Imaginează-ți fiorul descoperirii atunci când peste 10 ani de cercetări asupra originii unei boli genetice comune, fibroza chistică (CF), rezultă în urmărirea ei către un grup de europeni distinși, dar misterioși, care au trăit în urmă cu aproximativ 5.000 de ani.
CF este cea mai frecventă boală, potențial letală, moștenită în rândul caucazienilor - aproximativ una din 40 poartă așa-numita mutație F508del. De obicei, doar mutații benefice, care oferă un avantaj de supraviețuire, se răspândesc pe scară largă într-o populație.
CF împiedică eliberarea enzimelor digestive din pancreas, care declanșează malnutriția, determină o boală pulmonară care este în cele din urmă fatală și produce niveluri ridicate de sare în transpirație care poate pune viața în pericol.
În funcție de mutația pe care o poartă un pacient, poate prezenta unele sau toate simptomele fibrozei chistice. (Personalul Blausen.com (2014), CC BY-SA) În ultimii ani, oamenii de știință au dezvăluit multe aspecte ale acestei boli mortale ale plămânilor, care au dus la o diagnosticare precoce de rutină la bebelușii analizați, tratamente mai bune și vieți mai lungi. Pe de altă parte, comunitatea științifică nu a reușit să-și dea seama când, unde și de ce mutația a devenit atât de comună. Colaborând cu o echipă extraordinară de oameni de știință europeni precum David Barton în Irlanda și Milan Macek în Republica Cehă, în special un grup de genetici geniali din Brest, Franța, condus de Emmanuelle Génin și Claude Férec, credem că acum știm unde și când a apărut mutația inițială și în care străvechi trib de oameni.
Împărtășim aceste descoperiri într-un articol din Jurnalul European de Genetică Umană care reprezintă punctul culminant al lucrărilor de 20 de ani care implică nouă țări.
Ce este fibroza chistică?
Încercarea mea de a determina cum a apărut CF și de ce este atât de comună a început curând după ce oamenii de știință au descoperit gena CFTR care a provocat boala în 1989. Cea mai comună mutație a acelei gene care provoacă boala a fost numită F508del. Două copii ale mutației - una moștenită de la mamă și cealaltă de la tată - au provocat boala letală. Dar, moștenirea unui singur exemplar nu a cauzat simptome și a făcut persoana să fie „purtătoare”.
Am fost angajat la Universitatea din Wisconsin din 1977 ca medic-om de știință care se concentrează pe diagnosticul precoce al CF prin screeningul nou-născutului. Înainte de descoperirea genei, am identificat bebelușii cu risc ridicat de CF utilizând un test de sânge care a măsurat nivelurile de proteine numite trypsinogen imunoreactiv (IRT). Niveluri ridicate de IRT au sugerat ca copilul să aibă CF. Când am aflat de descoperirea genelor, am fost convins că va fi un schimbător de joc atât pentru dezvoltarea testelor de screening cât și pentru cercetarea epidemiologică.
Asta pentru că cu gena am putea oferi părinților un test mai informativ. Le-am putea spune nu doar dacă copilul lor a avut CF, ci și dacă au purtat două copii ale unei mutații CFTR, care a provocat boală sau doar o copie care le-a făcut purtător.
Părinții care poartă o copie bună a genei CF (R) și o copie greșită a genei CF (r) mutate sunt numiți purtători. Când ambii părinți transmit copiilor lor o copie proastă a genei CF, copilul va suferi de fibroză chistică. Copiii care moștenesc doar o copie necorespunzătoare vor fi purtători ca și părinții lor și pot transmite gena copiilor lor. (Cburnett, CC BY-SA) Se poate întreba care este legătura dintre studierea screeningului nou-născutului CF și învățarea despre originea bolii. Răspunsul constă în modul în care echipa noastră de cercetare din Wisconsin a transformat un test de screening biochimic folosind markerul IRT într-o metodă cu două niveluri numită IRT / ADN.
Deoarece aproximativ 90 la sută dintre pacienții cu CF din SUA și Europa au cel puțin o mutație F508del, am început să analizăm sângele nou-născut pentru prezența sa ori de câte ori nivelul IRT a fost ridicat. Însă, atunci când este efectuat acest screening IRT / ADN în două etape, nu numai că sunt diagnosticați pacienții cu boala, dar sunt de asemenea de zece ori mai mulți sugari care sunt purtători genetici ai bolii.
Ca screening preconcepțional, prenatal și neonatal pentru CF au proliferat în ultimele două decenii, multe mii de indivizi care au descoperit că sunt transportatori F508del și părinții în cauză au ridicat adesea întrebări despre originea și semnificația purtării acestei mutații în sine. copii. Oare ar suferi cu un singur exemplar? A existat un beneficiu pentru sănătate? A fost frustrant pentru un pediatru specializat în CF să nu aibă niciun răspuns pentru ei.
Provocarea de a găsi originea mutației CF
Am vrut să închid zero când a început să apară această mutație genetică. Identificarea acestei perioade ne-ar permite să înțelegem cum ar fi putut evolua pentru a oferi un beneficiu - cel puțin inițial - acelor oameni din Europa care au avut-o. Pentru a-mi extinde cercetările, am decis să iau un program sabatic și să mă instruiesc în epidemiologie, în timp ce făceam cursuri în 1993, la Școala de Igienă și Medicină Tropicală din Londra.
Momentul a fost perfect, deoarece domeniul cercetărilor ADN antice începea să înflorească. Noi tehnici de descoperire precum reacția în lanț a polimerazei au făcut posibilă studierea ADN-ului de mumii și a altor exemplare arheologice umane de la înmormântările preistorice. De exemplu, studiile timpurii au fost efectuate pe ADN de la Icemanul tirolean în vârstă de 5.000 de ani, care ulterior a devenit cunoscut sub numele de Ötzi.
O înmormântare preistorică tipică într-o poziție fetală ghemuită. (Philip Farrell, CC BY-SA) Am decis că s-ar putea să descoperim originea CF analizând ADN-ul în dinții oamenilor din epoca fierului îngropat între 700-100 î.Hr. în cimitirele din întreaga Europă.
Folosind această strategie, am făcut echipă cu arheologi și antropologi precum Maria Teschler-Nicola la Muzeul de Istorie Naturală din Viena, care a oferit acces la 32 de scheleturi înmormântate în jurul anului 350 î.Hr., lângă Viena. Geneticienii din Franța au colectat ADN de la molarii antici și au analizat ADN-ul. Spre surprinderea noastră, am descoperit prezența mutației F508del în ADN din trei din 32 de scheleturi.
Această descoperire a F508del în înmormântările din Europa Centrală din Epoca Fierului, radiocarbonată din 350 î.Hr., ne-a sugerat că mutația CF originală ar fi apărut mai devreme. Dar obținerea epruvetelor din epoca bronzului și din neolitic pentru astfel de studii directe s-a dovedit dificilă, deoarece sunt disponibile mai puține înmormântări, scheletele nu sunt la fel de bine conservate și fiecare cimitir reprezintă doar un trib sau un sat. Deci, mai degrabă decât să depindem de ADN-ul antic, ne-am schimbat strategia de a examina genele oamenilor moderni pentru a ne da seama când a apărut această mutație.
De ce s-ar răspândi o mutație dăunătoare?
Pentru a găsi originea CF la pacienții moderni, știam că trebuie să aflăm mai multe despre mutația semnăturii - F508del - la persoanele care sunt purtătoare sau au boala.
Această mutație minusculă provoacă pierderea unui aminoacid din lanțul de aminoacizi 1.480 și schimbă forma unei proteine pe suprafața celulei care mișcă clorura în și în afara celulei. Când această proteină este mutată, persoanele care poartă două copii ale acesteia - una de la mamă și una de la tată - sunt afectate de mucus lipicios gros în plămâni, pancreas și alte organe. Mucusul din plămânii lor permite bacteriilor să prospere, distrugând țesutul și, în cele din urmă, provocând eșecul plămânilor. În pancreas, secrețiile groase împiedică glanda să elibereze enzimele de care organismul are nevoie pentru a digera alimentele.
Deci, de ce o astfel de mutație dăunătoare va continua să fie transmisă din generație în generație?
Muzeul de Istorie Naturală din Viena, Austria, găzduiește o mare colecție de scheleturi din epoca fierului și epoca bronzului, care sunt tratate de Dr. Maria Teschler-Nicola. Aceste colecții au fost sursa de dinți și oase pentru investigarea ADN-ului antic și studii privind „Originea Antică a Fibrozei chistice”. (Philip Farrell, CC BY-ND) O mutație la fel de dăunătoare ca F508del nu ar fi supraviețuit niciodată în rândul persoanelor cu două copii ale genei CFTR mutate, deoarece probabil au murit curând după naștere. Pe de altă parte, cei cu o mutație pot avea un avantaj de supraviețuire, așa cum se prevede în teoria „supraviețuirii celei mai potrivite” teorii.
Poate că cel mai bun exemplu de mutație care favorizează supraviețuirea în condiții de mediu stresante poate fi găsit în Africa, unde malaria fatală este endemică de secole. Parazitul care provoacă malaria infectează globulele roșii în care constituentul principal este proteina care transportă oxigenul hemoglobină. Persoanele care poartă gena normală a hemoglobinei sunt vulnerabile la această boală purtată de țânțari. Dar cei care sunt purtători ai genei „hemoglobină S” mutată, cu o singură copie, sunt protejați de malarie severă. Cu toate acestea, două copii ale genei hemoglobinei S provoacă boala celulelor secera, care poate fi fatală.
Aici există un avantaj clar de a transporta o genă mutantă - de fapt, aproximativ una din 10 africane poartă o singură copie. Astfel, timp de mai multe secole, un factor de mediu a favorizat supraviețuirea indivizilor care poartă o singură copie a mutației hemoglobinei secera.
Persoanele care poartă două copii ale genei celulelor secera suferă de anemie de celule secera, în care celulele sanguine devin forme rigide ale secera și se blochează în vasele de sânge, cauzând durere. Globulele roșii normale sunt discuri flexibile care alunecă ușor prin vase. (Designua / Shutterstock.com) În mod similar, ne-am întrebat dacă există un beneficiu pentru sănătate în ceea ce privește transportarea unei singure copii a acestei mutații specifice CF în timpul expunerilor la condiții de stres ecologic. Poate, am argumentat, de aceea mutația F508del a fost comună în rândul europenilor caucazieni și a populațiilor derivate din Europa.
Indici din ADN-ul modern
Pentru a ne da seama de avantajul transmiterii unei singure gene mutante F508del de la generație la generație, a trebuit mai întâi să stabilim când și unde a apărut mutația, astfel încât să putem descoperi beneficiile pe care le-a conferit această mutație.
Am obținut eșantioane de ADN de la 190 de pacienți CF cu F508del și părinții lor rezidenți în populații europene distincte geografic din Irlanda în Grecia, plus o populație derivată din Germania în SUA Am identificat apoi o colecție de markeri genetici - în esență secvențe de ADN - în cadrul genei CF și locații de flancare pe cromozom. Identificând când au apărut aceste mutații în populațiile pe care le-am studiat, am putut estima vârsta celui mai recent strămoș comun.
În continuare, prin analize computerizate riguroase, am estimat vârsta mutației CF în fiecare populație cu domiciliul în diferitele țări.
Două copii ale genei celulelor secera determină boala. Dar transportul unui exemplar reduce riscul de malarie. Gena este răspândită în rândul persoanelor care trăiesc în regiuni ale lumii (roșu) unde malaria este endemică. (ellepigrafica) Am stabilit apoi că vârsta celui mai vechi strămoș comun este între 4.600 și 4.725 de ani și a apărut în sud-vestul Europei, probabil în așezări de-a lungul Oceanului Atlantic și poate în regiunea Franței sau Portugaliei. Considerăm că mutația s-a răspândit rapid de acolo în Marea Britanie și Irlanda, iar mai târziu către populațiile din centrul și sud-estul Europei, cum ar fi Grecia, unde F508del a fost introdusă acum doar aproximativ 1.000 de ani.
Cine a răspândit mutația CF în toată Europa?
Astfel, datele noastre recent publicate sugerează că mutația F508del a apărut la începutul epocii bronzului și s-a răspândit din vestul spre sud-estul Europei în timpul migrațiilor antice.
Mai mult, ținând cont de evidența arheologică, rezultatele noastre ne permit să introducem un concept inedit sugerând că o populație cunoscută sub denumirea de folclor Bell Beaker era probabil populația care migrează responsabilă de diseminarea timpurie a F508del în Europa preistorică. Au apărut la trecerea din perioada neoliticului târziu, în jurul anului 4000 î.Hr., la epoca bronzului timpuriu în timpul mileniului III î.Hr., undeva în Europa de Vest. S-au remarcat prin paharele ceramice, metalurgia pionieră din cupru și bronz la nordul Alpilor și o mare mobilitate. Toate studiile, de fapt, arată că au fost într-o migrație grea, călătorind în toată Europa de Vest.
Distribuirea site-urilor Bell Beaker în toată Europa. (DieKraft prin Wikimedia Commons) Peste aproximativ 1000 de ani, o rețea de familii mici și / sau triburi de elită și-au răspândit cultura de la vest la est în regiuni care corespund îndeaproape cu actuala Uniune Europeană, unde se găsește cea mai mare incidență a CF. Migrațiile lor sunt legate de apariția metalurgiei occidentale și centrale-europene, întrucât au fabricat și tranzacționat mărfuri metalice, în special arme, în timp ce călătoresc pe distanțe lungi. De asemenea, se speculează că călătoriile lor au fost motivate prin crearea unor rețele de căsătorie. Cea mai relevantă pentru studiul nostru este dovada că au migrat într-o direcție și într-o perioadă care se potrivește bine cu rezultatele noastre. Datele genomice recente sugerează că atât migrația, cât și transmisia culturală au jucat un rol major în difuzarea „Complexului Beaker” și au dus la o „transformare demografică profundă” a Marii Britanii și în alte părți după 2400 î.Hr.
Determinarea momentului în care F508del a fost introdusă pentru prima dată în Europa și a descoperi unde a apărut ar trebui să ofere noi informații despre prevalența ridicată a transportatorilor și dacă mutația conferă un avantaj evolutiv. De exemplu, europenii din epoca bronzului, în timp ce migrau intens, au fost aparent economisiți de expunerea la boli infecțioase endemice sau epidemii; astfel, protejarea împotriva unei boli infecțioase, ca în cazul mutației celulelor secera, prin această mutație genetică pare puțin probabilă.
Pe măsură ce mai multe informații despre oamenii din epoca bronzului și practicile lor în timpul migrațiilor devin disponibile prin cercetări arheologice și genomice, ar trebui să apară mai multe indicii despre factorii de mediu care au favorizat persoanele care au avut această variantă de genă. Apoi, s-ar putea să putem răspunde la întrebări de la pacienți și părinți despre motivul pentru care au o mutație CFTR în familia lor și ce avantaj este acest lucru.
Exemple de unelte și ceramică create de oamenii Bell Beaker. (Benutzer: Thomas Ihle prin Wikipedia Germană, CC BY-SA) Acest articol a fost publicat inițial pe The Conversation.
Philip Farrell, profesor de pediatrie și științe ale sănătății populației, Universitatea din Wisconsin-Madison
