Predstavljajte si vznemirjenje odkritja, ko je več kot 10 let raziskav o izvoru skupne genetske bolezni, cistične fibroze (CF) povzročilo, da jo zasledujemo do skupine izrazitih, a skrivnostnih Evropejcev, ki so živeli pred približno 5000 leti.
CF je najpogostejša, potencialno smrtonosna, podedovana bolezen med belci - približno eden od 40 jih nosi tako imenovano mutacijo F508del. Običajno se v populaciji širijo le koristne mutacije, ki zagotavljajo prednost preživetja.
CF ovira sproščanje prebavnih encimov iz trebušne slinavke, kar sproži podhranjenost, povzroči pljučne bolezni, ki so sčasoma usodne in v znoju proizvajajo veliko soli, kar je lahko smrtno nevarno.
Glede na mutacijo, ki jo bolnik nosi, lahko občuti nekatere ali vse simptome cistične fibroze. (Osebje Blausen.com (2014), CC BY-SA) V zadnjih letih so znanstveniki razkrili številne vidike te smrtonosne pljučne bolezni, ki so privedli do rutinske zgodnje diagnoze pri otrocih, ki se pregledujejo, boljšega zdravljenja in daljše življenjske dobe. Po drugi strani pa znanstvena skupnost ni mogla ugotoviti, kdaj, kje in zakaj so mutacije postale tako pogoste. V sodelovanju z izjemno ekipo evropskih znanstvenikov, kot sta David Barton na Irskem in Milan Macek na Češkem, zlasti s skupino briljantnih genetikov v Brestu, Franciji pod vodstvom Emmanuelle Génin in Clauda Férec, verjamemo, da zdaj vemo, kje in kdaj nastala je prvotna mutacija in v kateri je starodavno pleme ljudi.
Te ugotovitve delimo v članku v European Journal of Human Genetics, ki predstavlja vrhunec 20-letnega dela, v katerem je sodelovalo devet držav.
Kaj je cistična fibroza?
Moje iskanje ugotovitve, kako je nastala CF in zakaj je tako pogosta, se je začelo kmalu po tem, ko so znanstveniki leta 1989 odkrili gen CFTR, ki je povzročil bolezen. Najpogostejša mutacija gena, ki povzroča bolezen, se je imenovala F508del. Dve kopiji mutacije - ena je podedovala od matere, drugo pa od očeta - sta povzročili smrtonosno bolezen. Toda podedovanje samo ene kopije ni povzročilo nobenih simptomov in je postavilo osebo "nosilko".
Na Univerzi v Wisconsinu sem bil zaposlen od leta 1977 kot zdravnik-znanstvenik, ki se je osredotočil na zgodnjo diagnozo CF s presejalnimi testi. Pred odkritjem genov smo identificirali dojenčke z visokim tveganjem za CF s pomočjo krvnega testa, ki je meril ravni beljakovin, imenovanih imunoreaktivni tripsin (IRT). Visoka raven IRT je pokazala, da ima otrok CF. Ko sem izvedel za odkrivanje genov, sem bil prepričan, da bo to spreminjalo igre tako za razvoj presejalnih testov kot za epidemiološke raziskave.
To je zato, ker bi z genom lahko staršem ponudili bolj informativen test. Lahko bi jim povedali ne le, ali ima njihov otrok CF, ampak tudi, ali imata dve kopiji mutacije CFTR, ki je povzročila bolezen, ali samo eno kopijo, zaradi katere sta bila nosilca.
Starši, ki nosijo dobro kopijo gena CF (R) in eno slabo kopijo mutiranega CF gena (r), se imenujejo nosilci. Ko oba starša pošljeta slabo kopijo gena za CF svojim potomcem, bo otrok zbolel za cistično fibrozo. Otroci, ki podedujejo samo eno slabo kopijo, bodo nosilci kot njihovi starši in bodo lahko gen prenašali na svoje otroke. (Cburnett, CC BY-SA) Lahko bi se vprašali, kakšna je povezava med preučevanjem presejalnih pregledov CF na novorojenčka in učenjem o izvoru bolezni. Odgovor je v tem, kako je naša raziskovalna skupina v Wisconsinu preoblikovala biokemični presejalni test z uporabo oznake IRT v dvotirno metodo, imenovano IRT / DNA.
Ker ima približno 90 odstotkov bolnikov s CF v ZDA in Evropi vsaj eno mutacijo F508del, smo začeli analizirati novorojeno kri na njeno prisotnost, kadar koli je bila raven IRT visoka. Toda ko se opravi ta dvostopenjski presek IRT / DNK, ne prepoznamo samo bolnikov z boleznijo, ampak tudi desetkrat več dojenčkov, ki so genetski prenašalci bolezni.
Ker se je v zadnjih dveh desetletjih razširilo predkoncentrirano, prenatalno in neonatalno presejalno testiranje na CF, se je na tisoče posameznikov, ki so odkrili, da so nosilci F508del, in njihovi zaskrbljeni starši pogosto postavljali vprašanja o izvoru in pomenu prenašanja te mutacije sami ali v svojih otroci. Bi trpeli z eno kopijo? Ali je bila korist za zdravje? Neprijetno je, da pediater, specializiran za CF, nanje nima odgovora.
Izziv pri iskanju izvora mutacije CF
Želel sem se vključiti, ko se prvič začne pojavljati ta genetska mutacija. Določitev tega obdobja nam bo omogočila razumevanje, kako bi se lahko razvilo, da bi prineslo korist - vsaj na začetku - tistim v Evropi, ki so ga imeli. Da bi razširil svoje raziskovanje, sem se odločil, da se bom med študijem leta 1993 šolal na londonski šoli higiene in tropske medicine in se šolal v epidemiologiji.
Čas je bil popoln, saj je polje starodavnih raziskav DNK začelo cveteti. Nove tehnike preboja, kot je verižna reakcija polimeraze, so omogočile preučevanje DNK mumij in drugih človeških arheoloških primerkov iz prazgodovinskih pokopov. Na primer, zgodnje študije so bile izvedene na DNK od 5000 let starega tirolskega ledenika, ki je pozneje postal znan kot Ötzi.
Tipičen prazgodovinski pokop v nagnjenem položaju ploda. (Philip Farrell, CC BY-SA) Odločil sem se, da bomo morda lahko odkrili izvor CF z analizo DNK v zobeh ljudi iz železne dobe, pokopanih med 700-100 pr.n.š. na pokopališčih po Evropi.
S to strategijo sem se združil z arheologi in antropologi, kot je Maria Teschler-Nicola, v Naravoslovnem muzeju na Dunaju, ki so zagotovili dostop do 32 okostij, pokopanih okoli leta 350 pred našim štetjem. Genetiki v Franciji so od antičnih molarjev zbirali DNK in analizirali DNK. Na naše presenečenje smo odkrili prisotnost mutacije F508del v DNK iz treh od 32 okostij.
To odkritje F508del v pokopališčih srednjeevropske železne dobe z ogljikovodikom, datirano do 350 let pred našim štetjem, nam je nakazovalo, da je prvotna mutacija CF morda nastala že prej. Toda pridobivanje primerkov iz bronaste dobe in neolitika za tako neposredne študije se je izkazalo za težko, saj je na voljo manj pokopov, okostja niso tako dobro ohranjena in vsako pokopališče predstavlja le pleme ali vas. Namesto da bi bili odvisni od starodavne DNK, smo svojo strategijo preučili, da bi preučili gene sodobnih ljudi, da bi ugotovili, kdaj je ta mutacija prvič nastala.
Zakaj bi se škodljiva mutacija širila?
Da bi ugotovili izvor CF pri sodobnih bolnikih, smo vedeli, da moramo izvedeti več o mutaciji podpisov - F508del - pri ljudeh, ki so prenašalci ali bolezen.
Ta drobna mutacija povzroči izgubo ene aminokisline iz 1480 aminokislinskih verig in spremeni obliko proteina na površini celice, ki klorid premika v celico in iz nje. Ko se ta beljakovina mutira, ljudje, ki nosijo dve kopiji le-tega - enega od matere in enega od očeta -, zaidejo v pljuča, trebušno slinavko in druge organe z gosto lepljivo sluzjo. Sluz v njihovih pljučih omogoča, da bakterije uspevajo, uničujejo tkivo in sčasoma povzročijo, da pljuča ne uspevajo. V trebušni slinavki debeli izločki preprečujejo, da žleza odda encime, ki jih telo potrebuje za prebavo hrane.
Zakaj bi se tako škodljive mutacije še naprej prenašale iz roda v rod?
Naravoslovni muzej na Dunaju v Avstriji hrani veliko zbirko okostij železne dobe in bronaste dobe, ki jo je kurirala dr. Marija Teschler-Nicola. Te zbirke so bile vir zob in kosti za preiskavo starodavne DNK in študij o "Starodavnem izvoru cistične fibroze". (Philip Farrell, CC BY-ND) Mutacija, tako škodljiva kot F508del, nikoli ne bi preživela med ljudmi z dvema kopijama mutiranega gena CFTR, ker so verjetno umrli kmalu po rojstvu. Po drugi strani imajo lahko tisti z eno mutacijo prednost preživetja, kot je napovedano v Darwinovi teoriji o "preživetju najmočnejših".
Morda je najboljši primer mutacije, ki spodbuja preživetje v stresnih okoljskih razmerah, v Afriki, kjer je bila usodna malarija že stoletja endemična. Parazit, ki povzroča malarijo, okuži rdeče krvne celice, v katerih je glavna sestavina beljakovinski hemoglobin, ki prenaša kisik. Posamezniki, ki nosijo normalen gen za hemoglobin, so izpostavljeni tej bolezni, ki jo prenašajo komarji. Toda tisti, ki so nosilci mutiranega gena "hemoglobin S", le z eno kopijo, so zaščiteni pred hudo malarijo. Vendar dve kopiji gena hemoglobina S povzročata srpastecelične bolezni, ki so lahko usodne.
Tu je jasna prednost, če nosimo en mutiran gen - v resnici približno vsak deseti Afričan nosi en sam izvod. Tako je že več stoletij okoljski dejavnik naklonjen preživetju posameznikov, ki nosijo en izvod mutacije srpa s hemoglobinom.
Posamezniki, ki nosijo dve kopiji gena srpaste celice, trpijo za anemijo srpastih celic, pri katerih krvne celice postanejo toge srpaste oblike in se zataknejo v krvnih žilah, kar povzroča bolečino. Običajne rdeče krvne celice so fleksibilni diski, ki zlahka drsijo po žilah. (Designua / Shutterstock.com) Podobno smo se spraševali, ali obstaja korist za zdravje, če nosimo eno kopijo te specifične mutacije CF med izpostavljenostjo okoljsko stresnim razmeram. Morda smo si premislili, zato je bila mutacija F508del pogosta med evropskimi belci in prebivalci, ki izvirajo iz Evrope.
Namige iz sodobne DNK
Da bi ugotovili prednost prenosa enega mutiranega gena F508del iz generacije v generacijo, smo morali najprej ugotoviti, kdaj in kje je mutacija nastala, da smo lahko odkrili korist, ki jo ta mutacija prinaša.
Vzeli smo vzorce DNK od 190 pacientov s CF, ki so nosili F508del, in njihovih staršev, ki prebivajo v geografsko ločenih evropskih populacijah od Irske do Grčije, in prebivalstva, ki izvira iz Nemčije v ZDA. Nato smo identificirali zbirko genetskih markerjev - v bistvu zaporedja DNK - znotraj gena CF in bočna mesta na kromosomu. Z identifikacijo, kdaj so se pojavile te mutacije v populaciji, ki smo jo preučevali, smo lahko ocenili starost najnovejšega skupnega prednika.
Nato smo s strogimi računalniškimi analizami ocenili starost mutacije CF pri vsaki populaciji, ki prebiva v različnih državah.
Dve kopiji gena srpastih celic povzročata bolezen. Toda nošenje ene kopije zmanjšuje tveganje za nastanek malarije. Gen je zelo razširjen med ljudmi, ki živijo v regijah sveta (rdeče), kjer je malarija endemična. (ellepigrafica) Nato smo ugotovili, da je starost najstarejšega skupnega prednika med 4600 in 4725 leti in je nastala v jugozahodni Evropi, verjetno v naseljih ob Atlantskem oceanu in morda v Franciji ali na Portugalskem. Verjamemo, da se je mutacija od tam hitro razširila v Veliko Britanijo in Irsko, nato pa še na prebivalce centralne in jugovzhodne Evrope, kot je Grčija, kjer je bil F508del uveden šele pred približno 1000 leti.
Kdo je razširil mutacijo CF po Evropi?
Tako naši na novo objavljeni podatki kažejo, da je mutacija F508del nastala v zgodnji bronasti dobi in se med starodavnimi migracijami razširila od zahodne do jugovzhodne Evrope.
Poleg tega, če upoštevamo arheološki zapis, nam naši rezultati omogočajo, da predstavimo nov koncept s tem, da nakazujemo, da je bila populacija, znana kot ljudstvo Bell Beaker, verjetno selijoča se populacija, odgovorna za zgodnje razširjanje F508del v prazgodovinski Evropi. Pojavile so se na prehodu iz poznega neolitika, okoli leta 4000 pred našim štetjem, v zgodnjo bronasto dobo v tretjem tisočletju pred našim štetjem nekje v zahodni Evropi. Odlikovali so jih po keramičnih čašah, pionirski bakreni in bronasti metalurgiji severno od Alp in velika mobilnost. Vse študije pravzaprav kažejo, da so bili v težkih migracijah in so potovali po vsej zahodni Evropi.
Distribucija mest Bell Beaker po vsej Evropi. (DieKraft prek Wikimedia Commons) V približno 1.000 letih je mreža majhnih družin in / ali elitnih plemen razširila svojo kulturo od zahoda proti vzhodu v regije, ki tesno ustrezajo današnji Evropski uniji, kjer je ugotovljena največja pojavnost CF. Njihove migracije so povezane s prihodom zahodne in srednjeevropske metalurgije, saj so med potovanjem na dolge razdalje izdelovali in trgovali kovinske izdelke, zlasti orožje. Ugiba se tudi, da so bila njihova potovanja motivirana z vzpostavitvijo zakonskih mrež. Za našo raziskavo so najpomembnejši dokazi, da so se migrirali v smeri in skozi časovno obdobje, ki se dobro ujema z našimi rezultati. Nedavni genski podatki kažejo, da sta tako migracija kot kulturni prenos igrala glavno vlogo pri razširjanju "kompleksa Beaker" in privedla do "globoke demografske preobrazbe" Britanije in drugod po 2400 pr.n.št.
Določitev, kdaj je bil F508del prvič predstavljen v Evropi, in odkrivanje, kje se je pojavil, bi moralo zagotoviti nova spoznanja o visoki razširjenosti prevoznikov - in ali mutacija daje evolucijsko prednost. Na primer, Evropejci iz bronaste dobe so bili ob močni selitvi očitno rešeni pred izpostavljenostjo endemičnim nalezljivim boleznim ali epidemijam; tako se zdi zaščita pred nalezljivo boleznijo, kot pri mutaciji srpastih celic, s pomočjo te genetske mutacije malo verjetna.
Ko je več informacij o ljudeh iz bronaste dobe in njihovih praksah med migracijami na voljo z arheološkimi in genomičnimi raziskavami, se mora pojaviti več namigov o okoljskih dejavnikih, ki so naklonjeni ljudem, ki so imeli to gensko različico. Potem bomo morda lahko odgovorili na vprašanja pacientov in staršev o tem, zakaj imajo v svoji družini mutacijo CFTR in kakšno prednost jim daje.
Primeri orodij in keramike, ki so jih ustvarili ljudje Bell Beaker-ja. (Benutzer: Thomas Ihle prek nemške Wikipedije, CC BY-SA) Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru.
Philip Farrell, profesor za pediatrijo in zdravstvene vede prebivalstva, Univerza Wisconsin-Madison
