Der Schwarze Tod könnte die Entwicklung von Genen beeinflusst haben, die an Immunreaktionen gegen Krankheitserreger beteiligt sind

In einer aktuellen Studie veröffentlicht in NaturForscher haben empirische Beweise dafür gesammelt, dass vergangene Pandemien aufgrund infektiöser Krankheitserreger die heutige Anfälligkeit des Menschen für Krankheiten wie Autoimmunerkrankungen geprägt haben.

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

Hintergrund

Die Pestpandemie, allgemein als Schwarzer Tod bezeichnet, wurde durch eine Bakterienart, Yersinia pestis, verursacht, die 30 bis 50 % der afro-eurasischen Bevölkerung auslöschte und zum größten Sterblichkeitsereignis in der Geschichte der Menschheit wurde. Solche beispiellosen Sterblichkeitsraten deuteten darauf hin, dass allelische Varianten von Immungenen, die eine Immunantwort gegen eine Y. pestis-Infektion auslösten, in dieser Zeit möglicherweise einer starken Selektion unterzogen wurden. Bei allen nachfolgenden Pestpandemien in Europa gingen die Sterblichkeitsraten deutlich zurück, wahrscheinlich aufgrund der Entwicklung von Krankheitserregern, veränderter kultureller Praktiken oder der genetischen Anpassung des Menschen an Y. pestis.

Da sie der Pest in letzter Zeit nicht ausgesetzt waren, scheinen die Europäer, die den Schwarzen Tod erlebt haben, eine immunologisch naive Bevölkerung mit minimaler oder keiner Anpassung an Y. pestis darzustellen. Bisher sind die Immunziele von Y. pestis, die während des Schwarzen Todes selektiert wurden, jedoch noch nicht bekannt. Die meisten Hinweise auf einen Zusammenhang zwischen Risikoallelen im Zusammenhang mit Autoimmunerkrankungen und der Anpassung an frühere Infektionskrankheiten bleiben indirekt, da die ätiologischen Faktoren, die diese Selektion vorantreiben, verborgen bleiben.

Über die Studie

In der vorliegenden Studie haben Forscher alte Genomdaten von Personen ausgegraben, die kurz vor, während oder nach der Schwarzen Tod-Pandemie in London und Dänemark gestorben sind, um ihre genetischen Variationen zu charakterisieren. Das einzigartige Stichprobendesign der Studie half den Forschern, genetische Signaturen aufgrund von Y. pestis von anderen selektiven Prozessen, einschließlich anderer Infektionskrankheiten wie Tuberkulose, zu unterscheiden. Darüber hinaus wurde das Ausmaß minimiert, in dem andere historische Ereignisse, wie etwa eine Hungersnot, die Schlussfolgerung einer positiven Selektion hätten beeinflussen können.

Das Team besuchte drei Londoner Friedhöfe, um Desoxyribonukleinsäure (DNA)-Proben von Personen zu sammeln, die vor, während und nach dem Schwarzen Tod starben. In London sammelten sie außerdem Proben aller Opfer des Schwarzen Todes, die zwischen 1348 und 1349 starben und in East Smithfield begraben wurden. Der Radiokarbon, die Stratigraphie und historische Daten bestätigten, wie diese Menschen starben. Bestattungen in London waren genauer datiert und geografisch besser kontrolliert als die in Dänemark. Als nächstes befragte das Team Dänen aus fünf Orten im ganzen Land. Sie gruppierten diese Menschen in diejenigen, die in der Zeit vor und nach dem Schwarzen Tod lebten. Auf diese Weise stellten die Forscher sicher, dass sie ausschließlich europäische mitogenomische Haplotypen identifizierten.

Die Forscher untersuchten 516 Proben, davon 318 aus London und 198 aus Dänemark. Sie entdeckten menschliche DNA mithilfe eines modifizierten Polymerasekettenreaktionstests (PCR) für das zelluläre Myelozytomatose-Onkogen-Gen (c-myc). Darüber hinaus identifizierten sie 360 ​​Kernorte mit ausreichend endogener DNA für die anschließende Anreicherung und Sequenzierung.

Die Forscher stellten sicher, dass Desaminierung und andere alte DNA-Schäden sich nicht als gefälschte Genotyp-Angaben manifestierten. Daher kürzten sie vier Basenpaare (bp) vom Anfang und Ende jedes Sequenzierungslesevorgangs. Der endgültige Studiendatensatz umfasste 33.110 Biallelvarianten mit einer durchschnittlichen Abdeckung von 4,6-fachen Lesevorgängen pro Standort und Person. Sie haben fehlende Genotypaufrufe an über 50 % der Zielstandorte herausgefiltert. Als nächstes berechnete das Team die Minor-Allel-Häufigkeit (MAF) pro Population. Schließlich behielten sie nur die Standorte bei, deren durchschnittlicher MAF in London und Dänemark im Durchschnitt mehr als 5 % betrug.

Darüber hinaus suchten die Forscher innerhalb von Immungenen und Loci der genomweiten Assoziationsstudie (GWAS) nach Allelvarianten, die unerwartete Veränderungen in der Häufigkeit zwischen Proben vor und nach dem Schwarzen Tod zeigten, um Genvarianten zu identifizieren, für die der Differenzierungsgrad (FST) gleich war mehr als zufällig erwartet.

Zunächst identifizierte das Team 245 häufige Varianten mit einem MAF von mehr als 10 %. Diese Allelvarianten waren ebenfalls hoch differenziert, was durch ihren FST angezeigt wurde, der bei >95. Perzentil lag. Die Forscher definierten FST anhand neutraler Standorte, als sie Proben aus London vor und nach dem Schwarzen Tod verglichen. Als nächstes argumentierten sie, dass Allele, die eine erhöhte Anfälligkeit für Y. pestis oder Schutz vor Y. pestis verleihen, bei Menschen, die während des Schwarzen Todes starben, bzw. bei denen, die nach dem Schwarzen Tod beprobt wurden, in ihrer Häufigkeit zunehmen oder abnehmen sollten. Dadurch wurde die Liste der angeblich ausgewählten Genorte von 245 auf 35 eingegrenzt. Schließlich untersuchten sie, ob diese Genorte genauso hoch differenziert und in die gleiche Richtung wie ihre Londoner Gegenstücke waren.

Darüber hinaus untersuchte das Team, ob die vier in der Studie identifizierten Kandidaten-Loci oder Gene in ihrer Nähe an der Transkriptionsreaktion auf Y. pestis beteiligt waren. Deshalb inkubierten sie Makrophagen aus 33 Proben mit hitzegetöteten Y. pestis. Als nächstes verwendeten sie eine Ribonukleinsäure (RNA)-Sequenzierung, um die Genexpressionsprofile dieser Proben mit denen von Kontrollproben zu vergleichen.

Studienergebnisse

Funktionelle Daten aus In-vitro-Infektionsexperimenten bestätigten, dass die stärksten Kandidaten für eine positive Selektion direkt an der Immunantwort auf Y. pestis beteiligt waren. Die Forscher identifizierten vier Genorte, die vor und nach dem Ausbruch der Schwarzen Pest in London stark differenziert waren. Daher berechneten sie die Auswahlkoeffizienten für jede dieser Varianten mithilfe eines Hidden-Markov-Modells (HMM). Das Gleiche wurde in der dänischen Kohorte als stärkste Auswahlkandidaten wiederholt. Aufgrund der geringen Stichprobengröße war die Replikationsleistung begrenzt. Daher waren einige der 245 hochdifferenzierten Loci in London wahrscheinlich auch von der natürlichen Selektion betroffen, obwohl sie die konservativen Filterkriterien nicht überlebten. Zukünftige Studien, die die evolutionäre Rolle dieser Varianten bei der Immunantwort auf Y. pestis untersuchen, sollten größere Stichprobengrößen in Verbindung mit zusätzlichen Funktionsdaten verwenden.

Sieben Gene innerhalb von 100 Kilobasen von vier Kandidaten-Loci zeigten eine Transkriptionsreaktion auf Y. pestis in Makrophagen, mit Ausnahme des Leucyl- und Cysteinyl-Aminopeptidase-Gens (LNPEP). In vivo erkannte der Toll-like-Rezeptor 4 (TLR4) Y. pestis durch Erkennung seiner Lipopolysaccharid-Membran (LPS). Um diesen Nachweis zu vermeiden, deacetylieren Bakterien Oberflächen-LPS und verringern dadurch die Bindungsaffinität für TLR4. Das Toll-like-Rezeptor-Adaptermolekül 2 (TICAM2) half LPS-gebundenem TLR4, in Endosomen zu gelangen und Typ-I-Interferon (IFN)-Reaktionen zu aktivieren. Es ist daher möglich, dass eine erhöhte TICAM2-Expression einen Schutz gegen Y. pestis verlieh.

Die Forscher stellten fest, dass der Locus der endoplasmatischen Retikulum-Aminopeptidase 2 (ERAP2) zwei Haplotypen (A und B) aufwies. In Makrophagen war die verringerte ERAP2-Expression bei Personen, die das schädliche rs2248374-G-Allel des Haplotyps B trugen, mit einer höheren Expression der verkürzten Isoform verbunden. Probanden mit dem vorteilhaften Haplotyp konnten dem durch Y. pestis verursachten Zelltod wirksamer widerstehen als Probanden mit dem tödlichen Haplotyp. Beispielsweise waren die Spiegel von IL-1β, einem wichtigen proinflammatorischen Zytokin, das mit dem pyroptotischen Zelltod assoziiert ist, bei Personen, die homozygot für den vorteilhaften ERAP2-Genotyp waren, dreimal niedriger als bei Personen, die homozygot für den angeblich tödlichen Genotyp waren. Die Ergebnisse konnten jedoch durch In-vitro-Experimente nicht bestätigt werden.

Schlussfolgerungen

Die aktuelle Studie nutzte alte Genomdaten und Funktionsanalysen, um empirische Beweise dafür zu sammeln, dass eine Y. pestis-Infektion die genetische Vielfalt um einige Immunloci herum beeinflusste. Vier Loci, die sich vor und nach dem durch Y. pestis verursachten Schwarzen Tod stark differenzierten, erwiesen sich als die stärksten Kandidaten für die Selektion. ERAP2 zeigte mit einem Auswahlkoeffizienten von 0,4 die überzeugendsten Beweise für die Auswahl.

Dieser Befund legt nahe, dass Personen, die homozygot für das nützliche Allel sind, mit einer um etwa 40 % höheren Wahrscheinlichkeit den Schwarzen Tod überleben als Personen, die homozygot für das tödliche Allel sind. Möglicherweise steigerte das ERAP2-Protein die Präsentation von Y. pestis-spezifischen Antigenen gegenüber CD8+-T-Zellen und stimulierte so eine schützende Immunantwort.

ERAP2 reagierte transkriptionell auf mehrere Krankheitserreger, was seine Schlüsselrolle bei der Regulierung der Immunantwort unterstützt. Daher beeinflusste die von Y. pestis auf ERAP2 ausgeübte Selektion die Immunantwort auf andere Krankheitserreger und Krankheitsmerkmale. Beispielsweise ist das selektiv vorteilhafte ERAP2-Allel ein bekannter Risikofaktor für Morbus Crohn, und seine allelische Variation wurde mit anderen Infektionskrankheiten in Verbindung gebracht.

Ebenso haben Studien die Assoziation eines anderen Locus, rs11571319, nahe dem zytotoxischen T-Lymphozyten-assoziierten Protein 4 (CTLA4), mit einem erhöhten Risiko für rheumatoide Arthritis und systemischen Lupus erythematodes gezeigt. Tatsächlich führte die Beibehaltung der angeblich vorteilhaften Allele einiger Immungene während des Schwarzen Todes zu einem erhöhten Risiko für Autoimmunerkrankungen in der heutigen Bevölkerung.

Referenz:

• 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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