Φανταστείτε τη συγκίνηση της ανακάλυψης όταν περισσότερα από 10 χρόνια έρευνας σχετικά με την προέλευση μιας κοινής γενετικής νόσου, κυστική ίνωση (CF), οδηγεί σε μια ομάδα ξεχωριστών αλλά μυστηριωδών Ευρωπαίων που έζησαν πριν από περίπου 5.000 χρόνια.
Η ΚΙ είναι η συνηθέστερη, δυνητικά θανατηφόρα, κληρονομική νόσος μεταξύ των Καυκάσιων - περίπου το ένα στους 40 φέρει τη λεγόμενη μετάλλαξη F508del. Τυπικά μόνο ευνοϊκές μεταλλάξεις, οι οποίες παρέχουν ένα πλεονέκτημα επιβίωσης, εξαπλώνονται ευρέως μέσω ενός πληθυσμού.
Το CF εμποδίζει την απελευθέρωση πεπτικών ενζύμων από το πάγκρεας, το οποίο προκαλεί υποσιτισμό, προκαλεί ασθένεια των πνευμόνων που τελικά είναι θανατηφόρο και παράγει υψηλά επίπεδα αλατιού στον ιδρώτα που μπορεί να είναι απειλητική για τη ζωή.
Ανάλογα με τη μετάλλαξη που μεταφέρει ένας ασθενής, ενδέχεται να εμφανίσουν κάποια ή όλα τα συμπτώματα κυστικής ίνωσης. (Προσωπικό Blausen.com (2014), CC BY-SA) Τα τελευταία χρόνια, οι επιστήμονες έχουν αποκαλύψει πολλές πτυχές αυτής της θανατηφόρου πνευμονικής νόσου, οι οποίες έχουν οδηγήσει σε ρουτίνα έγκαιρη διάγνωση στα βρέφη που εξετάστηκαν, καλύτερες θεραπείες και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Από την άλλη πλευρά, η επιστημονική κοινότητα δεν κατάφερε να καταλάβει πότε, πού και γιατί η μετάλλαξη έγινε τόσο συνηθισμένη. Συνεργαζόμενοι με μια εξαιρετική ομάδα ευρωπαίων επιστημόνων, όπως ο David Barton στην Ιρλανδία και ο Milan Macek στην Τσεχική Δημοκρατία, ιδιαίτερα μια ομάδα λαμπρών γενετιστών στη Brest της Γαλλίας με επικεφαλής τον Emmanuelle Génin και τον Claude Férec, πιστεύουμε ότι τώρα γνωρίζουμε πού και πότε η αρχική μετάλλαξη προέκυψε και σε ποια αρχαία φυλή ανθρώπων.
Συμμεριζόμαστε αυτά τα ευρήματα σε ένα άρθρο στην Ευρωπαϊκή Εφημερίδα της Ανθρώπινης Γενετικής, η οποία αντιπροσωπεύει το αποκορύφωμα της 20ετούς εργασίας που περιλαμβάνει εννέα χώρες.
Τι είναι η κυστική ίνωση;
Η προσπάθειά μου να καθορίσω πώς προέκυψε το CF και γιατί είναι τόσο συνηθισμένη άρχισε σύντομα αφού οι επιστήμονες ανακάλυψαν το γονίδιο CFTR που προκάλεσε την ασθένεια το 1989. Η πιο κοινή μετάλλαξη αυτού του γονιδίου που προκαλεί τη νόσο ονομαζόταν F508del. Δύο αντίγραφα της μετάλλαξης -ένα που κληρονόμησε από τη μητέρα και το άλλο από τον πατέρα- προκάλεσαν τη θανατηφόρα ασθένεια. Όμως, η κληρονομιά ενός μόνο αντιγράφου δεν προκάλεσε συμπτώματα και έκανε το άτομο «μεταφορέα».
Εργάστηκα στο Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν από το 1977 ως επιστήμονας-γιατρός με επίκεντρο την έγκαιρη διάγνωση της ΚΙ μέσω του προσυμπτωματικού ελέγχου. Πριν από την ανακάλυψη του γονιδίου, εντοπίσαμε μωρά με υψηλό κίνδυνο για ΚΙ, χρησιμοποιώντας μια εξέταση αίματος που μετρά τα επίπεδα πρωτεΐνης που ονομάζεται ανοσοαντιδραστικό τρυψινογόνο (IRT). Υψηλά επίπεδα IRT πρότειναν το μωρό να έχει CF. Όταν έμαθα την ανακάλυψη του γονιδίου, ήμουν πεπεισμένος ότι θα ήταν ένας παίκτης αλλαγής παιχνιδιών τόσο για την εξέλιξη των εξετάσεων όσο και για την επιδημιολογική έρευνα.
Αυτό συμβαίνει επειδή με το γονίδιο θα μπορούσαμε να προσφέρουμε στους γονείς μια πιο ενημερωτική εξέταση. Θα μπορούσαμε να τους πούμε όχι μόνο εάν το παιδί τους είχε ΚΙ, αλλά και αν έφεραν δύο αντίγραφα μιας μετάλλαξης CFTR, που προκάλεσε ασθένεια, ή μόνο ένα αντίγραφο που τους έκανε φορέα.
Οι γονείς που φέρουν ένα καλό αντίγραφο του γονιδίου CF (R) και ένα κακό αντίγραφο του μεταλλαγμένου γονιδίου CF (r) ονομάζονται φορείς. Όταν και οι δύο γονείς μεταφέρουν ένα κακό αντίγραφο του γονιδίου CF στους απογόνους τους, το παιδί θα υποφέρει από κυστική ίνωση. Τα παιδιά που κληρονομούν μόνο ένα κακό αντίγραφο θα είναι φορείς όπως οι γονείς τους και μπορούν να μεταδώσουν το γονίδιο στα παιδιά τους. (Cburnett, CC BY-SA) Κάποιος μπορεί να ρωτήσει ποια είναι η σχέση μεταξύ της μελέτης της ανίχνευσης νεογνού και της εκμάθησης για την προέλευση της νόσου. Η απάντηση έγκειται στο πώς η ερευνητική ομάδα μας στο Wisconsin μεταμόρφωσε μια βιοχημική εξέταση διαλογής χρησιμοποιώντας τον δείκτη IRT σε μια μέθοδο δύο επιπέδων που ονομάζεται IRT / DNA.
Επειδή περίπου το 90% των ασθενών με CF στην Αμερική και την Ευρώπη έχουν τουλάχιστον μία μετάλλαξη F508del, αρχίσαμε να αναλύουμε το νεογέννητο αίμα για την παρουσία του όποτε το επίπεδο IRT ήταν υψηλό. Αλλά όταν γίνει αυτός ο έλεγχος IRT / DNA σε δύο βήματα, όχι μόνο εντοπίζονται οι ασθενείς με τη διάγνωση της νόσου αλλά και δέκα φορές περισσότερα βρέφη που είναι γενετικοί φορείς της νόσου.
Δεδομένου ότι η προγεννητική, προγεννητική και νεογνική εξέταση για ΚΙ πολλαπλασιάστηκε τις τελευταίες δύο δεκαετίες, οι χιλιάδες άτομα που ανακάλυψαν ότι ήταν φορείς F508del και οι ενδιαφερόμενοι γονείς τους έθεσαν συχνά ερωτήματα σχετικά με την προέλευση και τη σημασία της μεταφοράς αυτής της μετάλλαξης παιδιά. Θα υποφέρουν με ένα αντίγραφο; Υπήρχε κάποιο όφελος για την υγεία; Είναι απογοητευτικό για έναν παιδίατρο που ειδικεύεται στην ΚΙ να μην έχει καμία απάντηση γι 'αυτούς.
Η πρόκληση της εύρεσης της προέλευσης της μετάλλαξης του CF
Ήθελα να μηδενίσει πότε αυτή η γενετική μετάλλαξη αρχίζει να εμφανίζεται. Η εντοπισμός αυτής της περιόδου θα μας επιτρέψει να κατανοήσουμε πώς θα μπορούσε να εξελιχθεί για να προσφέρει ένα όφελος - τουλάχιστον αρχικά - σε εκείνους τους ανθρώπους στην Ευρώπη που το είχαν. Για να διευρύνω την έρευνά μου, αποφάσισα να κάνω μια επιμνημόσυνο και να εκπαιδεύσω στην επιδημιολογία, ενώ παρακολουθούσα μαθήματα το 1993 στη Σχολή Υγιεινής και Τροπικής Ιατρικής του Λονδίνου.
Ο χρόνος ήταν τέλειος, επειδή άρχισε να ανθίζει το πεδίο της αρχαίας έρευνας DNA. Νέες τεχνικές, όπως η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης, κατέστησαν δυνατή τη μελέτη του DNA των μούμιων και άλλων ανθρώπινων αρχαιολογικών δειγμάτων από προϊστορικές ταφές. Για παράδειγμα, διεξήχθησαν πρόωρες μελέτες για το DNA από τον 5000 ετών παλαιό τυρολέζικο παγετό, ο οποίος αργότερα έγινε γνωστός ως Ötzi.
Μια τυπική προϊστορική ταφή σε μια στρογγυλεμένη εμβρυϊκή θέση. (Philip Farrell, CC BY-SA) Αποφάσισα ότι θα μπορούσαμε να ανακαλύψουμε την προέλευση του ΤΡ, αναλύοντας το DNA στα δόντια των ανθρώπων της Εποχής του Σιδήρου που θάφτηκαν μεταξύ 700-100 π.Χ. σε νεκροταφεία σε όλη την Ευρώπη.
Χρησιμοποιώντας αυτή τη στρατηγική, συνεργάστηκα με αρχαιολόγους και ανθρωπολόγους όπως η Μαρία Τέσλερ-Νικολά στο Μουσείο Φυσικής Ιστορίας στη Βιέννη, που παρέσχε πρόσβαση σε 32 σκελετούς που είχαν θαφτεί γύρω στο 350 π.Χ. κοντά στη Βιέννη. Οι γενετιστές στη Γαλλία συνέλεξαν DNA από τους αρχαίους γομφίους και ανέλυσαν το DNA. Προς έκπληξή μας, ανακαλύψαμε την παρουσία της μετάλλαξης F508del στο DNA από τρεις από τους 32 σκελετούς.
Αυτή η ανακάλυψη του F508del στις ραδιοανθράκυνες της Ταπείρου της Κεντρικής Ευρώπης, που χρονολογείται από το 350 π.Χ., μας πρότεινε ότι η αρχική μετάλλαξη του CF μπορεί να είχε προκύψει νωρίτερα. Αλλά η απόκτηση δειγμάτων Εποχής του Χαλκού και Νεολιθικής για τέτοιες άμεσες μελέτες αποδείχθηκε δύσκολη, επειδή υπάρχουν λιγότερες ταφές, οι σκελετοί δεν είναι τόσο καλά διατηρημένοι και κάθε νεκροταφείο αντιπροσωπεύει απλώς μια φυλή ή ένα χωριό. Έτσι, αντί να εξαρτάται από το αρχαίο DNA, μετατοπίσαμε τη στρατηγική μας για να εξετάσουμε τα γονίδια των σύγχρονων ανθρώπων για να καταλάβουμε πότε προέκυψε αυτή η μετάλλαξη.
Γιατί θα εξαπλωθεί μια επιβλαβής μετάλλαξη;
Για να βρούμε την προέλευση του CF σε σύγχρονους ασθενείς, ήξερα ότι έπρεπε να μάθουμε περισσότερα για τη μετάλλαξη υπογραφής-F508del-σε ανθρώπους που είναι φορείς ή έχουν την ασθένεια.
Αυτή η μικροσκοπική μετάλλαξη προκαλεί απώλεια ενός αμινοξέος από την αλυσίδα 1, 480 αμινοξέων και αλλάζει το σχήμα μιας πρωτεΐνης στην επιφάνεια του κυττάρου που μετακινεί το χλωρίδιο μέσα και έξω από το κύτταρο. Όταν μεταλλάσσεται αυτή η πρωτεΐνη, οι άνθρωποι που φέρνουν δύο αντίγραφα - ένα από τη μητέρα και ένα από τον πατέρα - μαστίζονται με παχύ κολλώδη βλέννα στους πνεύμονες, το πάγκρεας και άλλα όργανα. Η βλέννα στους πνεύμονες επιτρέπει στα βακτήρια να ευδοκιμήσουν, καταστρέφοντας τον ιστό και τελικά προκαλώντας την αποτυχία των πνευμόνων. Στο πάγκρεας, οι παχιές εκκρίσεις εμποδίζουν τον αδένα να παραδώσει τα ένζυμα που χρειάζεται το σώμα για να αφομοιώσει τα τρόφιμα.
Γιατί λοιπόν θα εξακολουθούσε να μεταδίδεται μια τέτοια επιβλαβής μετάλλαξη από γενιά σε γενιά;
Το Μουσείο Φυσικής Ιστορίας στη Βιέννη, στην Αυστρία, στεγάζει μια μεγάλη συλλογή από σκελετούς της Εποχής του Σιδήρου και της Εποχής του Χαλκού που επιμελούνται η Δρ Μαρία Τέσλερ-Νικολά. Αυτές οι συλλογές ήταν η πηγή των δοντιών και των οστών για τη διερεύνηση του αρχαίου DNA και των μελετών για την «Αρχαία Προέλευση της Κυστικής Ίνωσης». (Philip Farrell, CC BY-ND) Μια μετάλλαξη τόσο επιβλαβής όσο η F508del δεν θα είχε επιβιώσει ποτέ μεταξύ των ανθρώπων με δύο αντίγραφα του μεταλλαγμένου γονιδίου CFTR επειδή πιθανόν πέθαναν αμέσως μετά τη γέννηση. Από την άλλη πλευρά, τα άτομα με μία μετάλλαξη μπορεί να έχουν ένα πλεονέκτημα επιβίωσης, όπως προβλεπόταν στη θεωρία «επιβίωση της πιο ικανής» του Δαρβίνου.
Ίσως το καλύτερο παράδειγμα μιας μετάλλαξης που ευνοεί την επιβίωση κάτω από αγχωτικές περιβαλλοντικές συνθήκες μπορεί να βρεθεί στην Αφρική, όπου η θανατηφόρα ελονοσία είναι ενδημική για αιώνες. Το παράσιτο που προκαλεί ελονοσία μολύνει τα ερυθρά αιμοσφαίρια στα οποία το κύριο συστατικό είναι η αιμοσφαιρίνη που μεταφέρει οξυγόνο. Τα άτομα που φέρουν το φυσιολογικό γονίδιο της αιμοσφαιρίνης είναι ευάλωτα σε αυτή την ασθένεια που προκαλείται από κουνουπιές. Αλλά εκείνοι που είναι φορείς του μεταλλαγμένου γονιδίου "αιμοσφαιρίνης S", με μόνο ένα αντίγραφο, προστατεύονται από σοβαρή ελονοσία. Ωστόσο, δύο αντίγραφα του γονιδίου της αιμοσφαιρίνης S προκαλούν δρεπανοκυτταρική νόσο, η οποία μπορεί να είναι θανατηφόρα.
Εδώ υπάρχει ένα σαφές πλεονέκτημα για τη μεταφορά ενός μεταλλαγμένου γονιδίου - στην πραγματικότητα, περίπου ένας στους 10 Αφρικανούς φέρει ένα μόνο αντίγραφο. Έτσι, για πολλούς αιώνες ένας περιβαλλοντικός παράγοντας ευνόησε την επιβίωση ατόμων που φέρουν ένα μόνο αντίγραφο της δρεπανοειδούς αιμοσφαιρίνης.
Τα άτομα που φέρουν δύο αντίγραφα του δρεπανοκυτταρικού γονιδίου υποφέρουν από δρεπανοκυτταρική αναιμία, στην οποία τα αιμοσφαίρια γίνονται άκαμπτα σχήματα δρεπάνι και κολλούν στα αιμοφόρα αγγεία προκαλώντας πόνο. Τα κανονικά ερυθρά αιμοσφαίρια είναι ευέλικτοι δίσκοι που μετακινούνται εύκολα μέσω των αγγείων. (Designua / Shutterstock.com) Παρομοίως αναρωτήθηκε εάν υπήρχε όφελος για την υγεία να φέρει ένα μόνο αντίγραφο αυτής της συγκεκριμένης μετάλλαξης CF κατά τη διάρκεια εκθέσεων σε περιβαλλοντικά αγχωτικές συνθήκες. Ίσως, αιτιολογήσαμε, γι 'αυτό και η μετάλλαξη F508del ήταν κοινή μεταξύ των ευρωπαίων καυκάδων και των πληθυσμών που προέρχονται από την Ευρώπη.
Ενδείξεις από το σύγχρονο DNA
Για να καταλάβουμε το πλεονέκτημα της μετάδοσης ενός μεμονωμένου μεταλλαγμένου γονιδίου F508del από γενιά σε γενιά, έπρεπε πρώτα να προσδιορίσουμε πότε και πού προέκυψε η μετάλλαξη έτσι ώστε να μπορέσουμε να αποκαλύψουμε το όφελος που προσδίδει αυτή η μετάλλαξη.
Λάβαμε δείγματα DNA από 190 ασθενείς με CF που έφεραν F508del και τους γονείς τους που κατοικούν σε γεωγραφικά διαφορετικούς ευρωπαϊκούς πληθυσμούς από την Ιρλανδία στην Ελλάδα συν έναν πληθυσμό που προέρχεται από τη Γερμανία στις ΗΠΑ. Στη συνέχεια εντοπίσαμε μια συλλογή γενετικών δεικτών - ουσιαστικά αλληλουχιών DNA - εντός του γονιδίου CF και πλευρικές θέσεις στο χρωμόσωμα. Αναγνωρίζοντας πότε εμφανίστηκαν αυτές οι μεταλλάξεις στους πληθυσμούς που μελετήσαμε, μπορέσαμε να εκτιμήσουμε την ηλικία του πιο πρόσφατου κοινού προγόνου.
Στη συνέχεια, με αυστηρές αναλύσεις υπολογιστών, εκτιμήσαμε την ηλικία της μετάλλαξης του CF σε κάθε πληθυσμό που κατοικεί στις διάφορες χώρες.
Δύο αντίγραφα του δρεπανοκυτταρικού γονιδίου προκαλούν την ασθένεια. Αλλά με ένα αντίγραφο μειώνεται ο κίνδυνος ελονοσίας. Το γονίδιο είναι ευρέως διαδεδομένο στους ανθρώπους που ζουν σε περιοχές του κόσμου (κόκκινο) όπου η ελονοσία είναι ενδημική. (ellepigrafica) Κατόπιν αποφασίσαμε ότι η ηλικία του παλαιότερου κοινού προγόνου είναι μεταξύ 4.600 και 4.725 ετών και προέκυψε στη νοτιοδυτική Ευρώπη, πιθανώς σε οικισμούς κατά μήκος του Ατλαντικού Ωκεανού και ίσως στην περιοχή της Γαλλίας ή της Πορτογαλίας. Πιστεύουμε ότι η μετάλλαξη εξαπλώθηκε γρήγορα από εκεί στη Βρετανία και την Ιρλανδία, και αργότερα στους κεντρικούς και νοτιοανατολικούς ευρωπαϊκούς πληθυσμούς όπως η Ελλάδα, όπου η F508del εισήχθη μόλις πριν από περίπου 1.000 χρόνια.
Ποιος εξάπλωσε την μετάλλαξη του CF σε όλη την Ευρώπη;
Έτσι, τα πρόσφατα δημοσιευμένα στοιχεία μας υποδεικνύουν ότι η μετάλλαξη F508del προέκυψε στην πρώιμη εποχή του Χαλκού και εξαπλώθηκε από τη δυτική σε νοτιοανατολική Ευρώπη κατά τη διάρκεια αρχαίων μεταναστεύσεων.
Επιπλέον, λαμβάνοντας υπόψη το αρχαιολογικό αρχείο, τα αποτελέσματά μας μας επιτρέπουν να εισαγάγουμε μια νέα αντίληψη υποδηλώνοντας ότι ένας πληθυσμός που είναι γνωστός ως Folklore Bell Beaker ήταν ο πιθανός μεταναστευτικός πληθυσμός υπεύθυνος για την πρώιμη διάδοση του F508del στην προϊστορική Ευρώπη. Εμφανίστηκαν κατά τη μετάβαση από την ύστερη νεολιθική περίοδο, γύρω στο 4000 π.Χ., στην Πρώιμη Εποχή του Χαλκού κατά την τρίτη χιλιετία π.Χ. κάπου στη Δυτική Ευρώπη. Διακρίνονταν από τα κεραμικά τους δοχεία, πρωτοπορώντας στη χαλκό και τη χάλκινη μεταλλουργία βόρεια των Άλπεων και με μεγάλη κινητικότητα. Όλες οι μελέτες, στην πραγματικότητα, δείχνουν ότι βρισκόταν σε βαριά μετανάστευση, ταξιδεύοντας σε ολόκληρη τη Δυτική Ευρώπη.
Διανομή θέσεων Bell Beaker σε όλη την Ευρώπη. (DieKraft μέσω του Wikimedia Commons) Πάνω από περίπου 1.000 χρόνια, ένα δίκτυο μικρών οικογενειών ή / και ελίτ φυλών μεταδίδει τον πολιτισμό τους από τα δυτικά προς τα ανατολικά σε περιοχές που αντιστοιχούν στενά με την σημερινή Ευρωπαϊκή Ένωση, όπου βρίσκεται η υψηλότερη συχνότητα CF. Οι μετακινήσεις τους συνδέονται με την έλευση της μεταλλουργίας της Δυτικής και Κεντρικής Ευρώπης, καθώς παράγουν και εμπορεύονται μεταλλικά προϊόντα, ειδικά όπλα, ενώ ταξιδεύουν σε μεγάλες αποστάσεις. Θεωρείται επίσης ότι τα ταξίδια τους είχαν ως κίνητρο τη δημιουργία δικτύων γάμου. Οι πιο σχετικές με τη μελέτη μας στοιχεία αποδεικνύουν ότι μετανάστευσαν σε μια κατεύθυνση και σε μια χρονική περίοδο που ταιριάζει καλά με τα αποτελέσματά μας. Τα πρόσφατα στοιχεία γονιδιώματος υποδηλώνουν ότι τόσο η μετανάστευση όσο και η πολιτισμική μετάδοση διαδραμάτισαν σημαντικό ρόλο στη διάχυση του «συγκροτήματος του μπίκου» και οδήγησαν σε μια «βαθιά δημογραφική μεταμόρφωση» της Βρετανίας και αλλού μετά το 2400 π.Χ.
Ο καθορισμός του χρόνου εμφάνισης του F508del στην Ευρώπη και η ανακάλυψη του τόπου προέκυψής του πρέπει να παρέχει νέες γνώσεις σχετικά με τον υψηλό επιπολασμό των φορέων και κατά πόσον η μετάλλαξη παρέχει ένα εξελικτικό πλεονέκτημα. Για παράδειγμα, οι Ευρωπαίοι της Εποχής της Εποχής του Χαλκού, ενώ μεταναστεύουν εκτεταμένα, φαινομενικά έχουν ελευθερωθεί από την έκθεση σε ενδημικές μολυσματικές ασθένειες ή επιδημίες. επομένως, η προστασία από μολυσματική ασθένεια, όπως στη δρεπανοκυτταρική μετάλλαξη, μέσω αυτής της γενετικής μετάλλαξης φαίνεται απίθανη.
Καθώς περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τους ανθρώπους της Εποχής του Χαλκού και τις πρακτικές τους κατά τη διάρκεια των μεταναστεύσεων είναι διαθέσιμες μέσω της αρχαιολογικής και γονιδιωματικής έρευνας, θα πρέπει να αναδειχθούν περισσότερες ενδείξεις για τους περιβαλλοντικούς παράγοντες που ευνοούσαν τους ανθρώπους που είχαν αυτήν την παραλλαγή γονιδίων. Στη συνέχεια, ίσως μπορέσουμε να απαντήσουμε σε ερωτήσεις από ασθενείς και γονείς σχετικά με το γιατί έχουν μια μετάλλαξη CFTR στην οικογένειά τους και τι πλεονέκτημα αυτό προσφέρει.
Παραδείγματα εργαλείων και κεραμικών που δημιουργήθηκαν από τους ανθρώπους του Bell Beaker. (Benutzer: Thomas Ihle μέσω Γερμανικής Wikipedia, CC BY-SA) Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση.
Philip Farrell, Καθηγητής Παιδιατρικής και Επιστήμης Υγείας του Πληθυσμού, Πανεπιστήμιο Wisconsin-Madison
