Kujutage ette põnevust, kui enam kui 10 aastat kestnud teadusuuringud tavalise geneetilise haiguse, tsüstilise fibroosi (CF) päritolu kohta annavad tulemuse selle eristamiseks eristatavate, kuid salapäraste eurooplaste grupist, kes elasid umbes 5000 aastat tagasi.
CF on kaukaaslaste seas kõige levinum, potentsiaalselt surmav pärilik haigus - umbes üks 40-st kannab nn F508deli mutatsiooni. Tavaliselt levivad populatsioonis laialdaselt ainult kasulikud mutatsioonid, mis pakuvad ellujäämiseelist.
CF takistab seedeensüümide vabanemist kõhunäärmest, mis kutsub esile alatoitumuse, põhjustab kopsuhaigusi, mis on lõpuks surmav ja tekitab higis rohkesti soola, mis võib olla eluohtlik.
Sõltuvalt patsiendil esinevast mutatsioonist võivad nad kogeda mõnda või kõiki tsüstilise fibroosi sümptomeid. (Blausen.com töötajad (2014), CC BY-SA) Viimastel aastatel on teadlased avastanud selle surmava kopsuhaiguse paljusid aspekte, mis on viinud skriinitud imikute tavapärase varajase diagnoosimiseni, parema raviviisini ja pikema eluea saavutamiseni. Teisest küljest pole teadlaskond suutnud aru saada, millal, kus ja miks mutatsioon nii tavaliseks muutus. Koostöös selliste Euroopa teadlaste erakordse meeskonnaga nagu Iirimaal David Barton ja Tšehhi Vabariigis Milan Macek, eriti Brüsselis asuvate geniaalsete geneetikute rühmaga, mida juhendavad Emmanuelle Génin ja Claude Férec, usume, et teame nüüd, kus ja millal algne mutatsioon tekkis ja milles iidne inimeste hõim.
Jagame neid tulemusi Euroopa Ajakirja Human Genetics artiklis, mis tähistab üheksat riiki hõlmava 20-aastase töö kulminatsiooni.
Mis on tsüstiline fibroos?
Minu püüdlus teha kindlaks, kuidas CF tekkis ja miks see nii levinud on, algas varsti pärast seda, kui teadlased avastasid haiguse põhjustanud CFTR-geeni 1989. aastal. Selle haigust põhjustava geeni kõige tavalisemat mutatsiooni nimetati F508del. Kaks mutatsiooni eksemplari - üks päriti emalt ja teine isalt - põhjustas surmava haiguse. Kuid ainult ühe eksemplari pärimine ei põhjustanud mingeid sümptomeid ja muutis inimese “kandjaks”.
Olin töötanud Wisconsini ülikoolis alates 1977. aastast arstiteadlasena, keskendudes CF varajasele diagnoosimisele vastsündinute sõeluuringute kaudu. Enne geeni avastamist tuvastasime immuunsüsteemi kõrge riskiga imikud vereproovi abil, mille abil mõõdeti immunoreaktiivse trüpsinogeeni (IRT) nimega valgu taset. IRT kõrge tase näitas, et lapsel oli CF. Kui ma geenide avastusest teada sain, olin veendunud, et see on mängude vahetaja nii sõeltestide väljatöötamise kui ka epidemioloogiliste uuringute jaoks.
Seda seetõttu, et geeniga saaksime vanematele pakkuda informatiivsemat testi. Me ei saaks neile öelda mitte ainult seda, kas nende lapsel oli CF, vaid ka seda, kas neil oli CFTR-i mutatsiooni kaks eksemplari, mis põhjustas haiguse, või ainult ühe koopia, mis tegi neist kandja.
Vanemaid, kellel on CF-geeni (R) üks hea koopia ja muteerunud CF-geeni (r) üks halb koopia, nimetatakse kandjateks. Kui mõlemad vanemad edastavad järglastele halva CF-geeni koopia, põeb laps tsüstilist fibroosi. Lapsed, kes pärivad vaid ühe halva eksemplari, on kandjatena sarnased nende vanematega ja saavad geeni oma lastele edasi anda. (Cburnett, CC BY-SA) Võib küsida, milline on seos CF vastsündinute sõeluuringute uurimise ja haiguse päritolu tundmaõppimise vahel. Vastus peitub selles, kuidas meie uurimisrühm Wisconsinis muutis IRT-markerit kasutava biokeemilise sõeltesti kaheastmeliseks meetodiks nimega IRT / DNA.
Kuna umbes 90 protsendil CF-i patsientidest USA-s ja Euroopas on vähemalt üks F508deli mutatsioon, hakkasime vastsündinu verd selle olemasolu suhtes analüüsima, kui IRT tase oli kõrge. Kuid kui see kaheastmeline IRT / DNA sõeluuring läbi viiakse, ei diagnoosita mitte ainult patsiente, vaid ka kümme korda rohkem imikuid, kes on haiguse geneetilised kandjad.
Kuna CF-uuringute eel-, sünnieelne ja vastsündinute skriinimine on viimase kahe aastakümne jooksul vohama hakanud, tõstatasid tuhanded inimesed, kes avastasid, et nad on F508del kandjad, ja nende mures olevad vanemad tõstatasid sageli küsimusi selle mutatsiooni päritolu ja olulisuse kohta iseenda või oma lapsed. Kas nad kannataks ühe eksemplari käes? Kas oli kasu tervisele? CF-le spetsialiseerunud lastearsti jaoks on olnud pettumust valmistav, kui nende jaoks pole vastust.
CF mutatsiooni päritolu leidmise väljakutse
Tahtsin nullida, kui see geneetiline mutatsioon esimest korda ilmuma hakkas. Selle perioodi täpsustamine võimaldaks meil mõista, kuidas see oleks võinud areneda, et pakkuda kasu - vähemalt esialgu - neile Euroopa inimestele, kellel see oli. Uurimistöö laiendamiseks otsustasin võtta 1993. aastal Londoni hügieeni- ja troopilise meditsiini koolis kursused, kus võtsin vastu hingamispäeva ja koolitasin epidemioloogiat.
Ajastus oli täiuslik, kuna iidsete DNA-uuringute väli hakkas õitsema. Uued läbimurretehnikad, näiteks polümeraasi ahelreaktsioon, võimaldasid muinasjuttude ja muude arheoloogiliste proovide DNA-d uurida eelajaloolistest matmistest. Näiteks tehti varased uuringud 5000-aastase Tirooli Jäämehe DNA-ga, mis hiljem sai nime Ötzi.
Tüüpiline eelajalooline matmine krooksunud looteasendis. (Philip Farrell, CC BY-SA) Otsustasin, et võib-olla suudame CF-i päritolu avastada, analüüsides rauaaja inimeste hammastes olevat DNA-d, mis on maetud ajavahemikus 700–100 eKr kalmistutele kogu Euroopas.
Seda strateegiat kasutades pidasin Viini loodusloomuuseumis koostööd arheoloogide ja antropoloogidega, näiteks Maria Teschler-Nicolaga, kes võimaldasid juurdepääsu 32 Viini lähedale eKr 350 maetud luustikule. Prantsuse geneetikud kogusid iidsetest molaaridest DNAd ja analüüsisid seda. Meie üllatuseks avastasime F508deli mutatsiooni olemasolu kolmes 32-st luustikust DNA-s.
See F508deli avastus Kesk-Euroopa rauaaja matmistes, mis pärinevad radiosüsinikust, pärineb aastast 350 eKr, viitas meile, et CF algsed mutatsioonid võisid tekkida varem. Kuid pronksiaja ja neoliitikumi eksemplaride hankimine sellisteks otsesteks uuringuteks osutus keerukaks, kuna matmispaiku on vähem, luustikud pole nii hästi säilinud ja iga kalmistu esindab üksnes hõimu või küla. Nii et mitte sõltuda iidsest DNA-st, nihutasime oma strateegiat tänapäevaste inimeste geenide uurimiseks, et teada saada, millal see mutatsioon esmakordselt tekkis.
Miks leviks kahjulik mutatsioon?
CF-i päritolu leidmiseks tänapäevastel patsientidel teadsime, et peame rohkem tundma signatuurimutatsiooni - F508del - inimestel, kes on selle haiguse kandjad.
See pisike mutatsioon põhjustab ühe aminohappe kaotuse 1480 aminohapete ahelast ja muudab raku pinnal oleva valgu kuju, mis viib kloriidi raku sisse ja välja. Kui see valk on muteerunud, vaevavad inimesed seda kahte koopiat - üks emalt ja teine isalt - kopsudes, kõhunäärmes ja muudes organites paksu kleepuva limaga. Nende kopsus olev lima võimaldab bakteritel jõudsalt areneda, hävitades kude ja põhjustades kopsude rikke. Kõhunäärmes takistavad paksud sekretsioonid näärmel ensüümide väljastamist, mida keha vajab toidu seedimiseks.
Miks siis edastaks selline kahjulik mutatsioon põlvest põlve?
Loodusmuuseumis Viinis, Austrias, asub suur kollektsioon raua- ja pronksiaja luustikke, mille kuraator on dr Maria Teschler-Nicola. Need kollektsioonid olid hammaste ja luude allikaks iidse DNA ja tsüstilise fibroosi iidse päritolu uuringute uurimisel. (Philip Farrell, CC BY-ND) Nii kahjulik mutatsioon kui F508del poleks kunagi muteerunud CFTR-geeni kahe koopiaga inimeste seas ellu jäänud, sest tõenäoliselt surid nad varsti pärast sündi. Teisest küljest võib ühe mutatsiooniga inimestel olla ellujäämise eelis, nagu ennustatakse Darwini „kõige tugevama ellujäämise” teoorias.
Parima näite stressirohketes keskkonnatingimustes ellujäämist soodustavast mutatsioonist võib leida Aafrikast, kus surmav malaaria on olnud sajandeid endeemiline. Parasiit, mis põhjustab malaariat, nakatab punaseid vereliblesid, mille peamine koostisosa on hapnikku kandev valgu hemoglobiin. Isikud, kes kannavad normaalset hemoglobiini geeni, on selle sääse kaudu leviva haiguse suhtes haavatavad. Kuid need, kes on muteerunud “hemoglobiini S” geeni kandjad ja millel on ainult üks eksemplar, on kaitstud raske malaaria eest. Kuid hemoglobiini S geeni kaks eksemplari põhjustavad sirprakulist haigust, mis võib lõppeda surmaga.
Siin on selge mutandi geeni kandmise eelis - tegelikult kannab umbes üks kümnest aafriklasest ühte eksemplari. Seega on keskkonnategur paljude sajandite jooksul soosinud sirbi hemoglobiini mutatsiooni ühe eksemplari kandvate indiviidide ellujäämist.
Sirprakkude geeni kahes eksemplaris olevad isikud kannatavad sirprakulise aneemia all, mille käigus vererakud muutuvad jäigaks sirpvormiks ja takerduvad veresoontesse, põhjustades valu. Normaalsed punased verelibled on elastsed kettad, mis libisevad hõlpsalt läbi anumate. (Designua / Shutterstock.com) Samamoodi mõtlesime, kas selle spetsiifilise CF-mutatsiooni ühe eksemplari kaasaskandmine keskkonnasäästlikes tingimustes on tervisele kasulik. Võib-olla arvasime, et sellepärast oli F508deli mutatsioon levinud kaukaasia eurooplaste ja Euroopast pärit elanikkonna seas.
Vihjed kaasaegsest DNA-st
Üksiku muteerunud F508deli geeni põlvest põlve edastamise eelise väljaselgitamiseks pidime kõigepealt kindlaks tegema, millal ja kus mutatsioon tekkis, et saaksime teada selle mutatsiooni eeliseid.
Saime DNA-proovid 190 CF-patsiendilt, kes kandis F508del, ja nende vanematelt, kes elavad geograafiliselt erinevates Euroopa populatsioonides Iirimaalt Kreekasse, ning lisaks Saksamaalt pärit populatsioonile USA-s. Seejärel tuvastasime CF geeni sees geneetiliste markerite kogumi - peamiselt DNA järjestusi -. ja kromosoomi külgnevad kohad. Tuvastades, millal need mutatsioonid ilmnesid meie uuritud populatsioonides, saime hinnata kõige uuema esivanema vanust.
Järgmisena hindasime rangete arvutianalüüside abil CF-i mutatsiooni vanust igas eri riikides elavas populatsioonis.
Haigus põhjustab sirprakulise geeni kaks eksemplari. Kuid ühe eksemplari kaasaskandmine vähendab malaaria riski. Geen on laialt levinud inimeste seas, kes elavad maailma (punases) piirkonnas, kus malaaria on endeemiline. (ellepigrafica) Seejärel tegime kindlaks, et vanima ühise esivanema vanus on vahemikus 4600 kuni 4725 aastat ja see tekkis Edela-Euroopas, tõenäoliselt Atlandi ookeani äärsetes asulates ja võib-olla Prantsusmaa või Portugali piirkonnas. Usume, et mutatsioon levis sealt kiiresti Suurbritanniasse ja Iirimaale ning hiljem Kesk- ja Kagu-Euroopa populatsioonidesse, näiteks Kreekasse, kus F508del võeti kasutusele alles umbes 1000 aastat tagasi.
Kes levis CF mutatsiooni kogu Euroopas?
Seega viitavad meie värskelt avaldatud andmed sellele, et F508deli mutatsioon tekkis varajasel pronksiajal ja levis iidsete rännete ajal läänest Kagu-Euroopasse.
Arheoloogilisi andmeid arvesse võttes võimaldavad meie tulemused meil tutvustada uudset kontseptsiooni, viidates sellele, et Bell Beakeri rahvana tuntud populatsioon oli tõenäoliselt rändav elanikkond, kes põhjustas F508deli varase leviku muinasaja Euroopas. Need ilmusid hilisel neoliitikumist, umbes 4000 eKr, varajasel pronksiajal, III aastatuhandel eKr, kuskil Lääne-Euroopas. Neid eristasid nende keraamilised keeduklaasid, teedrajav vase- ja pronksmetallurgia Alpidest põhja pool ning suur liikuvus. Tegelikult näitavad kõik uuringud, et nad olid rännates kogu Lääne-Euroopasse.
Bell Beakeri saitide levitamine kogu Euroopas. (DieKraft Wikimedia Commonsi kaudu) Ligikaudu 1000 aasta jooksul levis väikeste perekondade ja / või eliithõimude võrgustik oma kultuuri läänest itta piirkondadesse, mis vastavad tihedalt tänapäeva Euroopa Liidule, kus leitakse kõige sagedamini CF-i. Nende ränne on seotud Lääne- ja Kesk-Euroopa metallurgia tulekuga, kuna nad valmistasid ja kaubitsesid pikkade vahemaade läbimisel metalltooteid, eriti relvi. Samuti spekuleeritakse, et nende reiside ajendiks oli abieluvõrkude loomine. Meie uuringu jaoks on kõige olulisemad tõendid selle kohta, et nad rändasid suunas ja aja jooksul, mis sobib hästi meie tulemustega. Värskeimad genoomilised andmed näitavad, et nii ränne kui ka kultuuriline levik mängisid suurt rolli keedukompleksi levimisel ning põhjustasid Suurbritannias ja mujal „põhjaliku demograafilise muutuse” pärast 2400 eKr.
Kui otsustada, millal F508del esimest korda Euroopas kasutusele võeti, ja leida, kus see tekkis, peaks see andma uusi teadmisi kandjate suure levimuse kohta ja selle kohta, kas mutatsioon annab evolutsioonilise eelise. Näiteks pronksiaegsed eurooplased, kuigi rändavad ulatuslikult, on ilmselt säästnud kokkupuutest endeemiliste nakkushaiguste või epideemiatega; seega tundub selle geneetilise mutatsiooni kaudu kaitse nakkushaiguse eest, nagu sirprakulise mutatsiooni korral, ebatõenäoline.
Kuna arheoloogiliste ja genoomiliste uuringute kaudu saab rohkem teavet pronksiaja inimeste ja nende praktikate kohta rände ajal, peaks ilmnema rohkem vihjeid keskkonnategurite kohta, mis soosisid inimesi, kellel oli see geenivariant. Siis võime ehk vastata patsientide ja vanemate küsimustele, miks neil on peres CFTR-mutatsioon ja mis eelisega see kaasneb.
Näited Bell Beakeri inimeste loodud tööriistadest ja keraamikast. (Benutzer: Thomas Ihle saksa Vikipeedia kaudu, CC BY-SA) See artikkel avaldati algselt lehel The Conversation.
Wisconsini-Madisoni ülikooli pediaatria ja rahvastiku terviseteaduste professor Philip Farrell
