Svartedöden kan ha påverkat utvecklingen av gener involverade i immunsvar mot patogener

Svartedöden kan ha påverkat utvecklingen av gener involverade i immunsvar mot patogener

I en nyligen publicerad studie publicerad i Natur Forskare har samlat empiriska bevis för att tidigare pandemier orsakade av infektiösa patogener har format dagens mänskliga mottaglighet för sjukdomar som autoimmuna sjukdomar.

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

bakgrund

Pestpandemin, vanligen kallad digerdöden, orsakades av en bakterieart, Yersinia pestis, som utplånade 30 till 50 % av den afro-eurasiska befolkningen och blev den största dödlighetshändelsen i mänsklighetens historia. Sådana aldrig tidigare skådade dödligheter antydde att allelvarianter av immungener som utlöste ett immunsvar mot Y. pestis-infektion kan ha varit under starkt urval under denna period. I alla efterföljande pestpandemier i Europa sjönk dödligheten avsevärt, troligen på grund av patogenutveckling, förändrade kulturella sedvänjor eller mänsklig genetisk anpassning till Y. pestis.

Eftersom de inte nyligen hade exponerats för pest, verkar européerna som upplevde digerdöden representera en immunologiskt naiv befolkning med minimal eller ingen anpassning till Y. pestis. Men hittills är immunmålen för Y. pestis som valts ut under digerdöden ännu inte kända. De flesta bevis för ett samband mellan riskalleler förknippade med autoimmuna sjukdomar och anpassning till tidigare infektionssjukdomar förblir indirekta, eftersom de etiologiska faktorerna som driver detta urval förblir dolda.

Om studien

I den aktuella studien grävde forskare fram forntida genomisk data från människor som dog strax före, under eller efter digerdöden-pandemin i London och Danmark för att karakterisera deras genetiska variationer. Studiens unika provtagningsdesign hjälpte forskare att skilja genetiska signaturer på grund av Y. pestis från andra selektiva processer, inklusive andra infektionssjukdomar som tuberkulos. Dessutom minimerades i vilken utsträckning andra historiska händelser, såsom svält, kunde ha påverkat resultatet av positivt urval.

Teamet besökte tre London-kyrkogårdar för att samla in deoxiribonukleinsyra (DNA)-prover från människor som dog före, under och efter digerdöden. I London samlade de också in prover på alla svarta dödens offer som dog mellan 1348 och 1349 och begravdes i East Smithfield. Radiokol, stratigrafi och historiska data bekräftade hur dessa människor dog. Begravningar i London var mer exakt daterade och geografiskt bättre kontrollerade än de i Danmark. Därefter undersökte teamet danskar från fem platser över hela landet. De grupperade dessa människor i de som levde under tiden före och efter digerdöden. På så sätt säkerställde forskarna att de bara identifierade europeiska mitogenomiska haplotyper.

Forskarna undersökte 516 prover, inklusive 318 från London och 198 från Danmark. De upptäckte mänskligt DNA med hjälp av ett modifierad polymeraskedjereaktion (PCR)-test för den cellulära myelocytomatosis onkogengenen (c-myc). Dessutom identifierade de 360 ​​nukleära loci med tillräckligt med endogent DNA för efterföljande anrikning och sekvensering.

Forskarna såg till att deaminering och andra uråldriga DNA-skador inte manifesterade sig som förfalskad genotypinformation. Därför trimmade de fyra baspar (bp) från början och slutet av varje sekvensläsning. Det slutliga studiedataset inkluderade 33 110 bialleliska varianter med en genomsnittlig täckning på 4,6 gånger avläsningar per plats och individ. De filtrerade bort saknade genotypanrop på över 50 % av målplatserna. Därefter beräknade teamet den mindre allelfrekvensen (MAF) per population. Slutligen behöll de bara de webbplatser vars genomsnittliga MAF låg på mer än 5 % i London och Danmark.

Dessutom letade forskare efter allelvarianter inom immungener och genomomfattande associationsstudie (GWAS) loci som visade oväntade förändringar i frekvens mellan prover före och efter digerdöden för att identifiera genvarianter för vilka graden av differentiering (FST) var mer än förväntat av en slump.

Inledningsvis identifierade teamet 245 vanliga varianter med en MAF större än 10 %. Dessa variantalleler var också mycket differentierade, vilket indikeras av deras FST, som var >95. percentilen var. Forskarna definierade FST med hjälp av neutrala platser när de jämförde prover från London före och efter digerdöden. Därefter hävdade de att alleler som ger ökad känslighet för eller skydd mot Y. pestis borde öka eller minska i frekvens hos personer som dog under digerdöden respektive hos dem som provades efter digerdöden. Detta minskade listan över förment utvalda loci från 245 till 35. Slutligen undersökte de om dessa loci var lika mycket differentierade och i samma riktning som deras motsvarigheter i London.

Dessutom undersökte teamet om de fyra kandidatloci som identifierades i studien eller gener nära dem var involverade i det transkriptionella svaret på Y. pestis. Därför inkuberade de makrofager från 33 prover med värmedödade Y. pestis. Därefter använde de ribonukleinsyra (RNA) sekvensering för att jämföra genuttrycksprofilerna för dessa prover med de för kontrollprover.

Studieresultat

Funktionella data från in vitro-infektionsexperiment bekräftade att de starkaste kandidaterna för positivt urval var direkt involverade i immunsvaret mot Y. pestis. Forskarna identifierade fyra genetiska loci som var mycket differentierade före och efter utbrottet av svarta döden i London. Därför beräknade de urvalskoefficienterna för var och en av dessa varianter med hjälp av en dold Markov-modell (HMM). Samma sak upprepades i den danska årskullen som de starkaste urvalskandidaterna. På grund av den lilla provstorleken var replikeringskraften begränsad. Därför påverkades troligen även några av de 245 högt differentierade loci i London av naturligt urval, även om de inte överlevde de konservativa filtreringskriterierna. Framtida studier som undersöker den evolutionära rollen av dessa varianter i immunsvaret mot Y. pestis bör använda större provstorlekar i samband med ytterligare funktionella data.

Sju gener inom 100 kilobaser av fyra kandidatloki visade ett transkriptionssvar på Y. pestis i makrofager, med undantag för leucyl- och cysteinylaminopeptidasgenen (LNPEP). In vivo kände Toll-like receptor 4 (TLR4) igen Y. pestis genom att känna igen dess lipopolysackaridmembran (LPS). För att undvika denna detektering deacetylerar bakterier yt-LPS, vilket minskar bindningsaffiniteten för TLR4. Tullliknande receptoradaptermolekyl 2 (TICAM2) hjälpte LPS-bunden TLR4 att komma in i endosomer och aktivera typ I-interferon (IFN)-svar. Det är därför möjligt att ökat TICAM2-uttryck ger skydd mot Y. pestis.

Forskarna fann att lokuset för endoplasmatisk retikulum aminopeptidas 2 (ERAP2) hade två haplotyper (A och B). I makrofager var reducerat ERAP2-uttryck hos individer som bär den skadliga rs2248374-G-haplotyp B-allelen associerat med högre uttryck av den trunkerade isoformen. Försökspersoner med den fördelaktiga haplotypen kunde motstå celldöd orsakad av Y. pestis mer effektivt än försökspersoner med den dödliga haplotypen. Till exempel var nivåerna av IL-1β, en nyckelproinflammatorisk cytokin associerad med pyroptotisk celldöd, tre gånger lägre hos individer som är homozygota för den fördelaktiga ERAP2-genotypen än hos individer som är homozygota för den förmodat dödliga genotypen. Resultaten kunde dock inte bekräftas av in vitro-experiment.

Slutsatser

Den aktuella studien använde forntida genomisk data och funktionell analys för att samla empiriska bevis för att Y. pestis-infektion påverkade genetisk mångfald runt vissa immunlokus. Fyra loci som skilde sig starkt före och efter digerdöden orsakad av Y. pestis framträdde som de starkaste kandidaterna för urval. ERAP2 visade det mest övertygande beviset för urval, med en urvalskoefficient på 0,4.

Detta fynd tyder på att individer som är homozygota för den nyttiga allelen löper cirka 40 % större sannolikhet att överleva digerdöden än individer som är homozygota för den dödliga allelen. Det är möjligt att ERAP2-proteinet ökade presentationen av Y. pestis-specifika antigener för CD8+ T-celler och därigenom stimulerade ett skyddande immunsvar.

ERAP2 var transkriptionellt känsligt för flera patogener, vilket stödde dess nyckelroll i att reglera immunsvaret. Därför påverkade selektion som utövades på ERAP2 av Y. pestis immunsvaret mot andra patogener och sjukdomsdrag. Till exempel är den selektivt fördelaktiga ERAP2-allelen en känd riskfaktor för Crohns sjukdom, och dess alleliska variation har kopplats till andra infektionssjukdomar.

På samma sätt har studier visat sambandet mellan ett annat locus, rs11571319, nära cytotoxiskt T-lymfocyt-associerat protein 4 (CTLA4), med en ökad risk för reumatoid artrit och systemisk lupus erythematosus. Faktum är att kvarhållandet av förment fördelaktiga alleler av vissa immungener under digerdöden ledde till en ökad risk för autoimmuna sjukdomar i dagens befolkning.

Hänvisning:

• 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

.