黑死病可能影响了参与针对病原体的免疫反应的基因的进化

黑死病可能影响了参与针对病原体的免疫反应的基因的进化

在最近发表的一项研究中 自然 研究人员收集的经验证据表明，过去由传染性病原体引起的大流行影响了当今人类对自身免疫性疾病等疾病的易感性。

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

背景

鼠疫大流行，通常被称为黑死病，是由鼠疫耶尔森氏菌引起的，它消灭了 30% 至 50% 的非洲裔欧亚裔人口，成为人类历史上最大的死亡事件。 如此前所未有的死亡率表明，触发针对鼠疫耶尔森氏菌感染的免疫反应的免疫基因的等位基因变体可能在此期间受到了强烈的选择。 在欧洲随后发生的所有鼠疫大流行中，死亡率均显着下降，这可能是由于病原体的进化、文化习俗的改变或人类对鼠疫耶尔森氏菌的遗传适应。

由于他们最近没有接触过鼠疫，经历过黑死病的欧洲人似乎代表了免疫学上的幼稚人群，对鼠疫耶尔森菌的适应程度极低或根本没有适应。 然而，迄今为止，黑死病期间鼠疫杆菌选择的免疫靶标尚不清楚。 大多数与自身免疫性疾病相关的风险等位基因与对先前传染病的适应之间联系的证据仍然是间接的，因为驱动这种选择的病因因素仍然是隐藏的。

关于该研究

在本研究中，研究人员挖掘了伦敦和丹麦黑死病大流行之前、期间或之后死亡的人的古代基因组数据，以表征他们的遗传变异。 该研究独特的抽样设计帮助研究人员将鼠疫耶尔森氏菌引起的基因特征与其他选择性过程（包括结核病等其他传染病）区分开来。 此外，其他历史事件（例如饥荒）可能影响正选择结论的程度也被最小化。

研究小组走访了伦敦的三个墓地，从黑死病之前、期间和之后死亡的人身上收集脱氧核糖核酸（DNA）样本。 在伦敦，他们还收集了 1348 年至 1349 年间死亡并埋葬在东史密斯菲尔德的所有黑死病受害者的样本。 放射性碳、地层学和历史数据证实了这些人的死亡原因。 与丹麦的墓葬相比，伦敦的墓葬年代更准确，地理位置也更受控制。 接下来，该团队对全国五个地点的丹麦人进行了调查。 他们将这些人分为生活在黑死病前后时期的人。 通过这种方式，研究人员确保他们只鉴定出欧洲线粒体基因组单倍型。

研究人员检查了 516 个样本，其中 318 个来自伦敦，198 个来自丹麦。 他们利用改良的聚合酶链式反应 (PCR) 测试细胞骨髓细胞瘤癌基因 (c-myc) 发现了人类 DNA。 此外，他们还鉴定了 360 个具有足够内源 DNA 的核位点，用于后续富集和测序。

研究人员确保脱氨基作用和其他古代 DNA 损伤不会表现为伪造的基因型信息。 因此，他们从每个测序读数的开头和结尾修剪了四个碱基对 (bp)。 最终的研究数据集包括 33,110 个双等位基因变体，每个个体每个位点的平均覆盖率为 4.6 倍读取。 他们过滤掉了超过 50% 的目标位点缺失的基因型调用。 接下来，研究小组计算了每个群体的次要等位基因频率（MAF）。 最后，他们只保留了伦敦和丹麦平均MAF超过5%的站点。

此外，研究人员还寻找免疫基因和全基因组关联研究（GWAS）基因座中的等位基因变异，这些变异显示黑死病前后样本之间的频率出现意外变化，以识别分化程度（FST）超出预期的基因变异。

最初，该团队确定了 245 个 MAF 大于 10% 的常见变体。 这些变异等位基因也高度分化，如其 FST（>95）所示。百分位是。 研究人员在比较黑死病前后伦敦的样本时，使用中立地点定义了 FST。 接下来，他们认为，在黑死病期间死亡的人或黑死病后采样的人中，增加或减少对鼠疫杆菌的易感性或保护作用的等位基因应该分别增加或减少。 这将所谓选择的基因座列表从 245 个缩小到 35 个。最后，他们检查了这些基因座是否与伦敦对应基因座高度分化且方向相同。

此外，研究小组还检查了研究中确定的四个候选基因座或它们附近的基因是否参与了鼠疫耶尔森氏菌的转录反应。 因此，他们将 33 个样本的巨噬细胞与热灭活的鼠疫杆菌一起孵育。 接下来，他们使用核糖核酸（RNA）测序来比较这些样本与对照样本的基因表达谱。

研究结果

体外感染实验的功能数据证实，阳性选择的最强候选者直接参与对鼠疫杆菌的免疫反应。 研究人员发现了四个在伦敦黑死病爆发前后高度分化的基因位点。 因此，他们使用隐马尔可夫模型（HMM）计算了每个变体的选择系数。 同样的情况在作为最强选拔候选人的丹麦队列中也得到了重复。 由于样本量小，复制能力有限。 因此，伦敦 245 个高度分化的基因座中的一些可能也受到自然选择的影响，尽管它们没有通过保守的过滤标准。 未来研究这些变异在鼠疫耶尔森氏菌免疫反应中的进化作用的研究应该使用更大的样本量并结合额外的功能数据。

四个候选基因座 100 KB 内的 7 个基因在巨噬细胞中显示出对鼠疫耶尔森氏菌的转录反应，但亮氨酰和半胱氨肽酶基因 (LNPEP) 除外。 在体内，Toll 样受体 4 (TLR4) 通过识别其脂多糖膜 (LPS) 来识别鼠疫耶尔森氏菌。 为了避免这种检测，细菌使表面 LPS 脱乙酰化，从而降低与 TLR4 的结合亲和力。 Toll 样受体衔接分子 2 (TICAM2) 帮助 LPS 结合的 TLR4 进入核内体并激活 I 型干扰素 (IFN) 反应。 因此，增加的 TICAM2 表达可能赋予针对鼠疫耶尔森氏菌的保护作用。

研究人员发现内质网氨肽酶 2 (ERAP2) 基因座有两种单倍型（A 和 B）。 在巨噬细胞中，携带有害 rs2248374-G 单倍型 B 等位基因的个体中 ERAP2 表达减少与截短亚型的较高表达相关。 具有有益单倍型的受试者比具有致命单倍型的受试者能够更有效地抵抗鼠疫耶尔森氏菌引起的细胞死亡。 例如，IL-1β（一种与焦亡细胞死亡相关的关键促炎细胞因子）的水平在有益 ERAP2 基因型纯合个体中比假定致死基因型纯合个体中低三倍。 但该结果无法通过体外实验得到证实。

结论

目前的研究使用古代基因组数据和功能分析来收集鼠疫耶尔森氏菌感染影响某些免疫位点周围遗传多样性的经验证据。 鼠疫耶尔森氏菌引起的黑死病前后有四个显着分化的基因座成为最强的候选基因座。 ERAP2 显示了最有说服力的选择证据，选择系数为 0.4。

这一发现表明，有益等位基因纯合的个体在黑死病中幸存的可能性比致命等位基因纯合的个体高出约 40%。 ERAP2 蛋白可能增加了鼠疫耶尔森氏菌特异性抗原向 CD8+ T 细胞的呈递，从而刺激保护性免疫反应。

ERAP2 对多种病原体具有转录反应，支持其在调节免疫反应中的关键作用。 因此，鼠疫耶尔森氏菌对 ERAP2 的选择影响了对其他病原体和疾病特征的免疫反应。 例如，选择性有利的 ERAP2 等位基因是克罗恩病的已知危险因素，并且其等位基因变异已与其他传染病相关。

同样，研究表明另一个基因座 rs11571319 接近细胞毒性 T 淋巴细胞相关蛋白 4 (CTLA4)，与类风湿性关节炎和系统性红斑狼疮风险增加有关。 事实上，黑死病期间一些免疫基因的所谓有益等位基因的保留导致当今人群患自身免疫性疾病的风险增加。

参考：

• 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

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