Вообразите острые ощущения открытия, когда более чем 10-летние исследования происхождения общего генетического заболевания, муковисцидоза (МВ), привели к его прослеживанию группой отличных, но загадочных европейцев, которые жили около 5000 лет назад.
КФ является наиболее распространенным, потенциально летальным, наследственным заболеванием среди кавказцев - примерно каждый 40-й носит так называемую мутацию F508del. Обычно только полезные мутации, которые обеспечивают преимущество выживания, широко распространяются среди населения.
CF препятствует высвобождению пищеварительных ферментов из поджелудочной железы, что вызывает недоедание, вызывает заболевание легких, которое в конечном итоге приводит к летальному исходу, и приводит к высокому содержанию соли в поте, что может быть опасно для жизни.
В зависимости от мутации, которую несет пациент, они могут испытывать некоторые или все симптомы муковисцидоза. (Сотрудники Blausen.com (2014), CC BY-SA) В последние годы ученые обнаружили много аспектов этой смертельной болезни легких, которые привели к рутинной ранней диагностике у обследованных детей, лучшему лечению и увеличению продолжительности жизни. С другой стороны, научное сообщество не смогло понять, когда, где и почему мутация стала настолько распространенной. Сотрудничая с выдающейся командой европейских ученых, таких как Дэвид Бартон в Ирландии и Милан Мацек в Чешской Республике, в частности с группой блестящих генетиков в Бресте, Франция, во главе с Эммануэль Женин и Клодом Фереком, мы считаем, что теперь мы знаем, где и когда Первоначальная мутация возникла и в древнем племени людей.
Мы делимся этими результатами в статье в Европейском журнале генетики человека, которая представляет собой кульминацию 20-летней работы с участием девяти стран.
Что такое муковисцидоз?
Мое стремление определить, как возник CF и почему оно так распространено, началось вскоре после того, как в 1989 году ученые обнаружили ген CFTR, вызывающий заболевание. Наиболее частая мутация этого гена, вызывающего заболевание, была названа F508del. Две копии мутации - одна унаследованная от матери, а другая от отца - вызвала смертельную болезнь. Но наследование только одной копии не вызвало симптомов и сделало человека «носителем».
Я работал в Университете Висконсина с 1977 года как врач-ученый, специализирующийся на ранней диагностике МВ с помощью скрининга новорожденных. Перед обнаружением гена мы идентифицировали детей с высоким риском развития МВ, используя анализ крови, который измерял уровни белка, называемого иммунореактивным трипсиногеном (IRT). Высокие уровни IRT предположили, что у ребенка был CF. Когда я узнал об открытии гена, я был убежден, что это изменит правила игры как для скрининг-теста, так и для эпидемиологического исследования.
Это потому, что с геном мы могли бы предложить родителям более информативный тест. Мы могли бы сказать им не только, был ли у их ребенка CF, но также, имели ли они две копии мутации CFTR, которая вызвала болезнь, или только одну копию, которая сделала их носителем.
Родители, несущие одну хорошую копию гена CF (R) и одну плохую копию мутированного гена CF (r), называются носителями. Когда оба родителя передают плохую копию гена CF своим детям, ребенок будет страдать от муковисцидоза. Дети, которые унаследуют только одну плохую копию, будут такими же носителями, как и их родители, и могут передавать ген своим детям. (Cburnett, CC BY-SA) Можно спросить, какова связь между изучением скрининга новорожденных на МВ и изучением происхождения заболевания. Ответ заключается в том, как наша исследовательская группа в Висконсине преобразовала биохимический скрининг-тест с использованием маркера IRT в двухуровневый метод, называемый IRT / DNA.
Поскольку около 90 процентов пациентов с МВ в США и Европе имеют по крайней мере одну мутацию F508del, мы начали анализировать наличие крови новорожденного, когда уровень IRT был высоким. Но когда этот двухэтапный скрининг IRT / ДНК сделан, идентифицируются не только пациенты с диагностированным заболеванием, но также и в десять раз больше детей, которые являются генетическими носителями этого заболевания.
По мере того, как скрининг на предконцепцию, пренатальный и неонатальный скрининг на МВ распространялся в течение последних двух десятилетий, многие тысячи людей, которые обнаружили, что они являются носителями F508del, и их обеспокоенные родители часто поднимали вопросы о происхождении и значении переноса этой мутации сами или в своих дети. Будут ли они страдать с одной копией? Была ли польза для здоровья? Для педиатра, специализирующегося на МВ, было неприятно, что у них нет ответа.
Задача определения происхождения мутации CF
Я хотел сосредоточиться на том, когда эта генетическая мутация впервые начинает появляться. Определение этого периода позволило бы нам понять, как он мог эволюционировать, чтобы обеспечить выгоду - по крайней мере, на начальном этапе - тем людям в Европе, которые имели его. Чтобы расширить свои исследования, я решил взять отпуск и обучиться эпидемиологии, проходя курсы в 1993 году в Лондонской школе гигиены и тропической медицины.
Время было идеальным, потому что область исследований древней ДНК начала расцветать. Новые прорывные методы, такие как полимеразная цепная реакция, позволили изучить ДНК мумий и других археологических образцов человека из доисторических захоронений. Например, ранние исследования были проведены на ДНК 5000-летнего тирольского ледяного человека, который позже стал известен как Эци.
Типичное доисторическое захоронение в положении на корточках. (Филипп Фаррелл, CC BY-SA) Я решил, что мы сможем выяснить происхождение МВ, проанализировав ДНК в зубах людей железного века, похороненных между 700-100 до н.э. на кладбищах по всей Европе.
Используя эту стратегию, я объединился с археологами и антропологами, такими как Мария Тешлер-Никола в Музее естественной истории в Вене, которые предоставили доступ к 32 скелетам, захороненным около 350 г. до н.э. около Вены. Генетики во Франции собирали ДНК из древних коренных зубов и анализировали ДНК. К нашему удивлению, мы обнаружили присутствие мутации F508del в ДНК трех из 32 скелетов.
Это открытие F508del в центральноевропейских погребениях железного века, датируемых радиоуглеродом до 350 г. до н.э., позволило нам предположить, что первоначальная мутация CF, возможно, возникла ранее. Но получение образцов бронзового века и неолита для таких прямых исследований оказалось трудным делом, потому что доступно меньше захоронений, скелеты не так хорошо сохранились, и каждое кладбище просто представляет племя или деревню. Поэтому вместо того, чтобы зависеть от древней ДНК, мы изменили нашу стратегию изучения генов современных людей, чтобы выяснить, когда эта мутация возникла впервые.
Почему распространяются вредные мутации?
Чтобы выяснить происхождение МВ у современных пациентов, мы знали, что нам нужно больше узнать о сигнатурной мутации - F508del - у людей, которые являются носителями или имеют заболевание.
Эта крошечная мутация вызывает потерю одной аминокислоты из 1480 аминокислотных цепей и изменяет форму белка на поверхности клетки, которая перемещает хлорид внутрь и наружу клетки. Когда этот белок мутирует, люди, несущие две его копии - одну от матери и одну от отца, страдают от густой липкой слизи в легких, поджелудочной железе и других органах. Слизь в их легких позволяет бактериям процветать, разрушая ткани и в конечном итоге приводя к отказу легких. В поджелудочной железе толстые выделения препятствуют доставке железой ферментов, необходимых организму для переваривания пищи.
Так почему же такая вредная мутация будет передаваться из поколения в поколение?
В Музее естественной истории в Вене, Австрия, хранится большая коллекция скелетов железного века и бронзового века, которые курирует д-р Мария Тешлер-Никола. Эти коллекции были источником зубов и костей для исследования древней ДНК и исследований «Древнее происхождение муковисцидоза». (Филипп Фаррелл, CC BY-ND) Мутация, столь же вредная, как F508del, никогда бы не выжила среди людей с двумя копиями мутированного гена CFTR, потому что они, вероятно, умерли вскоре после рождения. С другой стороны, у людей с одной мутацией может быть преимущество в выживании, как и предсказывалось в теории Дарвина «выживание наиболее приспособленных».
Возможно, лучший пример мутации, способствующей выживанию в стрессовых условиях окружающей среды, можно найти в Африке, где смертельная малярия была эндемичной на протяжении веков. Паразит, вызывающий малярию, заражает эритроциты, в которых основным компонентом является гемоглобин, несущий кислород. Люди, которые несут нормальный ген гемоглобина, уязвимы для этой болезни, переносимой комарами. Но те, кто является носителем мутантного гена «гемоглобина S», имеющего только одну копию, защищены от тяжелой малярии. Однако две копии гена гемоглобина S вызывают серповидноклеточную анемию, которая может привести к летальному исходу.
Здесь есть явное преимущество в переносе одного мутантного гена - фактически, каждый десятый африканец несет одну копию. Таким образом, на протяжении многих веков экологический фактор способствовал выживанию людей, несущих одну копию серповидной мутации гемоглобина.
Люди, которые несут две копии гена серповидно-клеточной анемии, страдают от серповидно-клеточной анемии, при которой клетки крови приобретают жесткую форму серпа и застревают в кровеносных сосудах, вызывая боль. Нормальные эритроциты - это гибкие диски, которые легко скользят по сосудам. (Designua / Shutterstock.com) Точно так же мы задавались вопросом, была ли польза для здоровья от переноса единственной копии этой конкретной мутации CF во время воздействия на окружающую среду стрессовых условий. Возможно, мы рассуждали, поэтому мутация F508del была распространена среди европейцев Кавказа и европейского населения.
Ключи от современной ДНК
Чтобы выяснить преимущество передачи одного мутантного гена F508del из поколения в поколение, мы сначала должны были определить, когда и где возникла мутация, чтобы мы могли раскрыть преимущество, которое дала эта мутация.
Мы получили образцы ДНК от 190 пациентов с CF, имеющих F508del, и их родителей, проживающих в географически отличных европейских популяциях от Ирландии до Греции, а также от немецкой популяции в США. Затем мы идентифицировали коллекцию генетических маркеров - по существу, последовательностей ДНК - в гене CF и фланкирующие участки на хромосоме. Определив, когда эти мутации возникли в популяциях, которые мы изучали, мы смогли оценить возраст самого последнего общего предка.
Затем с помощью тщательного компьютерного анализа мы оценили возраст мутации CF в каждой популяции, проживающей в разных странах.
Две копии серповидно-клеточного гена вызывают заболевание. Но ношение одной копии снижает риск малярии. Ген широко распространен среди людей, которые живут в регионах мира (красный), где малярия является эндемической. (ellepigrafica) Затем мы определили, что возраст самого старого общего предка составляет от 4600 до 4725 лет и возник в юго-западной Европе, вероятно, в поселениях вдоль Атлантического океана и, возможно, в регионе Франции или Португалии. Мы полагаем, что мутация быстро распространилась оттуда в Великобританию и Ирландию, а затем и в страны Центральной и Юго-Восточной Европы, такие как Греция, где F508del был введен только около 1000 лет назад.
Кто распространил мутацию CF по всей Европе?
Таким образом, наши недавно опубликованные данные предполагают, что мутация F508del возникла в начале бронзового века и распространилась с запада на юго-восток Европы во время древних миграций.
Кроме того, принимая во внимание археологические данные, наши результаты позволяют нам представить новую концепцию, предполагая, что популяция, известная как народ Белл-Стакана, была вероятной мигрирующей популяцией, ответственной за раннее распространение F508del в доисторической Европе. Они появились при переходе от периода позднего неолита, около 4000 г. до н.э., к раннему бронзовому веку в третьем тысячелетии до нашей эры где-то в Западной Европе. Их отличали керамические мензурки, новаторская медная и бронзовая металлургия к северу от Альп и отличная мобильность. Фактически все исследования показывают, что они попали в тяжелую миграцию, путешествуя по всей Западной Европе.
Распределение сайтов Bell Beaker по всей Европе. (DieKraft через Wikimedia Commons) В течение примерно 1000 лет сеть небольших семей и / или элитных племен распространяла свою культуру с запада на восток в регионы, которые близко соответствуют современному Европейскому союзу, где наблюдается самая высокая заболеваемость МВ. Их миграции связаны с появлением металлургии Западной и Центральной Европы, поскольку они производили и продавали металлические товары, особенно оружие, во время путешествия на большие расстояния. Также предполагается, что их путешествия были мотивированы созданием брачных сетей. Наиболее актуальным для нашего исследования являются доказательства того, что они мигрировали в определенном направлении и в течение определенного периода времени, что хорошо согласуется с нашими результатами. Недавние геномные данные свидетельствуют о том, что как миграция, так и культурная передача сыграли важную роль в распространении «комплекса мензурок» и привели к «глубокой демографической трансформации» в Великобритании и других странах после 2400 г. до н.э.
Определение того, когда F508del был впервые представлен в Европе, и выяснение того, где он возник, должно дать новое представление о высокой распространенности носителей и о том, дает ли мутация эволюционное преимущество. Например, европейцы бронзового века, хотя и мигрировали широко, очевидно, были защищены от воздействия эндемических инфекционных заболеваний или эпидемий; таким образом, защита от инфекционного заболевания, такого как мутация серповидно-клеточной анемии, с помощью этой генетической мутации представляется маловероятной.
По мере того, как больше информации о людях бронзового века и их практике во время миграций станет доступным благодаря археологическим и геномным исследованиям, должно появиться больше подсказок о факторах окружающей среды, которые благоприятствовали людям, у которых был этот вариант гена. Затем мы сможем ответить на вопросы пациентов и родителей о том, почему у них есть мутация CFTR в их семье, и какое преимущество это дает.
Примеры инструментов и керамики, созданных людьми Bell Beaker. (Бенутцер: Томас Иле из немецкой Википедии, CC BY-SA) Эта статья была первоначально опубликована на разговор.
Филип Фаррелл, профессор педиатрии и наук о здоровье населения, Университет Висконсин-Мэдисон
