Czarna śmierć mogła mieć wpływ na ewolucję genów biorących udział w odpowiedziach immunologicznych przeciwko patogenom

Czarna śmierć mogła mieć wpływ na ewolucję genów biorących udział w odpowiedziach immunologicznych przeciwko patogenom

W niedawnym badaniu opublikowanym w Natura Naukowcy zgromadzili dowody empiryczne na to, że pandemie wywołane przez patogeny zakaźne w przeszłości ukształtowały dzisiejszą podatność człowieka na choroby, takie jak choroby autoimmunologiczne.

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

tło

Pandemia dżumy, powszechnie nazywana czarną śmiercią, została spowodowana przez gatunek bakterii Yersinia pestis, który zniszczył od 30 do 50% populacji afro-eurazjatyckiej i stał się największym przypadkiem śmiertelności w historii ludzkości. Tak bezprecedensowe wskaźniki śmiertelności sugerowały, że warianty alleliczne genów odpornościowych, które wywołały odpowiedź immunologiczną przeciwko zakażeniu Y. pestis, mogły podlegać w tym okresie silnej selekcji. We wszystkich kolejnych pandemiach dżumy w Europie współczynnik śmiertelności znacznie spadł, prawdopodobnie z powodu ewolucji patogenów, zmiany praktyk kulturowych lub adaptacji genetycznej człowieka do Y. pestis.

Ponieważ Europejczycy, którzy doświadczyli czarnej śmierci, nie byli ostatnio narażeni na dżumę, wydają się reprezentować populację z naiwną odpornością, z minimalną adaptacją do Y. pestis lub bez niej. Jednak do chwili obecnej nie są jeszcze znane cele odpornościowe Y. pestis wybrane podczas czarnej śmierci. Większość dowodów na związek między allelami ryzyka związanymi z chorobami autoimmunologicznymi a adaptacją do wcześniejszych chorób zakaźnych pozostaje pośrednia, ponieważ czynniki etiologiczne kierujące tą selekcją pozostają ukryte.

O badaniu

W niniejszym badaniu naukowcy odkopali starożytne dane genomiczne osób, które zmarły tuż przed, w trakcie lub po pandemii czarnej śmierci w Londynie i Danii, aby scharakteryzować ich zmienność genetyczną. Unikalny projekt pobierania próbek zastosowany w badaniu pomógł naukowcom odróżnić sygnatury genetyczne wywoływane przez Y. pestis od innych procesów selektywnych, w tym innych chorób zakaźnych, takich jak gruźlica. Ponadto zminimalizowano zakres, w jakim inne wydarzenia historyczne, takie jak głód, mogły wpłynąć na wnioski z selekcji pozytywnej.

Zespół odwiedził trzy londyńskie cmentarze, aby pobrać próbki kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA) od osób, które zmarły przed, w trakcie i po czarnej śmierci. W Londynie zebrano także próbki wszystkich ofiar czarnej śmierci, które zmarły w latach 1348–1349 i zostały pochowane w East Smithfield. Dane radiowęglowe, stratygraficzne i historyczne potwierdziły, w jaki sposób zginęli ci ludzie. Pochówki w Londynie były dokładniej datowane i lepiej kontrolowane geograficznie niż te w Danii. Następnie zespół przeprowadził ankietę wśród Duńczyków w pięciu lokalizacjach w całym kraju. Pogrupowali tych ludzi na tych, którzy żyli w okresie przed i po Czarnej Śmierci. W ten sposób badacze upewnili się, że zidentyfikowali jedynie europejskie haplotypy mitogenomiczne.

Naukowcy zbadali 516 próbek, w tym 318 z Londynu i 198 z Danii. Odkryli ludzkie DNA za pomocą zmodyfikowanego testu reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR) na obecność genu onkogenu komórkowego mielocytomatozy (c-myc). Ponadto zidentyfikowali 360 loci jądrowych z wystarczającą ilością endogennego DNA do późniejszego wzbogacenia i sekwencjonowania.

Naukowcy zadbali o to, aby deaminacja i inne starożytne uszkodzenia DNA nie objawiały się sfałszowanymi informacjami o genotypie. Dlatego przycięli cztery pary zasad (bp) z początku i końca każdego odczytu sekwencjonowania. Ostateczny zbiór danych badania obejmował 33 110 wariantów biallelicznych ze średnim pokryciem 4,6-krotnym odczytów na ośrodek na osobę. Odfiltrowali brakujące połączenia genotypowe w ponad 50% miejsc docelowych. Następnie zespół obliczył częstotliwość alleli drugorzędnych (MAF) na populację. Wreszcie wzięto pod uwagę tylko te witryny, których średni MAF w Londynie i Danii wynosił średnio ponad 5%.

Ponadto badacze poszukiwali wariantów allelicznych w obrębie genów odporności i loci badania asocjacji całego genomu (GWAS), które wykazały nieoczekiwane zmiany w częstotliwości między próbkami przed czarną śmiercią i po niej, aby zidentyfikować warianty genów, w przypadku których stopień zróżnicowania (FST) był większy niż oczekiwano przez przypadek.

Początkowo zespół zidentyfikował 245 popularnych wariantów z MAF większym niż 10%. Te warianty alleli były również wysoce zróżnicowane, na co wskazuje ich FST, który wynosił> 95. percentyl był. Naukowcy zdefiniowali FST, korzystając z neutralnych lokalizacji, porównując próbki z Londynu przed i po czarnej śmierci. Następnie argumentowali, że częstotliwość alleli zapewniających zwiększoną podatność na Y. pestis lub ochronę przed nią powinna zwiększać się lub zmniejszać u osób, które zmarły podczas czarnej śmierci lub u osób, których próbki pobrano po czarnej śmierci. Zawęziło to listę rzekomo wybranych loci z 245 do 35. Na koniec zbadano, czy te loci były tak bardzo zróżnicowane i zmierzały w tym samym kierunku, co ich londyńskie odpowiedniki.

Ponadto zespół zbadał, czy cztery kandydujące loci zidentyfikowane w badaniu lub geny w ich sąsiedztwie biorą udział w odpowiedzi transkrypcyjnej na Y. pestis. Dlatego inkubowali makrofagi z 33 próbek z zabitym termicznie Y. pestis. Następnie wykorzystali sekwencjonowanie kwasu rybonukleinowego (RNA), aby porównać profile ekspresji genów w tych próbkach z profilami próbek kontrolnych.

Wyniki badań

Dane funkcjonalne z eksperymentów infekcji in vitro potwierdziły, że najsilniejsi kandydaci do selekcji pozytywnej byli bezpośrednio zaangażowani w odpowiedź immunologiczną na Y. pestis. Naukowcy zidentyfikowali cztery loci genetyczne, które były wysoce zróżnicowane przed i po wybuchu epidemii czarnej śmierci w Londynie. Dlatego obliczyli współczynniki selekcji dla każdego z tych wariantów, korzystając z ukrytego modelu Markowa (HMM). To samo powtórzyło się w duńskiej kohorcie najsilniejszych kandydatów w selekcji. Ze względu na małą wielkość próby moc replikacji była ograniczona. Dlatego też niektóre z 245 wysoce zróżnicowanych loci w Londynie prawdopodobnie również zostały dotknięte doborem naturalnym, chociaż nie przetrwały konserwatywnych kryteriów filtrowania. Przyszłe badania badające ewolucyjną rolę tych wariantów w odpowiedzi immunologicznej na Y. pestis powinny wykorzystywać większe próbki w połączeniu z dodatkowymi danymi funkcjonalnymi.

Siedem genów w odległości 100 kilozasad od czterech kandydujących loci wykazywało odpowiedź transkrypcyjną na Y. pestis w makrofagach, z wyjątkiem genu aminopeptydazy leucylowej i cysteinylowej (LNPEP). In vivo receptor Toll-podobny 4 (TLR4) rozpoznał Y. pestis poprzez rozpoznanie jego błony lipopolisacharydowej (LPS). Aby uniknąć tego wykrycia, bakterie deacetylują powierzchniowy LPS, zmniejszając w ten sposób powinowactwo wiązania TLR4. Cząsteczka adaptera receptora Toll-podobnego 2 (TICAM2) pomogła związanemu z LPS TLR4 przedostać się do endosomów i aktywować odpowiedzi interferonu typu I (IFN). Jest zatem możliwe, że zwiększona ekspresja TICAM2 zapewniła ochronę przed Y. pestis.

Naukowcy odkryli, że locus aminopeptydazy siateczki śródplazmatycznej 2 (ERAP2) miał dwa haplotypy (A i B). W makrofagach zmniejszona ekspresja ERAP2 u osób niosących szkodliwy allel haplotypu B rs2248374-G była powiązana z wyższą ekspresją skróconej izoformy. Osoby z korzystnym haplotypem były w stanie skuteczniej przeciwstawić się śmierci komórek spowodowanej przez Y. pestis niż osoby z haplotypem śmiercionośnym. Na przykład poziomy IL-1β, kluczowej cytokiny prozapalnej związanej z piroptotyczną śmiercią komórek, były trzy razy niższe u osób homozygotycznych pod względem korzystnego genotypu ERAP2 niż u osób homozygotycznych pod względem genotypu przypuszczalnie śmiertelnego. Jednakże wyników nie udało się potwierdzić w doświadczeniach in vitro.

Wnioski

W bieżącym badaniu wykorzystano starożytne dane genomiczne i analizę funkcjonalną w celu zebrania dowodów empirycznych na to, że infekcja Y. pestis wpływa na różnorodność genetyczną wokół niektórych loci odpornościowych. Cztery loci, które silnie różnicowały się przed i po czarnej śmierci wywołanej przez Y. pestis, okazały się najsilniejszymi kandydatami do selekcji. Najbardziej przekonujący dowód na selekcję dostarczył program ERAP2, ze współczynnikiem selekcji wynoszącym 0,4.

Odkrycie to sugeruje, że osoby homozygotyczne pod względem allelu korzystnego mają około 40% większe szanse na przeżycie czarnej śmierci niż osoby homozygotyczne pod względem allelu śmiercionośnego. Jest możliwe, że białko ERAP2 zwiększa prezentację antygenów specyficznych dla Y. pestis limfocytom T CD8+, stymulując w ten sposób ochronną odpowiedź immunologiczną.

ERAP2 reagował transkrypcyjnie na wiele patogenów, co potwierdza jego kluczową rolę w regulowaniu odpowiedzi immunologicznej. Zatem selekcja wywierana na ERAP2 przez Y. pestis wpływa na odpowiedź immunologiczną na inne patogeny i cechy chorobowe. Na przykład selektywnie korzystny allel ERAP2 jest znanym czynnikiem ryzyka choroby Leśniowskiego-Crohna, a jego zmienność alleliczną powiązano z innymi chorobami zakaźnymi.

Podobnie badania wykazały związek innego locus, rs11571319, zbliżonego do cytotoksycznego białka 4 związanego z limfocytami T (CTLA4), ze zwiększonym ryzykiem reumatoidalnego zapalenia stawów i tocznia rumieniowatego układowego. W rzeczywistości zatrzymanie rzekomo korzystnych alleli niektórych genów odpornościowych podczas czarnej śmierci doprowadziło do zwiększonego ryzyka chorób autoimmunologicznych w dzisiejszej populacji.

Odniesienie:

• 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

.