroleerd dan die in Denemarken. Vervolgens ondervroeg het team Denen vanaf vijf locaties in het hele land. Ze groepeerden deze mensen in degenen die in de periode vóór en na de Zwarte Dood leefden. Op deze manier zorgden de onderzoekers ervoor dat ze alleen Europese mitogenomische haplotypes identificeerden.

De onderzoekers onderzochten 516 monsters, waaronder 318 uit Londen en 198 uit Denemarken. Ze ontdekten menselijk DNA met behulp van een gemodificeerde polymerasekettingreactie (PCR) -test voor het cellulaire myelocytomatose-oncogengen (c-myc). Bovendien identificeerden ze 360 ​​nucleaire loci met voldoende endogeen DNA voor daaropvolgende verrijking en sequencing.

De onderzoekers zorgden ervoor dat deaminatie en andere oude DNA-schade zich niet manifesteerden als vervalste genotype-informatie. Daarom hebben ze vier basenparen (bp) bijgesneden vanaf het begin en het einde van elke sequencing-lezing. De uiteindelijke onderzoeksdataset omvatte 33.110 biallelische varianten met een gemiddelde dekking van 4,6-voudige metingen per site per individu. Ze filterden ontbrekende genotype-oproepen uit op meer dan 50% van de doelsites. Vervolgens berekende het team de minor allelfrequentie (MAF) per populatie. Ten slotte behielden ze alleen de locaties waarvan de gemiddelde MAF in Londen en Denemarken gemiddeld meer dan 5% bedroeg.

Daarnaast zochten onderzoekers naar allelische varianten binnen immuungenen en genoom-brede associatiestudie (GWAS) loci die onverwachte veranderingen in frequentie tussen monsters voor en na de Zwarte Dood lieten zien om genvarianten te identificeren waarvoor de mate van differentiatie (FST) meer was dan bij toeval verwacht.

Aanvankelijk identificeerde het team 245 veelvoorkomende varianten met een MAF van meer dan 10%. Deze variantallelen waren ook sterk gedifferentieerd, zoals aangegeven door hun FST, die> 95 was. percentiel was. De onderzoekers definieerden FST met behulp van neutrale locaties bij het vergelijken van monsters uit Londen voor en na de Zwarte Dood. Vervolgens voerden ze aan dat allelen die een verhoogde gevoeligheid voor of bescherming tegen Y. pestis verlenen, in frequentie zouden moeten toenemen of afnemen bij mensen die stierven tijdens de Zwarte Dood of bij degenen die na de Zwarte Dood werden bemonsterd. Hierdoor werd de lijst van zogenaamd geselecteerde loci teruggebracht van 245 naar 35. Ten slotte onderzochten ze of deze loci even sterk gedifferentieerd waren en in dezelfde richting gingen als hun Londense tegenhangers.

Daarnaast onderzocht het team of de vier kandidaat-loci die in het onderzoek werden geïdentificeerd, of genen die er dichtbij lagen, betrokken waren bij de transcriptionele respons op Y. pestis. Daarom incubeerden ze macrofagen uit 33 monsters met door hitte gedode Y. pestis. Vervolgens gebruikten ze ribonucleïnezuur (RNA) sequencing om de genexpressieprofielen van deze monsters te vergelijken met die van controlemonsters.

Studieresultaten

Functionele gegevens uit in vitro infectie-experimenten bevestigden dat de sterkste kandidaten voor positieve selectie direct betrokken waren bij de immuunrespons op Y. pestis. De onderzoekers identificeerden vier genetische loci die sterk gedifferentieerd waren vóór en na de uitbraak van de Zwarte Dood in Londen. Daarom berekenden ze de selectiecoëfficiënten voor elk van deze varianten met behulp van een verborgen Markov-model (HMM). Hetzelfde werd herhaald in het Deense cohort als sterkste selectiekandidaten. Vanwege de kleine steekproefomvang was de replicatiekracht beperkt. Daarom werden sommige van de 245 sterk gedifferentieerde loci in Londen waarschijnlijk ook beïnvloed door natuurlijke selectie, hoewel ze de conservatieve filtercriteria niet overleefden. Toekomstige studies die de evolutionaire rol van deze varianten in de immuunrespons op Y. pestis onderzoeken, zouden grotere steekproeven moeten gebruiken in combinatie met aanvullende functionele gegevens.

Zeven genen binnen 100 kilobasen van vier kandidaat-loci vertoonden een transcriptionele respons op Y. pestis in macrofagen, met uitzondering van het leucyl- en cysteïnylaminopeptidase-gen (LNPEP). In vivo herkende Toll-like receptor 4 (TLR4) Y. pestis door zijn lipopolysaccharidemembraan (LPS) te herkennen. Om deze detectie te voorkomen, deacetyleren bacteriën oppervlakte-LPS, waardoor de bindingsaffiniteit voor TLR4 wordt verminderd. Toll-like receptor adapter molecule 2 (TICAM2) hielp LPS-gebonden TLR4 endosomen binnen te dringen en type I interferon (IFN) reacties te activeren. Het is daarom mogelijk dat verhoogde TICAM2-expressie bescherming verleende tegen Y. pestis.

De onderzoekers ontdekten dat de locus van het endoplasmatisch reticulumaminopeptidase 2 (ERAP2) twee haplotypes had (A en B). In macrofagen werd verminderde ERAP2-expressie bij individuen die het schadelijke rs2248374-G haplotype B-allel droegen geassocieerd met hogere expressie van de afgeknotte isovorm. Proefpersonen met het gunstige haplotype konden celdood veroorzaakt door Y. pestis effectiever weerstaan ​​dan proefpersonen met het dodelijke haplotype. De niveaus van IL-1β, een belangrijk pro-inflammatoir cytokine geassocieerd met pyroptotische celdood, waren bijvoorbeeld drie keer lager bij individuen die homozygoot waren voor het gunstige ERAP2-genotype dan bij individuen die homozygoot waren voor het vermoedelijk dodelijke genotype. De resultaten konden echter niet worden bevestigd door in vitro-experimenten.

Conclusies

De huidige studie maakte gebruik van oude genomische gegevens en functionele analyse om empirisch bewijs te verzamelen dat Y. pestis-infectie de genetische diversiteit rond sommige immuunloci beïnvloedde. Vier loci die sterk differentieerden voor en na de Zwarte Dood veroorzaakt door Y. pestis kwamen naar voren als de sterkste kandidaten voor selectie. ERAP2 toonde het meest overtuigende bewijs voor selectie, met een selectiecoëfficiënt van 0,4.

Deze bevinding suggereert dat individuen die homozygoot zijn voor het gunstige allel ongeveer 40% meer kans hebben om de Zwarte Dood te overleven dan individuen die homozygoot zijn voor het dodelijke allel. Het is mogelijk dat het ERAP2-eiwit de presentatie van Y. pestis-specifieke antigenen aan CD8+ T-cellen verhoogde, waardoor een beschermende immuunrespons werd gestimuleerd.

ERAP2 reageerde transcriptioneel op meerdere pathogenen en ondersteunde zijn sleutelrol bij het reguleren van de immuunrespons. Daarom beïnvloedde de selectie die door Y. pestis op ERAP2 werd uitgeoefend, de immuunrespons op andere pathogenen en ziektekenmerken. Het selectief voordelige ERAP2-allel is bijvoorbeeld een bekende risicofactor voor de ziekte van Crohn, en de allelische variatie ervan is in verband gebracht met andere infectieziekten.

Op dezelfde manier hebben onderzoeken de associatie aangetoond van een andere locus, rs11571319, dichtbij cytotoxisch T-lymfocyt-geassocieerd eiwit 4 (CTLA4), met een verhoogd risico op reumatoïde artritis en systemische lupus erythematosus. In feite leidde het behoud van zogenaamd gunstige allelen van sommige immuungenen tijdens de Zwarte Dood tot een verhoogd risico op auto-immuunziekten in de huidige bevolking.

Referentie:

• 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

.