Črna kuga je morda vplivala na razvoj genov, vključenih v imunski odziv proti patogenom

Črna kuga je morda vplivala na razvoj genov, vključenih v imunski odziv proti patogenom

V nedavni študiji, objavljeni v Narava Raziskovalci so zbrali empirične dokaze, da so pretekle pandemije, ki so jih povzročili nalezljivi patogeni, oblikovale današnjo človeško dovzetnost za bolezni, kot so avtoimunske bolezni.

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

ozadje

Pandemijo kuge, običajno imenovano črna kuga, je povzročila vrsta bakterije Yersinia pestis, ki je izbrisala 30 do 50 % afro-evrazijskega prebivalstva in postala največji smrtni dogodek v človeški zgodovini. Takšne stopnje umrljivosti brez primere kažejo, da so bile alelne različice imunskih genov, ki so sprožile imunski odziv proti okužbi z Y. pestis, v tem obdobju morda močno izbrane. V vseh poznejših pandemijah kuge v Evropi so se stopnje umrljivosti znatno zmanjšale, verjetno zaradi razvoja patogenov, spreminjajočih se kulturnih praks ali genske prilagoditve človeka na Y. pestis.

Ker v zadnjem času niso bili izpostavljeni kugi, se zdi, da Evropejci, ki so doživeli črno kugo, predstavljajo imunološko naivno populacijo z minimalno ali nič prilagoditvijo na Y. pestis. Vendar do danes imunske tarče Y. pestis, izbrane med črno kugo, še niso znane. Večina dokazov o povezavi med aleli tveganja, povezanimi z avtoimunskimi boleznimi, in prilagoditvijo na prejšnje nalezljive bolezni ostaja posrednih, saj etiološki dejavniki, ki vodijo to izbiro, ostajajo skriti.

O študiju

V tej študiji so raziskovalci izkopali starodavne genomske podatke ljudi, ki so umrli tik pred, med ali po pandemiji črne smrti v Londonu in na Danskem, da bi opisali njihove genetske variacije. Edinstvena zasnova vzorčenja študije je raziskovalcem pomagala razlikovati genetske podpise zaradi Y. pestis od drugih selektivnih procesov, vključno z drugimi nalezljivimi boleznimi, kot je tuberkuloza. Poleg tega je bil zmanjšan obseg, v katerem bi drugi zgodovinski dogodki, kot je lakota, lahko vplivali na zaključek pozitivne selekcije.

Ekipa je obiskala tri londonska pokopališča, da bi zbrala vzorce deoksiribonukleinske kisline (DNK) ljudi, ki so umrli pred, med in po črni smrti. V Londonu so zbrali tudi vzorce vseh žrtev črne smrti, ki so umrle med letoma 1348 in 1349 in so bile pokopane v East Smithfieldu. Radiokarbonski, stratigrafski in zgodovinski podatki so potrdili, kako so ti ljudje umrli. Pokopi v Londonu so bili natančneje datirani in geografsko bolje nadzorovani kot tisti na Danskem. Nato je ekipa anketirala Dance s petih lokacij po vsej državi. Te ljudi so združili v tiste, ki so živeli v obdobju pred črno kugo in po njej. Na ta način so raziskovalci zagotovili, da so identificirali le evropske mitogenske haplotipe.

Raziskovalci so pregledali 516 vzorcev, od tega 318 iz Londona in 198 iz Danske. Odkrili so človeško DNK s pomočjo modificiranega testa verižne reakcije s polimerazo (PCR) za gen onkogena celične mielocitomatoze (c-myc). Poleg tega so identificirali 360 jedrnih lokusov z dovolj endogene DNA za poznejšo obogatitev in sekvenciranje.

Raziskovalci so zagotovili, da se deaminacija in druge starodavne poškodbe DNK ne kažejo kot ponarejene informacije o genotipu. Zato so obrezali štiri bazne pare (bp) od začetka in konca vsakega branja zaporedja. Končni nabor podatkov študije je vključeval 33.110 bialelnih različic s povprečno pokritostjo 4,6-kratnih branj na mesto na posameznika. Filtrirali so manjkajoče klice genotipov na več kot 50 % ciljnih mest. Nato je ekipa izračunala frekvenco manjših alelov (MAF) na populacijo. Nazadnje so obdržali le mesta, katerih povprečni MAF je bil v povprečju več kot 5 % v Londonu in na Danskem.

Poleg tega so raziskovalci iskali alelne različice znotraj imunskih genov in lokusov študije asociacij na celotnem genomu (GWAS), ki so pokazali nepričakovane spremembe v frekvenci med vzorci pred črno kugo in po njej, da bi identificirali genske različice, pri katerih je bila stopnja diferenciacije (FST) po naključju večja od pričakovane.

Na začetku je skupina identificirala 245 običajnih variant z MAF, večjim od 10 %. Ti variantni aleli so bili tudi zelo diferencirani, kot kaže njihov FST, ki je bil> 95. percentil je bil. Raziskovalci so definirali FST z uporabo nevtralnih lokacij pri primerjavi vzorcev iz Londona pred črno kugo in po njej. Nato so trdili, da bi se morala pogostnost alelov, ki zagotavljajo večjo dovzetnost ali zaščito pred Y. pestis, povečati ali zmanjšati pri ljudeh, ki so umrli med črno kugo, oziroma pri tistih, ki so bili vzorčeni po črni kugi. To je zožilo seznam domnevno izbranih lokusov s 245 na 35. Nazadnje so preučili, ali so ti lokusi tako visoko diferencirani in v isti smeri kot njihovi londonski kolegi.

Poleg tega je skupina preučila, ali so bili štirje kandidatni lokusi, identificirani v študiji, ali geni blizu njih vključeni v transkripcijski odziv na Y. pestis. Zato so inkubirali makrofage iz 33 vzorcev s toplotno uničenim Y. pestis. Nato so uporabili sekvenciranje ribonukleinske kisline (RNA), da bi primerjali profile genske ekspresije teh vzorcev s profili kontrolnih vzorcev.

Rezultati študije

Funkcionalni podatki iz poskusov okužb in vitro so potrdili, da so bili najmočnejši kandidati za pozitivno selekcijo neposredno vključeni v imunski odziv na Y. pestis. Raziskovalci so identificirali štiri genetske lokuse, ki so bili zelo diferencirani pred in po izbruhu črne smrti v Londonu. Zato so izračunali izbirne koeficiente za vsako od teh različic z uporabo skritega modela Markov (HMM). Enako se je ponovilo v danski kohorti kot najmočnejši selekcijski kandidati. Zaradi majhne velikosti vzorca je bila moč replikacije omejena. Zato je na nekatere od 245 visoko diferenciranih lokusov v Londonu verjetno vplivala tudi naravna selekcija, čeprav niso preživeli konzervativnih kriterijev filtriranja. Prihodnje študije, ki preučujejo evolucijsko vlogo teh variant v imunskem odzivu na Y. pestis, bi morale uporabiti večje velikosti vzorcev v povezavi z dodatnimi funkcionalnimi podatki.

Sedem genov znotraj 100 kilobaz štirih kandidatnih lokusov je pokazalo transkripcijski odziv na Y. pestis v makrofagih, z izjemo gena za levcil in cisteinil aminopeptidazo (LNPEP). In vivo je Tollu podoben receptor 4 (TLR4) prepoznal Y. pestis s prepoznavanjem njegove lipopolisaharidne membrane (LPS). Da bi se izognili temu odkrivanju, bakterije deacetilirajo površinski LPS in tako zmanjšajo vezavno afiniteto za TLR4. Toll-podobna receptorska adapterska molekula 2 (TICAM2) je pomagala TLR4, vezanemu na LPS, vstopiti v endosome in aktivirati odzive interferona tipa I (IFN). Zato je možno, da je povečana ekspresija TICAM2 zagotovila zaščito pred Y. pestis.

Raziskovalci so ugotovili, da ima lokus endoplazmatskega retikuluma aminopeptidaze 2 (ERAP2) dva haplotipa (A in B). V makrofagih je bila zmanjšana ekspresija ERAP2 pri posameznikih, ki so nosili škodljiv alel haplotipa B rs2248374-G, povezana z večjo ekspresijo okrnjene izoforme. Osebe s koristnim haplotipom so se uspešneje uprle celični smrti, ki jo povzroča Y. pestis, kot osebe s smrtonosnim haplotipom. Na primer, ravni IL-1β, ključnega vnetnega citokina, povezanega s piroptotično celično smrtjo, so bile trikrat nižje pri posameznikih, homozigotnih za koristni genotip ERAP2, kot pri posameznikih, homozigotnih za domnevno smrtonosni genotip. Vendar rezultatov ni bilo mogoče potrditi s poskusi in vitro.

Sklepi

Trenutna študija je uporabila starodavne genomske podatke in funkcionalno analizo za zbiranje empiričnih dokazov, da je okužba z Y. pestis vplivala na genetsko raznolikost okoli nekaterih imunskih lokusov. Štirje lokusi, ki so se močno diferencirali pred in po črni kugi, ki jo je povzročil Y. pestis, so se izkazali kot najmočnejši kandidati za izbor. ERAP2 je pokazal najbolj prepričljive dokaze za selekcijo, z izbirnim koeficientom 0,4.

Ta ugotovitev kaže, da je pri posameznikih, ki so homozigotni za koristni alel, približno 40 % večja verjetnost, da bodo preživeli črno kugo, kot pri posameznikih, homozigotnih za smrtonosni alel. Možno je, da je protein ERAP2 povečal predstavitev antigenov, specifičnih za Y. pestis, celicam CD8+ T in s tem spodbudil zaščitni imunski odziv.

ERAP2 je bil transkripcijsko odziven na več patogenov, kar podpira njegovo ključno vlogo pri uravnavanju imunskega odziva. Zato je selekcija, ki jo je na ERAP2 izvajal Y. pestis, vplivala na imunski odziv na druge patogene in lastnosti bolezni. Na primer, selektivno ugoden alel ERAP2 je znan dejavnik tveganja za Crohnovo bolezen, njegova alelna variacija pa je bila povezana z drugimi nalezljivimi boleznimi.

Podobno so študije pokazale povezavo drugega lokusa, rs11571319, blizu citotoksičnega proteina 4, povezanega z limfociti T (CTLA4), s povečanim tveganjem za revmatoidni artritis in sistemski eritematozni lupus. Pravzaprav je ohranitev domnevno koristnih alelov nekaterih imunskih genov med črno kugo povzročila povečano tveganje za avtoimunske bolezni pri današnji populaciji.

Referenca:

• 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

.