Představte si vzrušení z objevu, když více než 10 let výzkumu o původu společné genetické choroby, cystické fibrózy (CF), má za následek, že ji vysleduje skupina odlišných, ale záhadných Evropanů, kteří žili asi před 5 000 lety.
CF je nejčastější, potenciálně smrtící, zděděná choroba mezi bělochy - asi jedna ze 40 nese tzv. F508del mutaci. Typicky se v populaci šíří jen prospěšné mutace, které poskytují výhodu přežití.
CF brání uvolňování trávicích enzymů ze slinivky břišní, které způsobuje podvýživu, způsobuje onemocnění plic, které je nakonec fatální a produkuje vysoké hladiny soli v potu, které mohou být život ohrožující.
V závislosti na mutaci, kterou pacient nese, se mohou objevit některé nebo všechny příznaky cystické fibrózy. (Pracovníci Blausen.com (2014), CC BY-SA) V posledních letech vědci odhalili mnoho aspektů tohoto smrtícího plicního onemocnění, které vedlo k rutinní včasné diagnostice u screenovaných dětí, lepší léčbě a delším životům. Na druhou stranu, vědecká komunita nebyla schopna přijít na to, kdy, kde a proč se mutace stala tak běžnou. Ve spolupráci s mimořádným týmem evropských vědců, jako je David Barton v Irsku a Milan Macek v České republice, zejména se skupinou skvělých genetiků ve francouzském Brestu pod vedením Emmanuelle Génin a Claude Férec, věříme, že nyní víme, kde a kdy vznikla původní mutace, ve které prastarý kmen lidí.
Sdílíme tato zjištění v článku v Evropském časopise Human Genetics, který představuje vyvrcholení 20leté práce zahrnující devět zemí.
Co je to cystická fibróza?
Moje snaha zjistit, jak vznikl CF a proč je tak běžný, začala brzy poté, co vědci objevili gen CFTR způsobující onemocnění v roce 1989. Nejběžnější mutací tohoto genu, který způsobuje onemocnění, se jmenoval F508del. Smrtelné onemocnění způsobily dvě kopie mutace - jedna zděděná po matce a druhá od otce. Ale zdědění pouze jedné kopie nezpůsobilo žádné příznaky a učinilo z této osoby „nosiče“.
Od roku 1977 jsem byl zaměstnán na Wisconsinské univerzitě jako lékař-vědec se zaměřením na včasnou diagnostiku CF pomocí novorozeneckého screeningu. Před objevením genu jsme pomocí krevního testu, který měřil hladiny proteinu nazývaného imunoreaktivní trypsinogen (IRT), identifikovali děti s vysokým rizikem CF. Vysoké hladiny IRT naznačovaly, že dítě mělo CF. Když jsem se dozvěděl o objevu genů, byl jsem přesvědčen, že by to byl měnič her jak pro vývoj screeningových testů, tak pro epidemiologický výzkum.
Je to proto, že s genem bychom mohli nabídnout rodičům více informativní test. Mohli bychom jim říct nejen to, zda jejich dítě mělo CF, ale také to, zda mají dvě kopie mutace CFTR, která způsobila nemoc, nebo jen jednu kopii, která z nich učinila nositele.
Rodiče nesoucí jednu dobrou kopii genu CF (R) a jednu špatnou kopii mutovaného genu CF (r) se nazývají nosiče. Když oba rodiče předají špatnou kopii genu CF svým potomkům, bude dítě trpět cystickou fibrózou. Děti, které zdědí jen jednu špatnou kopii, budou nosiči jako jejich rodiče a mohou gen předat svým dětem. (Cburnett, CC BY-SA) Člověk by se mohl zeptat, jaké je spojení mezi studiem screeningu novorozenců CF a poznáváním původu nemoci. Odpověď spočívá v tom, jak náš výzkumný tým ve Wisconsinu transformoval biochemický screeningový test pomocí IRT markeru na dvoustupňovou metodu nazvanou IRT / DNA.
Protože přibližně 90 procent pacientů s CF v USA a Evropě má alespoň jednu mutaci F508del, začali jsme analyzovat novorozenou krev na její přítomnost, kdykoli byla úroveň IRT vysoká. Když je však proveden tento dvoufázový IRT / DNA screening, jsou identifikováni nejen pacienti s diagnostikovanou nemocí, ale také desetkrát více dětí, které jsou genetickými nosiči této choroby.
Vzhledem k tomu, že v posledních dvou desetiletích proliferovalo předkoncepční, prenatální a novorozenecké vyšetření na CF, mnoho tisíc jednotlivců, kteří zjistili, že jsou nositeli F508del, a jejich rodiče, kteří se jich týkali, často kladli otázky o původu a významu nesení této mutace sami nebo v jejich děti. Trpěli by jednou kopií? Bylo to pro zdraví prospěšné? Pro pediatra specializujícího se na CF je frustrující, že na ně nemá odpověď.
Výzva k nalezení původu mutace CF.
Chtěl jsem se zapnout, když se tato genetická mutace začala objevovat. Určení tohoto období by nám umožnilo pochopit, jak by se mohlo vyvinout a přinést výhodu - alespoň zpočátku - těm lidem v Evropě, kteří ji měli. Abych rozšířil svůj výzkum, rozhodl jsem se absolvovat sabbatical a trénovat v epidemiologii, zatímco jsem v roce 1993 absolvoval kurzy na London School of Hygiene and Tropical Medicine.
Načasování bylo perfektní, protože pole výzkumu starověké DNA začalo kvést. Nové průlomové techniky, jako je polymerázová řetězová reakce, umožnily studovat DNA mumií a dalších lidských archeologických vzorků z pravěkých pohřbů. Například byly provedeny rané studie o DNA od 5 000 let starého tyrolského Icemana, který se později stal známým jako Ötzi.
Typický pravěký pohřeb v přikrčené plodu. (Philip Farrell, CC BY-SA) Rozhodl jsem se, že bychom mohli být schopni odhalit původ CF analýzou DNA v zubech lidí z doby železné pohřbených mezi 700-100 př.nl v hřbitovech v celé Evropě.
Pomocí této strategie jsem se spojil s archeology a antropology, jako je Maria Teschler-Nicola, v Natural History Museum ve Vídni, která poskytla přístup k 32 kostlivcům pohřbeným kolem roku 350 př.nl poblíž Vídně. Genetikové ve Francii sbírali DNA ze starověkých stoliček a analyzovali DNA. K našemu překvapení jsme objevili přítomnost mutace F508del v DNA od tří z 32 koster.
Tento objev F508del ve středoevropských železných pohřbech z radiokarbonu datovaných do roku 350 př.nl nám naznačoval, že původní mutace CF mohla vzniknout dříve. Získání vzorků z doby bronzové a neolitických pro takové přímé studie se však ukázalo jako obtížné, protože je k dispozici méně pohřebů, kostry nejsou tak dobře zachovány a každý hřbitov představuje pouze kmen nebo vesnici. Takže spíše než abychom záviseli na starověké DNA, posunuli jsme naši strategii zkoumat geny moderních lidí, aby zjistili, kdy se tato mutace poprvé objevila.
Proč se šíří škodlivá mutace?
Abychom zjistili původ CF u moderních pacientů, věděli jsme, že se potřebujeme dozvědět více o mutaci podpisu - F508del - u lidí, kteří jsou nosiči nebo mají nemoc.
Tato drobná mutace způsobuje ztrátu jedné aminokyseliny z 1 480 aminokyselinových řetězců a mění tvar proteinu na povrchu buňky, která pohybuje chloridem dovnitř a ven z buňky. Když je tento protein zmutován, lidé s jeho dvěma kopiemi - jedna od matky a druhá od otce - jsou potrápeni hustým lepkavým hlenem v plicích, slinivce a dalších orgánech. Hlen v jejich plicích umožňuje bakteriím prospívat, ničit tkáň a nakonec způsobovat selhání plic. V pankreatu tlusté sekrece brání žláze v dodávání enzymů, které tělo potřebuje k trávení potravy.
Proč by tedy taková škodlivá mutace byla přenášena z generace na generaci?
Muzeum přírodní historie ve Vídni v Rakousku obsahuje velkou sbírku koster doby železné a doby bronzové, které jsou kurátorkou Dr. Maria Teschler-Nicola. Tyto sbírky byly zdrojem zubů a kostí pro zkoumání prastaré DNA a studií o „starodávném původu cystické fibrózy“. (Philip Farrell, CC BY-ND) Mutace tak škodlivá jako F508del by nikdy nepřežila mezi lidmi se dvěma kopiemi mutovaného genu CFTR, protože pravděpodobně zemřeli brzy po narození. Na druhé straně, ti s jednou mutací mohou mít výhodu v přežití, jak předpovídá Darwinova teorie „přežití nejvhodnější“.
Snad nejlepší příklad mutace podporující přežití ve stresujících podmínkách prostředí lze nalézt v Africe, kde fatální malárie je po staletí endemická. Parazit, který způsobuje malárii, infikuje červené krvinky, ve kterých hlavní složkou je proteinový hemoglobin nesoucí kyslík. Jednotlivci, kteří nesou normální hemoglobinový gen, jsou náchylní k tomuto onemocnění přenášenému komáry. Ale ti, kteří jsou nositeli mutovaného genu „hemoglobin S“, pouze s jednou kopií, jsou chráněni před těžkou malárií. Dvě kopie genu hemoglobinu S však způsobují srpkovité onemocnění buněk, které může být fatální.
Zde je jasná výhoda nesení jednoho mutantního genu - ve skutečnosti asi jeden z 10 Afričanů nese jednu kopii. Po mnoho století tak environmentální faktor upřednostňoval přežití jedinců nesoucích jednu kopii srpkovité hemoglobinové mutace.
Jednotlivci, kteří nesou dvě kopie genu srpkovitých buněk, trpí srpkovitou anémií, při níž se krvinky stanou rigidními srpkovitými tvary a uvíznou v cévách a způsobují bolest. Normální červené krvinky jsou pružné disky, které se snadno pohybují cévami. (Designua / Shutterstock.com) Podobně jsme přemýšleli, zda by bylo prospěšné mít jednu kopii této specifické mutace CF při expozicích podmínkám stresujícím pro životní prostředí. Možná jsme to zdůvodnili, proto byla mutace F508del běžná u bělošských Evropanů a z evropských populací.
Stopy z moderní DNA
Abychom zjistili výhodu přenosu jednoho mutovaného genu F508del z generace na generaci, museli jsme nejprve určit, kdy a kde mutace vznikla, abychom mohli odhalit přínos této mutace.
Získali jsme vzorky DNA od 190 pacientů s CF nesoucích F508del a jejich rodičů žijících v geograficky odlišných evropských populacích od Irska po Řecko plus populace pocházející z Německa v USA. Poté jsme identifikovali soubor genetických markerů - v podstatě sekvencí DNA - v genu CF a sousední umístění na chromozomu. Identifikací, kdy se tyto mutace objevily v populacích, které jsme studovali, jsme dokázali odhadnout věk posledního společného předka.
Dále jsme pomocí důkladných počítačových analýz odhadli věk mutace CF u každé populace žijící v různých zemích.
Nemoc způsobují dvě kopie genu srpkovitých buněk. Ale přenášení jedné kopie snižuje riziko malárie. Tento gen je rozšířen mezi lidmi, kteří žijí v oblastech světa (červená), kde je malárie endemická. (ellepigrafica) Poté jsme zjistili, že věk nejstaršího společného předka je mezi 4 600 a 4 725 lety a vznikl v jihozápadní Evropě, pravděpodobně v osadách podél Atlantického oceánu a snad v oblasti Francie nebo Portugalska. Věříme, že se mutace rychle rozšířila odtud do Británie a Irska a později do středoevropských a jihovýchodních evropských populací, jako je Řecko, kde F508del byl představen teprve před 1 000 lety.
Kdo šířil mutaci CF po celé Evropě?
Naše nově publikovaná data tedy naznačují, že mutace F508del vznikla v rané době bronzové a během starověkých migrací se rozšířila ze západní na jihovýchodní Evropu.
Navíc s přihlédnutím k archeologickým záznamům nám naše výsledky umožňují představit nový koncept, který naznačuje, že populace známá jako lid Bell Beaker byla pravděpodobnou migrující populací odpovědnou za včasné šíření F508del v pravěké Evropě. Objevili se při přechodu z pozdního neolitického období kolem roku 4 000 př.nl do doby rané bronzové během třetího tisíciletí př. Nl někde v západní Evropě. Vyznačovali se svými keramickými kádinky, průkopníky metalurgie mědi a bronzu severně od Alp a velkou mobilitou. Všechny studie ve skutečnosti ukazují, že se pohybovali v těžké migraci a cestovali po celé západní Evropě.
Distribuce stránek Bell Beaker po celé Evropě. (DieKraft prostřednictvím Wikimedia Commons) V průběhu přibližně 1 000 let šířila síť malých rodin a / nebo elitních kmenů svou kulturu od západu na východ do regionů, které úzce korespondují se současnou Evropskou unií, kde je nejvyšší výskyt CF. Jejich migrace jsou spojeny s příchodem hutnictví v západní a střední Evropě, protože při cestování na dlouhé vzdálenosti vyráběli a obchodovali s kovovým zbožím, zejména se zbraněmi. Také se spekuluje, že jejich cesty byly motivovány vytvořením manželských sítí. Nejvýznamnější pro naši studii je důkaz, že migrovali ve směru a v časovém období, které dobře odpovídá našim výsledkům. Nedávná genomická data naznačují, že migrace i kulturní přenos hrály hlavní roli v šíření „kádinky“ a vedly k „hluboké demografické transformaci“ Británie a jinde po roce 2400 před naším letopočtem
Určování, kdy byl F508del poprvé představen v Evropě, a zjištění, kde vznikl, by mělo poskytnout nové poznatky o vysoké prevalenci nosičů - a zda mutace poskytuje evoluční výhodu. Například Evropané z doby bronzové byli při značné migraci zjevně ušetřeni vystavení endemickým infekčním onemocněním nebo epidemií; ochrana před infekčním onemocněním, jako je tomu u mutace srpkovitých buněk, se díky této genetické mutaci jeví jako nepravděpodobná.
Jakmile bude prostřednictvím archeologického a genomického výzkumu k dispozici více informací o lidech z doby bronzové a jejich postupech během migrace, mělo by se objevit více vodítek o environmentálních faktorech, které upřednostňovaly lidi, kteří měli tuto genovou variantu. Možná budeme schopni odpovědět na otázky pacientů a rodičů o tom, proč mají ve své rodině mutaci CFTR a jakou výhodu to přináší.
Příklady nástrojů a keramiky vytvořené lidmi z Bell Beaker. (Benutzer: Thomas Ihle prostřednictvím německé Wikipedie, CC BY-SA) Tento článek byl původně publikován v The Conversation.
Philip Farrell, profesor dětských a populačních věd o zdraví, University of Wisconsin-Madison
