Svartedauden kan ha påvirket utviklingen av gener involvert i immunresponser mot patogener

Svartedauden kan ha påvirket utviklingen av gener involvert i immunresponser mot patogener

I en fersk studie publisert i Natur Forskere har samlet empiriske bevis på at tidligere pandemier forårsaket av smittsomme patogener har formet dagens menneskelige mottakelighet for sykdommer som autoimmune sykdommer.

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

bakgrunn

Pest-pandemien, ofte referert til som svartedauden, ble forårsaket av en bakterieart, Yersinia pestis, som utslettet 30 til 50 % av den afro-eurasiske befolkningen og ble den største dødelighetshendelsen i menneskets historie. Slike enestående dødelighetsrater antydet at allelvarianter av immungener som utløste en immunrespons mot Y. pestis-infeksjon kan ha vært under sterkt utvalg i denne perioden. I alle påfølgende pestpandemier i Europa falt dødelighetsraten betydelig, sannsynligvis på grunn av patogenutvikling, endrede kulturelle praksiser eller menneskelig genetisk tilpasning til Y. pestis.

Fordi de ikke nylig har vært utsatt for pest, ser europeerne som opplevde svartedauden ut til å representere en immunologisk naiv befolkning med minimal eller ingen tilpasning til Y. pestis. Men til dags dato er immunmålene til Y. pestis valgt under svartedauden ennå ikke kjent. De fleste bevis for en sammenheng mellom risikoalleler assosiert med autoimmune sykdommer og tilpasning til tidligere infeksjonssykdommer forblir indirekte, ettersom de etiologiske faktorene som driver dette utvalget forblir skjulte.

Om studiet

I denne studien gravde forskere opp eldgamle genomiske data fra mennesker som døde like før, under eller etter Svartedauden-pandemien i London og Danmark for å karakterisere deres genetiske variasjoner. Studiens unike prøvetakingsdesign hjalp forskere med å skille genetiske signaturer på grunn av Y. pestis fra andre selektive prosesser, inkludert andre smittsomme sykdommer som tuberkulose. I tillegg ble i hvilken grad andre historiske hendelser, som hungersnød, kunne ha påvirket konklusjonen av positiv seleksjon, minimert.

Teamet besøkte tre London-kirkegårder for å samle prøver av deoksyribonukleinsyre (DNA) fra mennesker som døde før, under og etter svartedauden. I London samlet de også prøver av alle svartedaudens ofre som døde mellom 1348 og 1349 og ble gravlagt i East Smithfield. Radiokarbon, stratigrafi og historiske data bekreftet hvordan disse menneskene døde. Begravelser i London var mer nøyaktig datert og geografisk bedre kontrollert enn de i Danmark. Deretter undersøkte teamet dansker fra fem steder over hele landet. De grupperte disse menneskene i de som levde i perioden før og etter svartedauden. På denne måten sikret forskerne at de kun identifiserte europeiske mitogenomiske haplotyper.

Forskerne undersøkte 516 prøver, inkludert 318 fra London og 198 fra Danmark. De oppdaget menneskelig DNA ved å bruke en modifisert polymerasekjedereaksjon (PCR) test for det cellulære myelocytomatosis onkogenet (c-myc). I tillegg identifiserte de 360 ​​kjernefysiske loci med tilstrekkelig endogent DNA for påfølgende anrikning og sekvensering.

Forskerne sørget for at deaminering og annen gammel DNA-skade ikke manifesterte seg som forfalsket genotypeinformasjon. Derfor trimmet de fire basepar (bp) fra starten og slutten av hver sekvensavlesning. Det endelige studiedatasettet inkluderte 33 110 bialleliske varianter med en gjennomsnittlig dekning på 4,6 ganger lesninger per sted per individ. De filtrerte ut manglende genotypeanrop på over 50 % av målnettstedene. Deretter beregnet teamet den mindre allelfrekvensen (MAF) per populasjon. Til slutt beholdt de bare nettstedene med gjennomsnittlig MAF på mer enn 5 % i London og Danmark.

I tillegg så forskerne etter allelvarianter innenfor immungener og genom-wide assosiasjonsstudie (GWAS) loci som viste uventede endringer i frekvens mellom prøver før og etter svartedauden for å identifisere genvarianter der graden av differensiering (FST) var mer enn forventet ved en tilfeldighet.

Opprinnelig identifiserte teamet 245 vanlige varianter med en MAF større enn 10 %. Disse variantallelene var også svært differensierte, som indikert av deres FST, som var >95. persentil var. Forskerne definerte FST ved å bruke nøytrale steder når de sammenlignet prøver fra London før og etter svartedauden. Deretter argumenterte de for at alleler som gir økt mottakelighet for eller beskyttelse mot Y. pestis, bør øke eller reduseres i frekvens hos henholdsvis personer som døde under svartedauden eller hos de som ble tatt prøver etter svartedauden. Dette begrenset listen over antatt utvalgte loci fra 245 til 35. Til slutt undersøkte de om disse lociene var like høyt differensierte og i samme retning som London-motpartene.

I tillegg undersøkte teamet om de fire kandidatstedene identifisert i studien eller gener i nærheten av dem var involvert i transkripsjonsresponsen på Y. pestis. Derfor inkuberte de makrofager fra 33 prøver med varmedrept Y. pestis. Deretter brukte de ribonukleinsyre (RNA) sekvensering for å sammenligne genekspresjonsprofilene til disse prøvene med de til kontrollprøver.

Studieresultater

Funksjonelle data fra in vitro infeksjonsforsøk bekreftet at de sterkeste kandidatene for positiv seleksjon var direkte involvert i immunresponsen mot Y. pestis. Forskerne identifiserte fire genetiske loci som var svært differensierte før og etter svartedaudens utbrudd i London. Derfor beregnet de seleksjonskoeffisientene for hver av disse variantene ved å bruke en skjult Markov-modell (HMM). Det samme ble gjentatt i det danske kullet som de sterkeste utvelgelsekandidatene. På grunn av den lille prøvestørrelsen var replikasjonskraften begrenset. Derfor var noen av de 245 høyt differensierte lokiene i London sannsynligvis også påvirket av naturlig utvalg, selv om de ikke overlevde de konservative filtreringskriteriene. Fremtidige studier som undersøker den evolusjonære rollen til disse variantene i immunresponsen mot Y. pestis bør bruke større prøvestørrelser i forbindelse med ytterligere funksjonelle data.

Syv gener innenfor 100 kilobaser av fire kandidatloci viste en transkripsjonsrespons på Y. pestis i makrofager, med unntak av leucyl- og cysteinylaminopeptidasegenet (LNPEP). In vivo gjenkjente Toll-like reseptor 4 (TLR4) Y. pestis ved å gjenkjenne dens lipopolysakkaridmembran (LPS). For å unngå denne påvisningen deacetylerer bakterier overflaten av LPS, og reduserer dermed bindingsaffiniteten for TLR4. Toll-lignende reseptor adapter molekyl 2 (TICAM2) hjalp LPS-bundet TLR4 inn i endosomer og aktivere type I interferon (IFN) responser. Det er derfor mulig at økt TICAM2-ekspresjon ga beskyttelse mot Y. pestis.

Forskerne fant at lokuset for endoplasmatisk retikulum aminopeptidase 2 (ERAP2) hadde to haplotyper (A og B). I makrofager var redusert ERAP2-ekspresjon hos individer som bar den skadelige rs2248374-G haplotype B-allelen assosiert med høyere ekspresjon av den avkortede isoformen. Personer med den fordelaktige haplotypen var i stand til å motstå celledød forårsaket av Y. pestis mer effektivt enn forsøkspersoner med den dødelige haplotypen. For eksempel var nivåer av IL-1β, et nøkkelproinflammatorisk cytokin assosiert med pyroptotisk celledød, tre ganger lavere hos individer som er homozygote for den fordelaktige ERAP2-genotypen enn hos individer som er homozygote for den antatt dødelige genotypen. Resultatene kunne imidlertid ikke bekreftes ved in vitro-eksperimenter.

Konklusjoner

Den nåværende studien brukte eldgamle genomiske data og funksjonell analyse for å samle empiriske bevis på at Y. pestis-infeksjon påvirket genetisk mangfold rundt noen immunlokaliteter. Fire loci som differensierte sterkt før og etter svartedauden forårsaket av Y. pestis dukket opp som de sterkeste kandidatene for seleksjon. ERAP2 viste det mest overbevisende beviset for seleksjon, med en seleksjonskoeffisient på 0,4.

Dette funnet antyder at individer som er homozygote for det gunstige allelet har omtrent 40 % større sannsynlighet for å overleve svartedauden enn individer som er homozygote for det dødelige allelet. Det er mulig at ERAP2-proteinet økte presentasjonen av Y. pestis-spesifikke antigener til CD8+ T-celler, og stimulerer derved en beskyttende immunrespons.

ERAP2 var transkripsjonelt responsivt på flere patogener, og støttet dens nøkkelrolle i å regulere immunresponsen. Derfor påvirket seleksjon utført på ERAP2 av Y. pestis immunresponsen mot andre patogener og sykdomstrekk. For eksempel er den selektivt fordelaktige ERAP2-allelen en kjent risikofaktor for Crohns sykdom, og dens allelvariasjon har vært knyttet til andre infeksjonssykdommer.

På samme måte har studier vist assosiasjon av et annet locus, rs11571319, nær cytotoksisk T-lymfocytt-assosiert protein 4 (CTLA4), med økt risiko for revmatoid artritt og systemisk lupus erythematosus. Faktisk førte oppbevaringen av antatt gunstige alleler av noen immungener under svartedauden til økt risiko for autoimmune sykdommer i dagens befolkning.

Referanse:

• 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

.