Представете си тръпката от откритието, когато повече от 10 години изследвания за произхода на често срещано генетично заболяване, муковисцидоза (CF), водят до проследяване на група от различни, но мистериозни европейци, живели преди около 5000 години.
CF е най-често срещаната, потенциално смъртоносна, наследствена болест сред кавказците - около един на 40 носи така наречената мутация на F508del. Обикновено само полезните мутации, които осигуряват предимство за оцеляване, се разпространяват широко в популация.
CF пречи на отделянето на храносмилателни ензими от панкреаса, което задейства недохранването, причинява заболяване на белите дробове, което в крайна сметка е фатално и произвежда високи нива на сол в потта, което може да бъде животозастрашаващо.
В зависимост от мутацията, която пациентът носи, те могат да изпитат някои или всички симптоми на муковисцидоза. (Служители на Blausen.com (2014), CC BY-SA) През последните години учените разкриха много аспекти на това смъртоносно заболяване на белите дробове, които доведоха до рутинна ранна диагностика при бебетата, подложени на скрининг, по-добро лечение и по-дълъг живот. От друга страна, научната общност не успя да разбере кога, къде и защо мутацията стана толкова често срещана. Сътрудничейки с изключителен екип от европейски учени като Дейвид Бартън в Ирландия и Милан Мацек в Чехия, по-специално с група брилянтни генетици в Брест, Франция, водени от Еманюел Генин и Клод Ферек, ние вярваме, че сега знаем къде и кога възникна първоначалната мутация и в която древно племе от хора.
Ние споделяме тези открития в статия в Европейския вестник за човешката генетика, която представлява кулминацията на 20-годишната работа, в която участват девет държави.
Какво е муковисцидоза?
Моят стремеж да определя как CF възникна и защо е толкова често започна скоро след като учените откриха CFTR гена, причиняващ болестта през 1989 г. Най-честата мутация на този ген, който причинява заболяването, се нарича F508del. Две копия на мутацията - едното наследено от майката, а другото от бащата - предизвикаха смъртоносната болест. Но наследяването само на едно копие не предизвика никакви симптоми и направи човека „носител“.
Бях нает в Университета на Уисконсин от 1977 г. като лекар-учен, фокусиращ се върху ранната диагноза на МВ чрез скрининг на новородено. Преди откриването на гена ние идентифицирахме бебетата с висок риск за МВ чрез кръвен тест, който измерва нивата на протеин, наречен имунореактивен трипсиноген (IRT). Високите нива на IRT предполагат, че бебето има CF. Когато научих за откриването на гени, се убедих, че това ще бъде смяна на играта както за разработване на скринингови тестове, така и за епидемиологични изследвания.
Това е така, защото с гена бихме могли да предложим на родителите по-информативен тест. Можем да им кажем не само дали детето им има CF, но и дали носи две копия на мутацията на CFTR, което причинява заболяване, или само едно копие, което ги прави носител.
Родителите, носещи едно добро копие на CF гена (R) и едно лошо копие на мутирания CF ген (r), се наричат носители. Когато двамата родители предадат лошо копие на CF гена на своето потомство, детето ще страда от муковисцидоза. Децата, които наследят само едно лошо копие, ще бъдат носители като родителите си и могат да предават гена на децата си. (Cburnett, CC BY-SA) Човек може да попита каква е връзката между изучаването на скрининг на новородени с МВ и научаването за произхода на болестта. Отговорът се крие в това как нашият изследователски екип от Уисконсин трансформира биохимичен скринингов тест с помощта на маркера IRT в двустепенен метод, наречен IRT / DNA.
Тъй като около 90 процента от пациентите с МВ в САЩ и Европа имат поне една мутация на F508del, започнахме да анализираме кръвта на новороденото за наличието му винаги, когато нивото на IRT беше високо. Но когато се извърши този двуетапен IRT / ДНК скрининг, не само се диагностицират пациенти с болестта, но също така се идентифицират десетократно повече бебета, които са генетични носители на болестта.
Тъй като предварителното скрининг, пренатален и неонатален скрининг за МВ се разпространи през последните две десетилетия, многото хиляди индивиди, които откриха, че са носители на F508del, и техните загрижени родители често повдигат въпроси за произхода и значението на носенето на тази мутация сами или в своите деца. Щели ли да страдат с едно копие? Имало ли е полза за здравето? Безобразно е педиатърът, специализиран в МВ, да няма отговор за тях.
Предизвикателството да се намери произход на мутацията на CF
Исках да се включа, когато тази генетична мутация за пръв път започва да се появява. Определянето на този период ще ни позволи да разберем как може да се развие, за да осигури полза - поне първоначално - на онези хора в Европа, които са го имали. За да разширя изследванията си, реших да взема съботен курс и да тренирам епидемиология, докато взех курсове през 1993 г. в Лондонското училище по хигиена и тропическа медицина.
Времето беше перфектно, защото полето на древните ДНК изследвания започваше да процъфтява. Нови пробивни техники като Полимеразната верижна реакция направиха възможно изследването на ДНК на мумии и други човешки археологически образци от праисторически погребения. Например, ранните проучвания са извършени върху ДНК от 5000 годишния тиролски лед, който по-късно става известен като Ötzi.
Типично праисторическо погребение в прибрано положение на плода. (Филип Фарел, CC BY-SA) Реших, че може да успеем да открием произхода на CF, като анализираме ДНК в зъбите на хора от желязната епоха, погребани между 700-100 г. пр. Н. Е. В гробища в цяла Европа.
Използвайки тази стратегия, си партнирах с археолози и антрополози като Мария Тешлер-Никола в Природонаучния музей във Виена, които предоставиха достъп до 32 скелета, погребани около 350 г. пр. Н. Е. Край Виена. Генетиците във Франция събират ДНК от древните кътници и анализират ДНК. За наша изненада открихме наличието на мутацията на F508del в ДНК от три от 32 скелета.
Това откритие на F508del в погребения от Централна Европа от желязната епоха с радиовъглерод от 350 г. пр. Н. Е. Ни подсказва, че първоначалната мутация на CF може да е възникнала по-рано. Но получаването на образци от бронзовата епоха и неолит за такива директни проучвания се оказа трудно, тъй като има по-малко погребения, скелетите не са толкова добре запазени и всяко гробище просто представлява племе или село. Така че вместо да зависим от древната ДНК, ние изместихме стратегията си да изследваме гените на съвременните хора, за да разберем кога тази мутация е възникнала за първи път.
Защо би се разпространила вредна мутация?
За да открием произхода на CF при съвременните пациенти, знаехме, че трябва да научим повече за мутацията на подписа - F508del - при хора, които са носители или имат заболяването.
Тази мъничка мутация причинява загуба на една аминокиселина от 1480 аминокиселинната верига и променя формата на протеин на повърхността на клетката, който движи хлорида във и извън клетката. Когато този протеин се мутира, хората, носещи две копия от него - едно от майката и едно от бащата, са поразени с гъста лепкава слуз в белите дробове, панкреаса и други органи. Слузта в белите им дробове позволява на бактериите да процъфтяват, разрушавайки тъканта и в крайна сметка причинявайки белите дробове да се разрушат. В панкреаса гъстите секрети пречат на жлезата да доставя ензимите, от които тялото се нуждае, за да усвоява храната.
Така че защо такава вредна мутация ще продължи да се предава от поколение на поколение?
Природонаучният музей във Виена, Австрия, съхранява голяма колекция от скелети от желязната и бронзовата епоха, които са курирани от д-р Мария Тешлер-Никола. Тези колекции са източник на зъби и кости за изследване на древна ДНК и проучвания на тема „Древният произход на муковисцидозата“. (Филип Фарел, CC BY-ND) Мутация, толкова вредна, колкото F508del, никога не би оцеляла сред хора с две копия на мутирания CFTR ген, тъй като те вероятно са умрели скоро след раждането. От друга страна, тези с една мутация могат да имат предимство за оцеляване, както е предвидено в теорията за „оцеляване на най-подходящите“ на Дарвин.
Може би най-добрият пример за мутация, благоприятстваща оцеляването при стресови условия на околната среда, може да се намери в Африка, където фаталната малария е ендемична от векове. Паразитът, който причинява малария, заразява червените кръвни клетки, в които основната съставка е протеиновият хемоглобин, пренасящ кислород. Хората, които носят нормалния ген на хемоглобина, са уязвими към това заболяване, пренасяно от комари. Но тези, които са носители на мутирания ген "хемоглобин S", само с едно копие, са защитени от тежка малария. Въпреки това две копия на гена на хемоглобина S причиняват сърповидно-клетъчно заболяване, което може да бъде фатално.
Тук има ясно предимство да носиш един мутантен ген - всъщност около един на всеки 10 африканци носи едно копие. По този начин, в продължение на много векове екологичен фактор благоприятства оцеляването на индивидите, носещи едно-единствено копие на сърповата мутация на хемоглобина.
Хората, които носят две копия на сърповидно-клетъчния ген, страдат от сърповидно-клетъчна анемия, при която кръвните клетки придобиват твърда форма на сърп и се забиват в кръвоносните съдове, причинявайки болка. Нормалните червени кръвни клетки са гъвкави дискове, които се плъзгат лесно през съдовете. (Designua / Shutterstock.com) По подобен начин се запитахме дали има полза за здравето от носенето на единично копие на тази специфична мутация на CF по време на излагане на екологично стресови условия. Може би, разсъждавахме, затова мутацията на F508del е често срещана сред европейските европейци и кавказките популации.
Улики от съвременната ДНК
За да разберем предимството на предаването на един мутирал ген F508del от поколение на поколение, първо трябваше да определим кога и къде е възникнала мутацията, за да можем да разкрием ползата, която мутацията предоставя.
Ние получихме ДНК проби от 190 пациенти с CF, носещи F508del, и техните родители, пребиваващи в географски обособени европейски популации от Ирландия до Гърция плюс популация, произведена от Германия в САЩ. След това идентифицирахме колекция от генетични маркери - по същество последователности на ДНК - в гена на CF и странични местоположения на хромозомата. Като идентифицираме кога тези мутации се появяват в популациите, които изследвахме, успяхме да преценим възрастта на най-скорошния общ прародител.
По-нататък, чрез строги компютърни анализи, изчислихме възрастта на мутацията на CF при всяка популация, пребиваваща в различните страни.
Две копия на сърповидно-клетъчния ген причиняват заболяването. Носенето на едно копие намалява риска от малария. Генът е широко разпространен сред хората, които живеят в региони на света (червени), където маларията е ендемична. (ellepigrafica) Тогава установихме, че възрастта на най-стария общ прародител е между 4600 и 4725 години и е възникнала в Югозападна Европа, вероятно в селища по Атлантическия океан и може би в региона на Франция или Португалия. Вярваме, че мутацията бързо се разпространи от там във Великобритания и Ирландия, а по-късно и в населението на централна и югоизточна Европа като Гърция, където F508del е въведен едва преди около 1000 години.
Кой разпространява мутацията на МВ в цяла Европа?
По този начин, наскоро публикуваните ни данни предполагат, че мутацията на F508del е възникнала в ранната бронзова епоха и се е разпространила от западна към югоизточна Европа по време на древните миграции.
Освен това, като се вземат предвид археологическите записи, нашите резултати ни позволяват да въведем нова концепция, като предполагаме, че популация, известна като фолка на Bell Beaker, е вероятното мигриращо население, отговорно за ранното разпространение на F508del в праисторическа Европа. Те се появяват на прехода от късния неолит, около 4000 г. пр. Н. Е., Към ранната бронзова епоха през третото хилядолетие преди Христа някъде в Западна Европа. Те се отличаваха с керамичните си чаши, пионерската медна и бронзова металургия на север от Алпите и голямата мобилност. Всички проучвания всъщност показват, че са били в тежка миграция, пътувайки из цяла Западна Европа.
Разпространение на сайтовете Bell Beaker в цяла Европа. (DieKraft през Wikimedia Commons) В продължение на приблизително 1000 години мрежа от малки семейства и / или елитни племена разпространяват културата си от запад на изток в региони, които съответстват тясно на съвременния Европейски съюз, където се установява най-високата честота на МВ. Миграциите им са свързани с появата на западната и централноевропейската металургия, тъй като те произвеждат и търгуват с метални изделия, особено оръжие, докато пътуват на дълги разстояния. Освен това се спекулира, че пътуванията им са били мотивирани чрез създаване на брачни мрежи. Най-релевантното за нашето изследване е доказателство, че те са мигрирали в посока и за определен период от време, които добре се вписват в нашите резултати. Последните геномни данни сочат, че миграцията и културното предаване са играли основна роля в разпространението на „комплекса Beaker“ и са довели до „дълбока демографска трансформация“ на Великобритания и на други места след 2400 г. пр.н.е.
Определянето кога F508del е въведен за първи път в Европа и откриването откъде е възникнало, трябва да даде нова информация за голямото разпространение на носителите - и дали мутацията дава еволюционно предимство. Например европейците от бронзовата епоха, докато мигрират широко, очевидно бяха пощадени от излагане на ендемични инфекциозни заболявания или епидемии; по този начин, защитата от инфекциозно заболяване, както при мутацията на сърповите клетки, чрез тази генетична мутация изглежда малко вероятна.
Тъй като повече информация за хората от бронзовата епоха и техните практики по време на миграции стават достъпни чрез археологически и геномични изследвания, трябва да се появят повече улики за факторите на околната среда, които предпочитат хората, които имат този вариант на ген. Тогава може да бъдем в състояние да отговорим на въпроси от пациенти и родители защо имат CFTR мутация в семейството си и какво предимство има това.
Примери за инструменти и керамика, създадени от хората на Bell Beaker. (Benutzer: Thomas Ihle през немската Wikipedia, CC BY-SA) Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation.
Филип Фарел, професор по педиатрия и здравни науки в Университета на Уисконсин-Медисън
