Moartea Neagră poate să fi influențat evoluția genelor implicate în răspunsurile imune împotriva agenților patogeni

Moartea Neagră poate să fi influențat evoluția genelor implicate în răspunsurile imune împotriva agenților patogeni

Într-un studiu recent publicat în Natură Cercetătorii au adunat dovezi empirice că pandemiile trecute cauzate de agenți patogeni infecțioși au modelat susceptibilitatea umană de astăzi la boli precum bolile autoimune.

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

fundal

Pandemia de ciumă, denumită în mod obișnuit Moartea Neagră, a fost cauzată de o specie de bacterie, Yersinia pestis, care a distrus 30 până la 50% din populația afro-eurasiatică și a devenit cel mai mare eveniment de mortalitate din istoria omenirii. Astfel de rate de mortalitate fără precedent au sugerat că variantele alelice ale genelor imune care au declanșat un răspuns imun împotriva infecției cu Y. pestis ar fi putut fi sub selecție puternică în această perioadă. În toate pandemiile de ciumă ulterioare din Europa, ratele mortalității au scăzut semnificativ, probabil din cauza evoluției patogenului, schimbării practicilor culturale sau adaptării genetice umane la Y. pestis.

Deoarece nu au avut o expunere recentă la ciumă, europenii care au experimentat Moartea Neagră par să reprezinte o populație naivă din punct de vedere imunologic, cu adaptare minimă sau deloc la Y. pestis. Cu toate acestea, până în prezent, țintele imune ale Y. pestis selectate în timpul morții negre nu sunt încă cunoscute. Cele mai multe dovezi pentru o legătură între alelele de risc asociate cu bolile autoimune și adaptarea la bolile infecțioase anterioare rămân indirecte, deoarece factorii etiologici care conduc această selecție rămân ascunși.

Despre studiu

În studiul de față, cercetătorii au dezgropat date genomice antice de la oameni care au murit chiar înainte, în timpul sau după pandemia Peste Neagră din Londra și Danemarca pentru a le caracteriza variațiile genetice. Designul unic de eșantionare al studiului a ajutat cercetătorii să distingă semnăturile genetice datorate Y. pestis de alte procese selective, inclusiv alte boli infecțioase, cum ar fi tuberculoza. În plus, măsura în care alte evenimente istorice, cum ar fi foametea, ar fi putut influența concluzia selecției pozitive a fost redusă la minimum.

Echipa a vizitat trei cimitire din Londra pentru a colecta probe de acid dezoxiribonucleic (ADN) de la oameni care au murit înainte, în timpul și după Moartea Neagră. La Londra au colectat, de asemenea, mostre din toate victimele morții negre care au murit între 1348 și 1349 și au fost îngropate în East Smithfield. Radiocarbonul, stratigrafia și datele istorice au confirmat modul în care acești oameni au murit. Înmormântările din Londra erau mai precis datate și mai bine controlate din punct de vedere geografic decât cele din Danemarca. Apoi, echipa a chestionat danezii din cinci locații din țară. Ei au grupat acești oameni în cei care au trăit în perioada de dinainte și de după Moartea Neagră. În acest fel, cercetătorii s-au asigurat că au identificat doar haplotipuri mitogenomice europene.

Cercetătorii au examinat 516 mostre, inclusiv 318 din Londra și 198 din Danemarca. Ei au descoperit ADN-ul uman folosind un test de reacție în lanț a polimerazei modificată (PCR) pentru gena oncogenei mielocitomatozei celulare (c-myc). În plus, au identificat 360 de loci nucleari cu suficient ADN endogen pentru îmbogățirea și secvențierea ulterioară.

Cercetătorii s-au asigurat că dezaminarea și alte daune vechi ale ADN-ului nu s-au manifestat ca informații despre genotip falsificate. Prin urmare, au tăiat patru perechi de baze (bp) de la începutul și sfârșitul fiecărei citiri de secvențiere. Setul de date final al studiului a inclus 33.110 de variante bialelice cu o acoperire medie de 4,6 ori citiri per site per individ. Ei au filtrat apelurile lipsă de genotip la peste 50% din site-urile țintă. Apoi, echipa a calculat frecvența alelelor minore (MAF) per populație. În cele din urmă, au reținut doar site-urile al căror MAF mediu a fost în medie de peste 5% în Londra și Danemarca.

În plus, cercetătorii au căutat variante alelice în genele imune și loci de studiu de asociere la nivelul genomului (GWAS) care au arătat modificări neașteptate ale frecvenței între eșantioane înainte și după Moartea Neagră pentru a identifica variantele de gene pentru care gradul de diferențiere (FST) a fost mai mult decât se aștepta întâmplător.

Inițial, echipa a identificat 245 de variante comune cu un MAF mai mare de 10%. Aceste alele variante au fost, de asemenea, foarte diferențiate, așa cum indică FST-ul lor, care a fost >95. percentila a fost. Cercetătorii au definit FST folosind locații neutre atunci când au comparat mostre de la Londra înainte și după Moartea Neagră. Apoi, ei au susținut că alelele care conferă susceptibilitate crescută sau protecție împotriva Y. pestis ar trebui să crească sau să scadă în frecvență la persoanele care au murit în timpul Moartei Negre sau, respectiv, la cei prelevați după Moartea Neagră. Acest lucru a restrâns lista de loci presupus selectați de la 245 la 35. În cele din urmă, ei au examinat dacă acești loci erau la fel de diferențiați și în aceeași direcție ca omologii lor londonezi.

În plus, echipa a examinat dacă cei patru loci candidati identificați în studiu sau genele din apropierea lor au fost implicate în răspunsul transcripțional la Y. pestis. Prin urmare, au incubat macrofage din 33 de probe cu Y. pestis ucis de căldură. Apoi, au folosit secvențierea acidului ribonucleic (ARN) pentru a compara profilurile de expresie genetică ale acestor probe cu cele ale probelor de control.

Rezultatele studiului

Datele funcționale din experimentele de infecție in vitro au confirmat că cei mai puternici candidați pentru selecția pozitivă au fost implicați direct în răspunsul imun la Y. pestis. Cercetătorii au identificat patru loci genetici care au fost foarte diferențiați înainte și după focarul morții negre din Londra. Prin urmare, au calculat coeficienții de selecție pentru fiecare dintre aceste variante folosind un model Markov ascuns (HMM). Același lucru s-a repetat în cohorta daneză ca cei mai puternici candidați de selecție. Datorită dimensiunii reduse a eșantionului, puterea de replicare a fost limitată. Prin urmare, unii dintre cei 245 de loci foarte diferențiați din Londra au fost probabil afectați și de selecția naturală, deși nu au supraviețuit criteriilor de filtrare conservatoare. Studiile viitoare care examinează rolul evolutiv al acestor variante în răspunsul imun la Y. pestis ar trebui să utilizeze dimensiuni mai mari ale eșantionului împreună cu date funcționale suplimentare.

Șapte gene în 100 kilobaze din patru loci candidati au arătat un răspuns transcripțional la Y. pestis la macrofage, cu excepția genei leucil și cisteinil aminopeptidază (LNPEP). In vivo, receptorul Toll-like 4 (TLR4) a recunoscut Y. pestis recunoscându-i membrana lipopolizaharidă (LPS). Pentru a evita această detectare, bacteriile deacetilează LPS la suprafață, reducând astfel afinitatea de legare pentru TLR4. Toll-like receptor Adaptor Molecule 2 (TICAM2) a ajutat TLR4 legat de LPS să intre în endozomi și să activeze răspunsurile interferonului de tip I (IFN). Prin urmare, este posibil ca expresia crescută a TICAM2 să confere protecție împotriva Y. pestis.

Cercetătorii au descoperit că locusul reticulului endoplasmatic aminopeptidaza 2 (ERAP2) avea două haplotipuri (A și B). La macrofage, expresia redusă a ERAP2 la indivizii purtând alela nocivă rs2248374-G haplotip B a fost asociată cu o expresie mai mare a izoformei trunchiate. Subiecții cu haplotipul benefic au fost capabili să reziste morții celulare cauzate de Y. pestis mai eficient decât subiecții cu haplotipul letal. De exemplu, nivelurile de IL-1β, o citokină proinflamatoare cheie asociată cu moartea celulelor piroptotice, au fost de trei ori mai mici la indivizii homozigoți pentru genotipul benefic ERAP2 decât la indivizii homozigoți pentru genotipul presupus letal. Cu toate acestea, rezultatele nu au putut fi confirmate prin experimente in vitro.

Concluzii

Studiul actual a folosit date genomice antice și analize funcționale pentru a aduna dovezi empirice că infecția cu Y. pestis a afectat diversitatea genetică în jurul unor loci imunitari. Patru loci care s-au diferențiat puternic înainte și după Moartea Neagră cauzată de Y. pestis au apărut ca cei mai puternici candidați pentru selecție. ERAP2 a arătat cele mai convingătoare dovezi pentru selecție, cu un coeficient de selecție de 0,4.

Această descoperire sugerează că indivizii homozigoți pentru alela benefică au aproximativ 40% mai multe șanse de a supraviețui Morții Negre decât indivizii homozigoți pentru alela mortală. Este posibil ca proteina ERAP2 să crească prezentarea antigenelor specifice Y. pestis la celulele T CD8+, stimulând astfel un răspuns imun protector.

ERAP2 a răspuns transcripțional la mai mulți agenți patogeni, susținând rolul său cheie în reglarea răspunsului imun. Prin urmare, selecția exercitată asupra ERAP2 de către Y. pestis a afectat răspunsul imun la alți agenți patogeni și trăsături ale bolii. De exemplu, alela ERAP2, avantajoasă selectiv, este un factor de risc cunoscut pentru boala Crohn, iar variația sa alelică a fost legată de alte boli infecțioase.

De asemenea, studiile au arătat asocierea unui alt locus, rs11571319, apropiat de proteina 4 asociată limfocitelor T citotoxice (CTLA4), cu un risc crescut de artrită reumatoidă și lupus eritematos sistemic. De fapt, reținerea alelelor presupuse benefice ale unor gene imune în timpul morții negre a dus la un risc crescut de boli autoimune în populația de astăzi.

Referinţă:

• 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

.