Képzelje el a felfedezés izgalmát, amikor egy közönséges genetikai betegség, a cisztás fibrózis (CF) több mint 10 éve folytatott kutatása eredményeként a megkülönböztetett, de rejtélyes európaiak egy csoportjára vezethető vissza, akik körülbelül 5000 évvel ezelőtt éltek.
A CF a leggyakoribb, potenciálisan halálos, öröklött betegség a kaukázusi nők körében - 40-ből kb. Egyben hordozza az úgynevezett F508del mutációt. Általában csak azok a jótékony mutációk, amelyek túlélési előnyt biztosítanak, széles körben terjednek a populáción.
A CF gátolja az emésztő enzimek felszabadulását a hasnyálmirigyből, ami alultáplálást vált ki, tüdőbetegségeket okoz, amelyek végül halálosak, és magas mennyiségű sót termelnek az izzadtságban, amelyek életveszélyesek lehetnek.
Attól függően, hogy a beteg hordozza-e a mutációt, a cisztás fibrózis néhány vagy minden tünete átélhető. (Blausen.com munkatársak (2014), CC BY-SA) Az utóbbi években a tudósok ennek a halálos tüdőbetegségnek számos aspektusát felfedték, amelyek rutinszerű korai diagnózishoz vezettek átvizsgált csecsemőknél, jobb kezelésekhez és hosszabb élettartamhoz. Másrészt a tudományos közösség nem tudta kitalálni, hogy a mutáció mikor, hol és miért vált ilyen gyakorivá. Egy olyan rendkívüli európai tudósokkal, mint például David Barton Írországban és Milan Macek a Cseh Köztársaságban, különös tekintettel a franciaországi brüsszeli genetikusok csoportjára, Emmanuelle Génin és Claude Férec vezetésével, úgy gondoljuk, hogy most már tudjuk, hol és mikor felmerült az eredeti mutáció, és amelyben az ősi emberek törzse volt.
Ezeket az eredményeket megosztjuk az European Journal of Human Genetics cikkben, amely kilenc ország bevonásával végzett 20 éves munka csúcspontját mutatja be.
Mi a cisztás fibrózis?
Az, hogy meghatározzam, hogy a CF hogyan alakult ki, és miért olyan gyakori, az a kutatásom, hogy a tudósok 1989-ben fedezték fel a betegséget okozó CFTR-gént, azt kezdték kutatni. A betegséget okozó gén leggyakoribb mutációját F508delnek hívták. A mutáció két példánya - az egyik az anyától örökölt, a másik az apától - okozta a halálos betegséget. De az egyetlen példány öröklése nem okozott tüneteket, és „hordozóvá” tette az embert.
1977 óta dolgozom a Wisconsini Egyetemen orvos-tudósként, a CF korai diagnosztizálására összpontosítva újszülöttek szűrésén keresztül. A gén felfedezése előtt olyan vérvizsgálat segítségével azonosítottuk a csecsemőket, akiknél magas a CF kockázata, immunológiai reaktív tripszinogénnek (IRT) nevezett fehérje szintjét mérve. A magas IRT szint azt sugallta, hogy a csecsemőnek CF-je van. Amikor megtudtam a génfedezésről, meg voltam győződve arról, hogy játékváltoztató lesz mind a szűrővizsgálat fejlesztése, mind az epidemiológiai kutatás szempontjából.
Ennek oka az, hogy a génnel informatív tesztet tudnánk nyújtani a szülőknek. Nemcsak azt tudhatnánk nekik, hogy gyermekének CF-e van-e, hanem azt is, hogy a CFTR mutáció két példányában vannak-e, ami betegséget okozott, vagy csak egy példányban, amely hordozóvá tette őket.
A CF szekvencia egy jó példányát (R) és a mutált CF gén (r) egy rossz példányát hordozó szülőket vivőanyagoknak nevezzük. Amikor mindkét szülő átadja utódainak a CF gén rossz példányát, a gyermek cisztás fibrózisban szenved. Azok a gyermekek, akik csak egy rossz példányt örökölnek, hordozók lesznek, mint a szüleik, és átvihetik a gént gyermekeiknek. (Cburnett, CC BY-SA) Feltehetjük a kérdést, mi a kapcsolat a CF újszülött szűrés tanulmányozása és a betegség eredete megismerése között. A válasz abban rejlik, hogy a Wisconsin-i kutatócsoportunk miként átalakította az IRT markert használó biokémiai szűrési tesztet egy IRT / DNS elnevezésű kétrétegű módszerre.
Mivel az Egyesült Államokban és Európában a CF-betegek kb. 90% -ánál van legalább egy F508del mutáció, elkezdtük az újszülött vérének elemzését, amikor az IRT szint magas volt. De amikor ezt a kétlépcsős IRT / DNS szűrést elvégzik, nemcsak a betegségben szenvedő betegeket diagnosztizálják, hanem tízszeresen több olyan csecsemőt is azonosítanak, akik a betegség genetikai hordozói.
Mivel az elõzetes, prenatális és újszülöttkori CF szűrés elterjedt az elmúlt két évtizedben, sok ezer olyan személy, akik felfedezték, hogy F508del hordozók, és érintett szülõik, gyakran kérdéseket tettek fel ennek a mutációnak a magukban vagy a gyermekek. Egy példányt szenvednének? Volt-e egészségügyi előnye? Frusztráló volt, hogy a CF-re szakosodott gyermekorvos nem válaszol érte.
A CF mutáció eredete megtalálásának kihívása
Nullam akartam lenni, amikor ez a genetikai mutáció először megjelent. Ezen időszak pontos meghatározása lehetővé tenné, hogy megértsük, hogyan alakulhatott volna az, ha előnyöket nyújtana - legalábbis kezdetben - azoknak az európaiak számára, akiknek ez volt. Kutatásaim kibővítése céljából elhatároztam, hogy egy sabbatust és edzést folytatok az epidemiológia területén, miközben 1993-ban kurzusokat vettem a londoni higiéniai és trópusi orvostudományi iskolában.
Az időzítés tökéletes volt, mert az ősi DNS-kutatás területe már virágozni kezdett. Az új áttörési technikák, például a polimeráz láncreakció lehetővé tette az őskori temetkezésekből származó múmiák és más emberi régészeti példányok DNS-ének vizsgálatát. Például korai vizsgálatokat végeztek az 5000 éves tiroli jégmanián DNS-ével, amelyet később Ötzi-nek hívtak.
Egy tipikus őskori temetés görcsös magzati helyzetben. (Philip Farrell, CC BY-SA) Úgy döntöttem, hogy felfedezhetjük a CF eredetét azáltal, hogy elemezzük a vaskori emberek fogain található DNS-t a Kr. E. 700–100 között temetőkbe temetve, egész Európában.
Ennek a stratégiának a felhasználásával régészekkel és antropológusokkal, például Maria Teschler-Nicola-val dolgoztam a bécsi Természettudományi Múzeumban, akik hozzáférést biztosítottak 32 csontvázhoz, amely Kr. E. 350 körül temették el Bécs közelében. A francia genetikusok összegyűjtötték a DNS-t az ősi molarákból és elemezték a DNS-t. Meglepetésünkre, hogy felfedeztük az F508del mutáció jelenlétét a 32 vázból háromból a DNS-ben.
Az F508del felfedezése a közép-európai vaskori temetkezésekben Kr. E. 350-ben kelt radiokarbon-kelte szerint arra utalt, hogy az eredeti CF mutáció korábban felmerült. A bronzkor és a neolitikum példányainak beszerzése ilyen közvetlen kutatásokhoz azonban nehéznek bizonyult, mivel kevesebb temetkezési lehetőség áll rendelkezésre, a csontvázak nem elég jól megőrzött és minden temető csupán egy törzset vagy falut ábrázol. Tehát ahelyett, hogy az ősi DNS-től függnénk, inkább a modern emberek génjeinek vizsgálatára irányuló stratégiánkat változtattuk meg, hogy kitaláljuk, mikor kezdődött ez a mutáció.
Miért terjedne a káros mutáció?
Ahhoz, hogy a CF eredetét a modern betegekben megismerjük, tudtuk, hogy többet kell megtudnunk az F508del szignálmutációjáról azokban az emberekben, akik hordozók vagy betegségben vannak.
Ez az apró mutáció az egyik aminosav elvesztését eredményezi az 1480 aminosav láncból, és megváltoztatja egy fehérje alakját a sejt felületén, amely a kloridot mozgatja a sejtben és onnan. Amikor ez a fehérje mutálódik, az emberek két példányát hordozzák - az anyát és az apát -, vastag ragacsos nyálkahártyát szenvednek a tüdőben, a hasnyálmirigyben és más szervekben. A tüdőben lévő nyálka lehetővé teszi a baktériumok virágzását, megsemmisítve a szövetet, és végül a tüdő meghibásodását okozva. A hasnyálmirigyben a vastag váladékok megakadályozzák, hogy a mirigy az enzimeket szállítsa, amelyek a testnek szüksége van az emésztésre.
Miért folytatná az ilyen káros mutáció nemzedékről generációra?
Az osztrák bécsi Természettudományi Múzeumban található a vaskor- és a bronzkori csontvázak nagy gyűjteménye, amelyet Dr. Maria Teschler-Nicola kurál. Ezek a gyűjtemények képezték a fogak és a csontok forrását az ősi DNS vizsgálatához és a „Cisztás fibrózis ősi eredetéről” szóló tanulmányokhoz. (Philip Farrell, CC BY-ND) Az olyan káros mutáció, mint az F508del, soha nem maradt volna fenn a mutált CFTR gén két példányával rendelkező emberek körében, mivel valószínűleg hamarosan meghaltak. Másrészről, az egyik mutációval rendelkezőknek lehetnek túlélési előnyeik, amint azt Darwin „a legmegfelelőbb túlélése” elméletében megjósolják.
Talán a stresszes környezeti feltételek mellett a túlélést támogató mutáció legjobb példája Afrikában található, ahol a halálos malária évszázadok óta endemikus. A malárát okozó parazita megfertőzi a vörösvérsejteket, amelyekben a fő alkotóelem az oxigént hordozó fehérje hemoglobin. Azok a személyek, akik a normál hemoglobin gént hordozzák, kiszolgáltatottak ennek a szúnyogok által terjesztett betegségnek. Azok azonban, akik a mutált „hemoglobin S” gén hordozói, és csak egy példányban vannak, védettek a súlyos malária ellen. A hemoglobin S gén két példánya azonban sarlósejtes betegséget okoz, amely halálos lehet.
Itt egyértelmű előnye van annak, ha egy mutáns gént hordozunk - valójában 10 afrikai közül mintegy egy hordoz egyetlen példányt. Így a környezeti tényezők évszázadokon át támogatták a sarló hemoglobin mutációjának egyetlen példányát hordozó egyének túlélését.
Azon személyek, akik a sarlósejt-gén két példányát hordozzák, sarlósejtes vérszegénységben szenvednek, amelyben a vérsejtek merev sarló alakúvá válnak és elakadnak az erekben, fájdalmat okozva. A normál vörösvértestek rugalmas korongok, amelyek könnyen átcsúsznak az erekön. (Designua / Shutterstock.com) Hasonlóképpen elgondolkodtunk azon, hogy vajon van-e egészségügyi szempontból előnyös, ha a specifikus CF mutáció egyetlen példányát hordozzuk környezetkímélő körülményeknek való kitettség alatt. Talán indokoltunk, ezért volt az F508del mutáció gyakori a kaukázusi európaiak és az Európából származó populációk körében.
A modern DNS nyomai
Ahhoz, hogy kitaláljuk az egyetlen mutáns F508del gén nemzedékről generációra történő átvitelének előnyeit, először meg kellett határoznunk, hogy mikor és hol keletkezett a mutáció, hogy felfedezzük a mutáció előnyeit.
DNS-mintákat vettünk F508del-t hordozó 190 CF-betegtől és szüleiktől, akik földrajzilag különálló európai populációkban élnek Írországtól Görögországig, valamint egy németországi származású amerikai populációtól. Ekkor meghatároztuk a genetikai markerek - lényegében a DNS-szekvenciák - gyűjteményét a CF génben és a kromoszómán levő helyek. Annak azonosításával, mikor jelentkeztek ezek a mutációk a vizsgált populációkban, meg tudtuk becsülni a legutóbbi közös ős korát.
Ezután szigorú számítógépes elemzéssel megbecsüljük a CF mutáció életkorát a különböző országokban élő egyes populációkban.
A sarlósejt-gén két példánya okozza a betegséget. De egy példány hordozása csökkenti a malária kockázatát. A gén elterjedt az emberek körében, akik a világ (piros) régióiban élnek, ahol a malária endémiás. (ellepigrafica) Ezután megállapítottuk, hogy a legidősebb közös őse életkora 4600 és 4725 év között van, és Délnyugat-Európában, valószínűleg az Atlanti-óceán mentén, és talán Franciaország vagy Portugália régiójában jelent meg. Hisszük, hogy a mutáció gyorsan elterjedt innen Nagy-Britanniába és Írországba, majd később a közép- és délkelet-európai népességbe, például Görögországba, ahol az F508del csak kb. 1000 évvel ezelőtt került bevezetésre.
Ki terjesztette a CF mutációt egész Európában?
Így az újonnan közzétett adataink arra utalnak, hogy az F508del mutáció a korai bronzkorban keletkezett, és az ősi vándorlások során Nyugat-Délkelet-Európából terjedt.
Sőt, figyelembe véve a régészeti leleteket, eredményeink lehetővé teszik egy új koncepció bevezetését azáltal, hogy azt sugallják, hogy a Bell Beaker néven ismert népesség valószínűleg vándorló lakosság, amely felelős az F508del korai elterjedéséről az őskori Európában. A késői neolitikumtól, Kr. E. 4000 körül, a korai bronzkorig a BC harmadik évezredben, a Nyugat-Európában való áttéréskor jelentkeztek. Megkülönböztette őket kerámia főzőpoharaik, az úttörő réz- és bronzkohászat az Alpoktól északra és a nagy mobilitás miatt. Az összes tanulmány valójában azt mutatja, hogy súlyos vándorlásúak voltak, és Nyugat-Európába utaztak.
A Bell Beaker webhelyek terjesztése Európában. (DieKraft a Wikimedia Commons segítségével) Körülbelül 1000 év alatt a kis családok és / vagy az elit törzsek hálózata elosztotta kultúráját nyugatról keletre olyan régiókba, amelyek szorosan megfelelnek a mai Európai Uniónak, ahol a CF előfordulása a legnagyobb. Migrációik összekapcsolódnak a nyugat- és közép-európai kohászat megjelenésével, mivel nagy távolságokon utazva gyártottak és kereskedtek fémtermékeket, különösen fegyvereket. Arra is gondolkodik, hogy utazásaikat a házassági hálózatok létrehozása motiválta. Vizsgálataink szempontjából a legrelevánsabbak az a bizonyíték, hogy olyan irányba és egy olyan időtartamon át vándoroltak, amely jól illeszkedik az eredményeinkhez. A legfrissebb genomi adatok arra utalnak, hogy mind a migráció, mind a kulturális transzmissziók nagy szerepet játszottak a „Főzőkomplexum” terjedésében, és Nagy-Britanniában és másutt „mélyreható demográfiai átalakuláshoz” vezettek Kr. E.
Annak meghatározása, hogy mikor került az F508del első bevezetése Európába, és annak felfedezése, ahol keletkezett, új betekintést kell nyújtania a hordozók magas prevalenciájára vonatkozóan, és arról, hogy a mutáció evolúciós előnyt jelent-e. Például a bronzkorú európaiak, bár széles körben vándorolnak, látszólag megmenekültek az endémiás fertőző betegségek vagy járványok kitettségétől; így a fertőző betegségekkel szembeni védelem, mint például a sarlósejt-mutációknál, ezen genetikai mutáció révén valószínűtlennek tűnik.
Mivel a régészeti és genomikai kutatások révén több információ áll rendelkezésre a bronzkorú emberekről és a migráció során bekövetkező gyakorlatukról, minél több információra kell következtetni azokról a környezeti tényezőkről, amelyek kedvezték az embereket, akiknek ez a génvariáns volt. Ezután megválaszolhatjuk a betegek és a szülők kérdéseit arról, hogy miért vannak CFTR mutációjuk a családban, és milyen előnye van ennek.
Példák a Bell Beaker emberek által készített szerszámokra és kerámiákra. (Benutzer: Thomas Ihle a Német Wikipédia útján, CC BY-SA) Ezt a cikket eredetileg a The Conversation kiadta.
Philip Farrell, a gyermekek és a népesség egészségtudományának professzora, Wisconsin-Madison Egyetem
