Čierna smrť mohla ovplyvniť vývoj génov zapojených do imunitných reakcií proti patogénom

Čierna smrť mohla ovplyvniť vývoj génov zapojených do imunitných reakcií proti patogénom

V nedávnej štúdii publikovanej v Príroda Výskumníci zhromaždili empirické dôkazy, že minulé pandémie spôsobené infekčnými patogénmi formovali dnešnú náchylnosť ľudí na choroby, ako sú autoimunitné ochorenia.

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

pozadia

Morovú pandémiu, bežne označovanú ako čierna smrť, spôsobil druh baktérie Yersinia pestis, ktorá vyhubila 30 až 50 % afro-euroázijskej populácie a stala sa najväčšou úmrtnosťou v histórii ľudstva. Takáto bezprecedentná miera úmrtnosti naznačovala, že alelické varianty imunitných génov, ktoré spustili imunitnú odpoveď proti infekcii Y. pestis, mohli byť počas tohto obdobia pod silným výberom. Vo všetkých nasledujúcich morových pandémiách v Európe sa úmrtnosť výrazne znížila, pravdepodobne v dôsledku vývoja patogénov, meniacich sa kultúrnych praktík alebo ľudskej genetickej adaptácie na Y. pestis.

Keďže Európania, ktorí zažili čiernu smrť, neboli v poslednom čase vystavení moru, zdá sa, že predstavujú imunologicky naivnú populáciu s minimálnou alebo žiadnou adaptáciou na Y. pestis. K dnešnému dňu však imunitné ciele Y. pestis vybrané počas čiernej smrti ešte nie sú známe. Väčšina dôkazov o spojitosti medzi rizikovými alelami spojenými s autoimunitnými ochoreniami a adaptáciou na predchádzajúce infekčné ochorenia zostáva nepriama, pretože etiologické faktory, ktoré riadia tento výber, zostávajú skryté.

O štúdiu

V tejto štúdii výskumníci vykopali staré genomické údaje od ľudí, ktorí zomreli tesne pred, počas alebo po pandémii čiernej smrti v Londýne a Dánsku, aby charakterizovali ich genetické variácie. Jedinečný dizajn vzorkovania štúdie pomohol výskumníkom rozlíšiť genetické podpisy spôsobené Y. pestis od iných selektívnych procesov, vrátane iných infekčných chorôb, ako je tuberkulóza. Okrem toho sa minimalizovala miera, do akej iné historické udalosti, ako napríklad hladomor, mohli ovplyvniť záver pozitívneho výberu.

Tím navštívil tri londýnske cintoríny, aby zozbieral vzorky deoxyribonukleovej kyseliny (DNA) od ľudí, ktorí zomreli pred, počas a po čiernej smrti. V Londýne tiež zhromaždili vzorky všetkých obetí čiernej smrti, ktoré zomreli v rokoch 1348 až 1349 a boli pochované v East Smithfield. Rádiokarbón, stratigrafia a historické údaje potvrdili, ako títo ľudia zomreli. Pohreby v Londýne boli presnejšie datované a geograficky lepšie kontrolované ako v Dánsku. Potom tím skúmal Dánov z piatich miest po celej krajine. Týchto ľudí zoskupili do tých, ktorí žili v období pred a po čiernej smrti. Týmto spôsobom vedci zabezpečili, že identifikovali iba európske mitogenomické haplotypy.

Vedci skúmali 516 vzoriek, z toho 318 z Londýna a 198 z Dánska. Ľudskú DNA objavili pomocou testu modifikovanej polymerázovej reťazovej reakcie (PCR) na gén pre onkogén bunkovej myelocytomatózy (c-myc). Okrem toho identifikovali 360 jadrových lokusov s dostatočnou endogénnou DNA na následné obohatenie a sekvenovanie.

Výskumníci zabezpečili, že deaminácia a iné staré poškodenia DNA sa neprejavili ako sfalšované informácie o genotype. Preto orezali štyri páry báz (bp) od začiatku a konca každého sekvenčného čítania. Konečný súbor údajov štúdie zahŕňal 33 110 bialelických variantov s priemerným pokrytím 4,6-násobku prečítania na miesto na jednotlivca. Odfiltrovali chýbajúce genotypové volania na viac ako 50 % cieľových miest. Ďalej tím vypočítal frekvenciu malých alel (MAF) na populáciu. Nakoniec si ponechali iba stránky, ktorých priemerný MAF bol v Londýne a Dánsku v priemere viac ako 5 %.

Okrem toho výskumníci hľadali alelické varianty v rámci imunitných génov a lokusov celogenómovej asociácie (GWAS), ktoré ukázali neočakávané zmeny vo frekvencii medzi vzorkami pred a po čiernej smrti, aby identifikovali génové varianty, pre ktoré bol stupeň diferenciácie (FST) väčší, ako sa očakávalo náhodou.

Na začiatku tím identifikoval 245 bežných variantov s MAF vyšším ako 10 %. Tieto variantné alely boli tiež vysoko diferencované, ako naznačuje ich FST, ktorá bola > 95. percentil bol. Výskumníci definovali FST pomocou neutrálnych miest pri porovnávaní vzoriek z Londýna pred a po čiernej smrti. Ďalej tvrdili, že alely, ktoré prepožičiavajú zvýšenú náchylnosť alebo ochranu proti Y. pestis, by sa mali zvýšiť alebo znížiť vo frekvencii u ľudí, ktorí zomreli počas čiernej smrti alebo u tých, ktorí boli odobratí vzorky po čiernej smrti. Tým sa zúžil zoznam údajne vybraných lokusov z 245 na 35. Nakoniec skúmali, či sú tieto lokusy rovnako vysoko diferencované a v rovnakom smere ako ich londýnske náprotivky.

Okrem toho tím skúmal, či sa štyri kandidátske lokusy identifikované v štúdii alebo gény v ich blízkosti podieľali na transkripčnej odpovedi na Y. pestis. Preto inkubovali makrofágy z 33 vzoriek s teplom usmrteným Y. pestis. Ďalej použili sekvenovanie ribonukleovej kyseliny (RNA) na porovnanie profilov génovej expresie týchto vzoriek s profilmi kontrolných vzoriek.

Výsledky štúdie

Funkčné údaje z in vitro infekčných experimentov potvrdili, že najsilnejší kandidáti na pozitívnu selekciu sa priamo podieľali na imunitnej odpovedi na Y. pestis. Vedci identifikovali štyri genetické lokusy, ktoré boli vysoko diferencované pred a po vypuknutí čiernej smrti v Londýne. Preto vypočítali selekčné koeficienty pre každý z týchto variantov pomocou skrytého Markovovho modelu (HMM). To isté sa zopakovalo v dánskej kohorte ako najsilnejších výberových kandidátov. Kvôli malej veľkosti vzorky bola replikačná sila obmedzená. Preto niektoré z 245 vysoko diferencovaných lokusov v Londýne boli pravdepodobne tiež ovplyvnené prirodzeným výberom, hoci neprežili konzervatívne filtrovacie kritériá. Budúce štúdie skúmajúce evolučnú úlohu týchto variantov v imunitnej odpovedi na Y. pestis by mali používať väčšie veľkosti vzoriek v spojení s ďalšími funkčnými údajmi.

Sedem génov v rámci 100 kilobáz štyroch kandidátskych lokusov vykazovalo transkripčnú odpoveď na Y. pestis v makrofágoch, s výnimkou génu pre leucyl a cysteinyl aminopeptidázu (LNPEP). In vivo Toll-like receptor 4 (TLR4) rozpoznal Y. pestis rozpoznaním jeho lipopolysacharidovej membrány (LPS). Aby sa zabránilo tejto detekcii, baktérie deacetylujú povrchový LPS, čím sa zníži väzbová afinita k TLR4. Molekula 2 adaptéra Toll-like receptora (TICAM2) pomohla LPS-viazanému TLR4 vstúpiť do endozómov a aktivovať reakcie interferónu typu I (IFN). Je preto možné, že zvýšená expresia TICAM2 poskytla ochranu proti Y. pestis.

Vedci zistili, že lokus aminopeptidázy 2 endoplazmatického retikula (ERAP2) mal dva haplotypy (A a B). V makrofágoch bola znížená expresia ERAP2 u jedincov nesúcich škodlivú alelu rs2248374-G haplotypu B spojená s vyššou expresiou skrátenej izoformy. Jedinci s prospešným haplotypom boli schopní odolať bunkovej smrti spôsobenej Y. pestis účinnejšie ako jedinci s letálnym haplotypom. Napríklad hladiny IL-1 p, kľúčového prozápalového cytokínu spojeného s pyroptotickou bunkovou smrťou, boli trikrát nižšie u jedincov homozygotných pre prospešný genotyp ERAP2 ako u jedincov homozygotných pre údajne letálny genotyp. Výsledky však nebolo možné potvrdiť in vitro experimentmi.

Závery

Súčasná štúdia použila staré genomické údaje a funkčnú analýzu na získanie empirických dôkazov, že infekcia Y. pestis ovplyvnila genetickú diverzitu okolo niektorých imunitných lokusov. Štyri lokusy, ktoré sa silne diferencovali pred a po čiernej smrti spôsobenej Y. pestis, sa ukázali ako najsilnejší kandidáti na selekciu. ERAP2 ukázal najpresvedčivejšie dôkazy pre výber s koeficientom výberu 0,4.

Toto zistenie naznačuje, že jedinci homozygotní pre prospešnú alelu majú približne o 40 % vyššiu pravdepodobnosť, že prežijú čiernu smrť, ako jedinci homozygotní pre smrteľnú alelu. Je možné, že proteín ERAP2 zvýšil prezentáciu špecifických antigénov Y. pestis CD8+ T bunkám, čím stimuloval ochrannú imunitnú odpoveď.

ERAP2 bol transkripčne citlivý na viaceré patogény, čo podporuje jeho kľúčovú úlohu pri regulácii imunitnej odpovede. Preto selekcia uskutočnená na ERAP2 pomocou Y. pestis ovplyvnila imunitnú odpoveď na iné patogény a znaky choroby. Napríklad selektívne výhodná alela ERAP2 je známym rizikovým faktorom Crohnovej choroby a jej alelická variácia je spojená s inými infekčnými chorobami.

Podobne štúdie ukázali asociáciu ďalšieho lokusu, rs11571319, v blízkosti cytotoxického proteínu 4 spojeného s T lymfocytmi (CTLA4), so zvýšeným rizikom reumatoidnej artritídy a systémového lupus erythematosus. V skutočnosti zadržiavanie údajne prospešných alel niektorých imunitných génov počas čiernej smrti viedlo k zvýšenému riziku autoimunitných ochorení v dnešnej populácii.

Referencia:

• 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

.