Kuvittele löytö jännitys, kun yli 10 vuoden tutkimus yhteisen geneettisen sairauden, kystisen fibroosin (CF) alkuperästä johtaa jäljitettävyyteen selkeästi erotettujen, mutta salaperäisten eurooppalaisten ryhmään, joka asui noin 5000 vuotta sitten.
CF on yleisimpiä, mahdollisesti tappavia, perinnöllisiä sairauksia valkoihoisten keskuudessa - noin jokaisella 40: stä on ns. F508del-mutaatio. Tyypillisesti vain hyödylliset mutaatiot, jotka tarjoavat selviytymisedun, leviävät laajasti populaation läpi.
CF estää ruuansulatuksellisten entsyymien vapautumista haimasta, mikä laukaisee aliravitsemuksen, aiheuttaa lopulta kohtalokkaan keuhkosairauden ja tuottaa hikeessä runsaasti suolaa, joka voi olla hengenvaarallinen.
Potilaan kantamasta mutaatiosta riippuen hänellä voi olla joitakin tai kaikkia kystisen fibroosin oireita. (Blausen.com-henkilökunta (2014), CC BY-SA) Viime vuosina tutkijat ovat paljastaneet tämän tappavan keuhkosairauden monia näkökohtia, jotka ovat johtaneet rutiininomaiseen varhaisdiagnoosiin seulotuilla vauvoilla, parempiin hoitoihin ja pidempään elämään. Toisaalta tiedeyhteisö ei ole pystynyt selvittämään, milloin, missä ja miksi mutaatio tuli niin yleiseksi. Yhteistyössä sellaisten ylimääräisten eurooppalaisten tutkijoiden kanssa, kuten David Barton Irlannissa ja Milan Macek Tšekin tasavallassa, erityisesti Ranskan Brestissä toimivien loistavien geneetikkojen ryhmän kanssa, jota johtavat Emmanuelle Génin ja Claude Férec, uskomme, että tiedämme nyt missä ja milloin alkuperäinen mutaatio syntyi ja missä muinainen ihmisheimo.
Jaamme nämä havainnot artikkelissa European Journal of Human Genetics -julkaisussa, joka edustaa yhdeksän maan 20 vuoden työn huipentumaa.
Mikä on kystinen fibroosi?
Pyrkimykseni selvittää, miten CF syntyi ja miksi se on niin yleinen, alkoi pian sen jälkeen, kun tutkijat löysivät taudin aiheuttaneen CFTR-geenin vuonna 1989. Tämän taudin aiheuttavan geenin yleisin mutaatio oli nimeltään F508del. Kaksi kopiota mutaatiosta - yksi peritty äidiltä ja toinen isältä - aiheutti tappavan taudin. Mutta vain yhden kopion periminen ei aiheuttanut mitään oireita, ja teki henkilöstä “kantajan”.
Olen työskennellyt Wisconsinin yliopistossa vuodesta 1977 lääkärinä-tutkijana, joka on keskittynyt CF: n varhaiseen diagnoosiin vastasyntyneiden seulonnan avulla. Ennen geenin löytämistä tunnistimme vauvat, joilla on suuri riski saada CF: tä, käyttämällä verikoetta, jolla mitattiin immunoreaktiivisen trypsinogeenin (IRT) nimisen proteiinin tasot. Korkea IRT-arvo ehdotti, että vauvalla oli CF. Kun sain tietää geenin löytöstä, olin vakuuttunut siitä, että se olisi pelinvaihtaja sekä seulontatestien kehitykseen että epidemiologiseen tutkimukseen.
Tämä johtuu siitä, että geenillä voimme tarjota vanhemmille informatiivisemman testin. Voimme kertoa heille, ei vain, onko heidän lapsellaan CF, vaan myös, onko heillä kaksi kopiota CFTR-mutaatiosta, joka aiheutti sairauden, vai vain yhden kopion, joka teki heistä kantajan.
Vanhempia, joilla on yksi hyvä kopio CF-geenistä (R) ja yksi huono kopio mutatoituneesta CF-geenistä (r), kutsutaan kantajiksi. Kun molemmat vanhemmat välittävät jälkeläisilleen virheellisen kopion CF-geenistä, lapsi kärsii kystisestä fibroosista. Lapset, jotka perivät vain yhden huonon kopion, ovat kantajia kuten vanhempansa ja voivat siirtää geenin lapsilleen. (Cburnett, CC BY-SA) Voidaan kysyä, mikä on yhteys CF-vastasyntyneiden seulonnan tutkimiseen ja sairauden alkuperästä oppimiseen. Vastaus on siinä, kuinka Wisconsin-tutkimusryhmämme muutti IRT-merkkiä käyttävän biokemiallisen seulontatestin kaksiportaiseksi menetelmäksi nimeltä IRT / DNA.
Koska noin 90 prosentilla CF-potilaista Yhdysvalloissa ja Euroopassa on ainakin yksi F508del-mutaatio, aloimme analysoida vastasyntyneen veren esiintyvyyttä aina, kun IRT-taso oli korkea. Mutta kun tämä kaksivaiheinen IRT / DNA-seulonta tehdään, paitsi potilaille, joilla on tauti, diagnosoidaan, myös tunnistetaan kymmenkertaisesti lisää lapsia, jotka ovat taudin geneettisiä kantajia.
Koska ennakko-, synnytyksen ja vastasyntyneen CF-seulonta on lisääntynyt viimeisen kahden vuosikymmenen aikana, tuhannet ihmiset, jotka ovat huomanneet olevansa F508del-kantajia, ja heidän huolissaan olevat vanhemmat nostivat usein esiin kysymyksiä mutaation tekemisen alkuperästä ja merkityksestä itse tai omassa lapsille. Voisiko he kärsiä yhdestä kopiosta? Oliko terveyshyötyä? CF-hoitoon erikoistuneen lastenlääkärin on turhauttavaa, että sillä ei ole vastausta heihin.
Haaste CF-mutaation alkuperän löytämiselle
Halusin nollata, kun tämä geneettinen mutaatio alkaa ilmestyä. Tämän ajanjakson määrittäminen antaisi meille mahdollisuuden ymmärtää, kuinka se olisi voinut kehittyä tarjoamaan etua - ainakin aluksi - niille eurooppalaisille, joilla se oli. Laajentaaksesi tutkimustani päätin osallistua sapattiin ja kouluttaa epidemiologiaa opiskellessaan kursseja vuonna 1993 Lontoon korkeakoulu- ja hygieniakoulussa.
Ajoitus oli täydellinen, koska muinaisen DNA-tutkimuksen kenttä alkoi kukoistaa. Uudet läpimurtotekniikat, kuten polymeraasiketjureaktio, tekivät mahdolliseksi tutkia muumioiden ja muiden ihmisen arkeologisten näytteiden DNA: ta esihistoriallisista hautaamista. Esimerkiksi varhaiset tutkimukset tehtiin 5000-vuotiaan Tyrolean Icemanin, joka myöhemmin tunnetaan nimellä Ötzi, DNA: lle.
Tyypillinen esihistoriallinen hautaus rypistyneessä sikiön asennossa. (Philip Farrell, CC BY-SA) Päätin, että voisimme ehkä löytää CF: n alkuperän analysoimalla rautakauden ihmisten hampaissa olevaa DNA: ta hautautuneina vuosina 700–100 eKr. Hautausmaille kaikkialla Euroopassa.
Tätä strategiaa käyttämällä olen ryhtynyt yhdessä arkeologien ja antropologien, kuten Maria Teschler-Nicola, kanssa Wienin luonnonhistorialliseen museoon, joka tarjosi pääsyn 32 luurankoon, jotka on haudattu noin 350 eKr. Lähellä Wieniä. Ranskan geneetikot keräsivät DNA: ta muinaisista molaareista ja analysoivat DNA: ta. Yllätykseemme löysimme F508del-mutaation esiintymisen DNA: ssa kolmesta 32: sta luurannosta.
Tämä F508del: n löytö Keski-Euroopan rautakauden hautausmaista, joka oli päivätty 350 eKr., Esitti meille, että alkuperäinen CF-mutaatio on saattanut syntyä aikaisemmin. Mutta pronssikauden ja neoliittisten näytteiden hankkiminen tällaisia suoria tutkimuksia varten osoittautui vaikeaksi, koska hautaamisia on vähemmän, luurankoja ei ole niin hyvin säilyneitä ja kukin hautausmaa edustaa vain heimoa tai kylää. Joten sen sijaan, että olisimme riippuvaisia muinaisesta DNA: sta, muutimme strategiaamme tutkia nyky-ihmisten geenejä selvittääkseen, milloin tämä mutaatio ensin syntyi.
Miksi haitallinen mutaatio leviäisi?
Jotta CF: n alkuperä saataisiin nykyaikaisilta potilailta, tiesimme, että meidän oli opittava lisää allekirjoitusmutaatiosta - F508del - ihmisistä, jotka ovat kantajia tai joilla on tauti.
Tämä pieni mutaatio aiheuttaa yhden aminohapon menetyksen 1480 aminohappoketjusta ja muuttaa proteiinin muotoa solun pinnalla, joka siirtää kloridia soluun ja ulos. Kun tämä proteiini mutatoituu, ihmiset, jotka kantavat sitä kahdesta kopiosta - yhden äidistä ja toisen isästä -, vaivaavat paksussa tahmeassa limassa keuhkoissa, haimassa ja muissa elimissä. Keuhkojen lima antaa bakteerien menestyä, tuhoamalla kudoksen ja lopulta aiheuttaen keuhkojen vajaatoiminnan. Haimassa paksut eritteet estävät rauhasta toimittamasta entsyymejä, joita kehon tarvitsee sulattaa ruokaa.
Joten miksi tällaista haitallista mutaatiota jatketaan sukupolvelta toiselle?
Wienissä, Itävallassa sijaitsevassa luonnontieteellisessä museossa on suuri kokoelma rauta-ajan ja pronssikauden luurankoja, jotka on kuratoinut tri Maria Teschler-Nicola. Nämä kokoelmat olivat lähteenä hampaille ja luille muinaisen DNA: n tutkimukselle ja tutkimuksille aiheesta "Kystisen fibroosin antiikin alkuperä". (Philip Farrell, CC BY-ND) Niin vahingollinen kuin F508del-mutaatio ei olisi koskaan voinut säilyä ihmisissä, joilla on kaksi kopiota mutatoidusta CFTR-geenistä, koska ne kuolivat todennäköisesti pian syntymän jälkeen. Toisaalta niillä, joilla on yksi mutaatio, voi olla selviytymisetu, kuten Darwinin "kovimman selviytymisen" ennustetaan.
Ehkä paras esimerkki stressaavissa ympäristöolosuhteissa selviytymistä edistävästä mutaatiosta löytyy Afrikasta, missä kohtalokas malaria on ollut endeeminen vuosisatojen ajan. Malariaa aiheuttava loinen tartuttaa punasoluja, joiden pääaineosa on happea kantava proteiini hemoglobiini. Ihmiset, jotka kantavat normaalia hemoglobiinigeeniä, ovat alttiita tälle hyttysen leviämälle taudille. Mutta ne, jotka ovat mutatoituneen “hemoglobiini S” -geenin kantajia ja joilla on vain yksi kopio, on suojattu vakavalta malarialta. Kuitenkin kaksi kopiota hemoglobiini S -geenistä aiheuttaa sirppisolutaudin, joka voi olla tappava.
Yhden mutanttigeenin kantamisella on selvä etu - itse asiassa noin yhdellä kymmenestä afrikkalaisesta on yksi kopio. Siten ympäristötekijä on vuosisatojen ajan suosinut sellaisten yksilöiden selviytymistä, joilla on yksi kopio sirpin hemoglobiinimutaatiosta.
Henkilöt, joilla on kaksi sirppisoligeenin kopiota, kärsivät sirppisoluanemiasta, jossa verisolut muuttuvat jäykiksi sirppimuodoiksi ja juuttuvat verisuoniin aiheuttaen kipua. Normaalit punasolut ovat taipuisia levyjä, jotka liukuvat helposti verisuonten läpi. (Designua / Shutterstock.com) Samoin mietimme, olisiko tästä erityisestä CF-mutaatiosta yhden kopion kantamisessa terveyshyötyä altistumisessa ympäristölle stressaaviin olosuhteisiin. Ehkä perustelimme, siksi F508del-mutaatio oli yleinen valkoihoisten eurooppalaisten ja Euroopasta peräisin olevien populaatioiden keskuudessa.
Vihjeitä nykyaikaisesta DNA: sta
Yhden mutatoidun F508del-geenin siirtämisen edun sukupolvelta toiselle selvittämiseksi meidän oli ensin määritettävä, milloin ja missä mutaatio syntyi, jotta voimme paljastaa tämän mutaation tarjoaman hyödyn.
Saimme DNA-näytteitä 190 CF-potilaalta, joilla oli F508del, ja heidän vanhempiensa, jotka asuvat maantieteellisesti erillisissä eurooppalaisissa populaatioissa Irlannista Kreikkaan, sekä saksalaisesta populaatiosta Yhdysvalloissa. Tunnistimme sitten CF-geenissä geneettisten markkerien - lähinnä DNA-sekvenssien - kokoelman. ja vierekkäiset kohdat kromosomissa. Tunnistamalla milloin nämä mutaatiot syntyivät tutkituissa populaatioissa, pystyimme arvioimaan viimeisimmän yhteisen esi-isän ikä.
Seuraavaksi tarkkoilla tietokoneanalyyseillä arvioimme CF-mutaation iän jokaisessa eri maissa asuvassa populaatiossa.
Kaksi kopiota sirppisolugeenistä aiheuttaa taudin. Mutta yhden kopion kantaminen vähentää malarian riskiä. Geeni on levinnyt ihmisille, jotka asuvat maailman (punaisella) alueilla, joilla malaria on endeeminen. (ellepigrafica) Sitten määrittelimme, että vanhimman yhteisen esi-isän ikä on 4600 - 4 725 vuotta ja syntyi Lounais-Euroopassa, luultavasti Atlantin valtameren varrella sijaitsevissa siirtokunnissa ja kenties Ranskan tai Portugalin alueella. Uskomme, että mutaatio levisi nopeasti sieltä Iso-Britanniaan ja Irlantiin, ja myöhemmin Keski- ja Kaakkois-Euroopan väestöön, kuten Kreikkaan, missä F508del otettiin käyttöön vain noin 1000 vuotta sitten.
Kuka levitti CF-mutaation kaikkialla Euroopassa?
Niinpä äskettäin julkaistut tiedot viittaavat siihen, että F508del-mutaatio syntyi varhaisella pronssikaudella ja levisi länteen Kaakkois-Eurooppaan muinaisten muuttoliikkeiden aikana.
Lisäksi arkeologiset tiedot huomioon ottaen tuloksemme antavat meille mahdollisuuden ottaa käyttöön uusi käsite esittämällä, että Bell Beaker -taudina tunnettu väestö oli todennäköinen muuttoliikeväestö, joka oli vastuussa F508del: n varhaisesta leviämisestä esihistoriallisessa Euroopassa. Ne ilmestyivät siirtymävaiheessa myöhäisneoliittiselta ajalta, noin 4000 eKr., Varhaiseen pronssikauteen kolmannen vuosituhannen aikana eKr. Jossain Länsi-Euroopassa. Heidät erotettiin keraamisista dekantterilaseistaan, edelläkävijäkupari- ja pronssimetallurgiasta Alppien pohjoispuolella ja suuresta liikkuvuudesta. Itse asiassa kaikki tutkimukset osoittavat, että he olivat muuttamassa pakoon ympäri Länsi-Eurooppaa.
Bell Beaker -sivustojen jakelu Euroopassa. (DieKraft Wikimedia Commonsin kautta) Noin 1 000 vuoden aikana pienten perheiden ja / tai eliittiheimojen verkosto levitti kulttuuriaan lännestä itään alueille, jotka vastaavat tiiviisti nykypäivän Euroopan unionia, jossa CF: n esiintyvyys on suurin. Heiden muuttoliikkeet liittyvät Länsi- ja Keski-Euroopan metallurgian tuloon, koska he valmistivat ja kauppaavat metallituotteita, erityisesti aseita, matkoillaan pitkiä matkoja. Arvellaan myös, että heidän matkansa motivoivat perustamalla avioliittoverkkoja. Tutkimuksemme kannalta merkityksellisin on näyttö siitä, että ne ovat siirtyneet suuntaan ja ajanjaksolle, joka sopii hyvin tuloksiin. Viimeaikaiset genomitiedot viittaavat siihen, että sekä muuttoliikkeellä että kulttuurin leviämisellä oli tärkeä rooli ”Kekkarikompleksin” leviämisessä ja johti Ison-Britannian ja muualla ”perusteelliseen demografiseen muutokseen” 2400 eKr.
Sen määrittämisen, milloin F508del otettiin ensimmäisen kerran käyttöön Euroopassa, ja sen selvittämisen, missä se syntyi, pitäisi antaa uusia käsityksiä kantajien korkeasta yleisyydestä - ja antaako mutaatio evoluutioedun. Esimerkiksi pronssikauden eurooppalaiset muuttivat laajasti, vaikka ne ilmeisesti säästyivät altistumiselta endeemisille tartuntataudeille tai epidemioille. siten suojaaminen tartuntataudilta, kuten sirppisolujen mutaatiolla, tämän geneettisen mutaation kautta näyttää epätodennäköiseltä.
Kun lisätietoja pronssikauden ihmisistä ja heidän käytännöstään muuttoliikkeiden aikana tulee saataville arkeologisen ja genomitutkimuksen avulla, pitäisi ilmetä enemmän vihjeitä ympäristötekijöistä, jotka suosivat ihmisiä, joilla oli tämä geenivariantti. Sitten voimme ehkä vastata potilaiden ja vanhempien kysymyksiin siitä, miksi heidän perheessään on CFTR-mutaatio ja mitä hyötyä siitä on.
Esimerkkejä Bell Beaker -yhtiön luomista työkaluista ja keramiikasta. (Benutzer: Thomas Ihle saksalaisen Wikipedian kautta, CC BY-SA) Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa.
Philip Farrell, lastentautien ja väestön terveystieteiden professori, Wisconsin-Madisonin yliopisto
