Forestil dig spændingen ved opdagelsen, når mere end 10 års forskning på oprindelsen af en almindelig genetisk sygdom, cystisk fibrose (CF), resulterer i at spore den til en gruppe af distinkte, men mystiske europæere, der levede for ca. 5.000 år siden.
CF er den mest almindelige, potentielt dødelige, arvelige sygdom blandt kaukasiere - omkring en ud af 40 bærer den såkaldte F508del-mutation. Typisk er kun fordelagtige mutationer, der giver en overlevelsesfordel, bredt spredt gennem en befolkning.
CF forhindrer frigivelse af fordøjelsesenzymer fra bugspytkirtlen, som udløser underernæring, forårsager lungesygdom, der til sidst er dødelig og producerer høje niveauer af salt i sved, der kan være livstruende.
Afhængig af den mutation, som en patient bærer, kan de opleve nogle eller alle symptomer på cystisk fibrose. (Blausen.com personale (2014), CC BY-SA) I de senere år har forskere afsløret mange aspekter af denne dødbringende lungesygdom, som har ført til rutinemæssig tidlig diagnose hos screenede babyer, bedre behandlinger og længere levetid. På den anden side har det videnskabelige samfund ikke været i stand til at finde ud af, hvornår, hvor og hvorfor mutationen blev så almindelig. I samarbejde med et ekstraordinært team af europæiske forskere som David Barton i Irland og Milan Macek i Den Tjekkiske Republik, især en gruppe strålende genetikere i Brest, Frankrig ledet af Emmanuelle Génin og Claude Férec, mener vi, at vi nu ved, hvor og hvornår den oprindelige mutation opstod, og i hvilken den gamle stamme af mennesker.
Vi deler disse fund i en artikel i European Journal of Human Genetics, der repræsenterer kulminationen af 20 års arbejde, der involverer ni lande.
Hvad er cystisk fibrose?
Min søgen efter at bestemme, hvordan CF opstod, og hvorfor det er så almindeligt, begyndte kort efter, at forskere opdagede CFTR-genet, der forårsagede sygdommen i 1989. Den mest almindelige mutation af det gen, der forårsager sygdommen, blev kaldt F508del. To kopier af mutationen - den ene arvet fra moren og den anden fra faderen - forårsagede den dødelige sygdom. Men at arve kun en enkelt kopi forårsagede ingen symptomer og gjorde personen til en "bærer."
Jeg havde været ansat på University of Wisconsin siden 1977 som en læge-forsker med fokus på den tidlige diagnose af CF gennem nyfødt screening. Før genopdagelsen identificerede vi babyer med høj risiko for CF ved hjælp af en blodprøve, der målte niveauer af protein kaldet immunoreaktiv trypsinogen (IRT). Høje niveauer af IRT antydede, at babyen havde CF. Da jeg lærte om genopdagelsen, var jeg overbevist om, at det ville være en spiludveksler til både screeningstestudvikling og epidemiologisk forskning.
Det skyldes, at vi med genet kunne tilbyde forældrene en mere informativ test. Vi kunne fortælle dem ikke kun om deres barn havde CF, men også om de havde to kopier af en CFTR-mutation, som forårsagede sygdom, eller bare en kopi, der gjorde dem til en bærer.
Forældre, der bærer en god kopi af CF-genet (R) og en dårlig kopi af det muterede CF-gen (r) kaldes bærere. Når begge forældre overfører en dårlig kopi af CF-genet til deres afkom, vil barnet lide af cystisk fibrose. Børn, der arver kun en dårlig kopi, vil være bærere som deres forældre og kan overføre genet til deres børn. (Cburnett, CC BY-SA) Man kan spørge, hvad der er sammenhængen mellem at studere CF-nyfødtscreening og lære om sygdommens oprindelse. Svaret ligger i, hvordan vores forskerteam i Wisconsin omdannede en biokemisk screeningstest ved hjælp af IRT-markøren til en to-lags metode kaldet IRT / DNA.
Da cirka 90 procent af CF-patienter i USA og Europa har mindst en F508del-mutation, begyndte vi at analysere nyfødt blod for dets tilstedeværelse, når IRT-niveauet var højt. Men når denne totrins IRT / DNA-screening udføres, identificeres ikke kun patienter med sygdommen, men også ti gange flere spædbørn, der er genetiske bærere af sygdommen, identificeres.
Da forudse-, prenatal- og neonatal screening for CF er blevet spredt i løbet af de sidste to årtier, rejste de mange tusinder af personer, der opdagede, at de var F508del-bærere, og deres bekymrede forældre rejste ofte spørgsmål om oprindelsen og betydningen af at udføre denne mutation selv eller i deres børn. Ville de lide med en kopi? Var der en sundhedsmæssig fordel? Det har været frustrerende for en børnelæge med speciale i CF at ikke have noget svar til dem.
Udfordringen med at finde oprindelsen af CF-mutationen
Jeg ville nulstille, når denne genetiske mutation først startede. At kortlægge denne periode ville give os mulighed for at forstå, hvordan den kunne have udviklet sig til at give en fordel - i det mindste oprindeligt - til de mennesker i Europa, der havde det. For at udvide min forskning besluttede jeg at tage en sabbatsdag og træne i epidemiologi, mens jeg tog kurser i 1993 ved London School of Hygiene and Tropical Medicine.
Timingen var perfekt, fordi området med antik DNA-forskning begyndte at blomstre. Nye gennembrudsteknikker som Polymerase Chain Reaction gjorde det muligt at studere DNA fra mumier og andre humane arkæologiske prøver fra forhistoriske begravelser. F.eks. Blev der udført tidlige undersøgelser på DNA fra den 5.000 år gamle tyrolske iceman, som senere blev kendt som Ötzi.
En typisk forhistorisk begravelse i en hukket fosterstilling. (Philip Farrell, CC BY-SA) Jeg besluttede, at vi måske kunne opdage oprindelsen af CF ved at analysere DNA'et i tænderne fra jernalderfolk begravet mellem 700-100 f.Kr. på kirkegårde i hele Europa.
Ved hjælp af denne strategi gik jeg sammen med arkæologer og antropologer som Maria Teschler-Nicola på Natural History Museum i Wien, som gav adgang til 32 skelet, der blev begravet omkring 350 f.Kr. nær Wien. Genetikere i Frankrig indsamlede DNA fra de gamle molarer og analyserede DNA'et. Til vores overraskelse opdagede vi tilstedeværelsen af F508del-mutationen i DNA fra tre af 32 skeletter.
Denne opdagelse af F508del i centraleuropæiske jernalderbegravelser radiocarbon-dateret til 350 f.Kr. antydede for os, at den oprindelige CF-mutation muligvis er opstået tidligere. Men det var vanskeligt at opnå bronzealder og neolitiske prøver til sådanne direkte undersøgelser, fordi færre begravelser er tilgængelige, skeletter er ikke så godt bevaret, og hver kirkegård repræsenterer blot en stamme eller landsby. Så snarere end at afhænge af gammelt DNA, flyttede vi vores strategi for at undersøge generne hos moderne mennesker for at finde ud af, hvornår denne mutation først opstod.
Hvorfor ville en skadelig mutation sprede sig?
For at finde oprindelsen af CF hos moderne patienter, vidste vi, at vi var nødt til at lære mere om signaturmutationen - F508del - hos mennesker, der er bærere eller har sygdommen.
Denne lille mutation forårsager tab af en aminosyre ud af den 1.480 aminosyrekæde og ændrer formen på et protein på overfladen af cellen, der bevæger klorid ind og ud af cellen. Når dette protein muteres, plages folk, der bærer to eksemplarer af det - en fra moren og et fra faderen - med tykt klistret slim i deres lunger, bugspytkirtel og andre organer. Slimet i deres lunger tillader bakterier at trives, ødelægge vævet og til sidst får lungerne til at mislykkes. I bugspytkirtlen forhindrer de tykke sekreter, at kirtlen leverer de enzymer, som kroppen har brug for for at fordøje mad.
Så hvorfor skulle en sådan skadelig mutation fortsat overføres fra generation til generation?
Naturhistorisk museum i Wien, Østrig, huser en stor samling af jernalder og bronzealder, der er kurateret af Dr. Maria Teschler-Nicola. Disse samlinger var kilden til tænder og knogler til undersøgelse af gammelt DNA og undersøgelser af 'Ancient Origin of Cystic Fibrosis.' (Philip Farrell, CC BY-ND) En så skadelig mutation som F508del ville aldrig have overlevet blandt mennesker med to kopier af det muterede CFTR-gen, fordi de sandsynligvis døde kort efter fødslen. På den anden side kan de med en mutation have en overlevelsesfordel, som forudsagt i Darwins "overlevelse af de smukkeste" teorier.
Det bedste eksempel på en mutation, der favoriserer overlevelse under stressede miljøforhold, kan måske findes i Afrika, hvor dødelig malaria har været endemisk i århundreder. Parasitten, der forårsager malaria, inficerer de røde blodlegemer, hvori hovedbestanddelen er det iltbærende proteinhemoglobin. Personer, der bærer det normale hæmoglobingen, er sårbare over for denne mygbårne sygdom. Men dem, der er bærere af det muterede “hemoglobin S” -gen, med kun én kopi, er beskyttet mod svær malaria. To kopier af hæmoglobin S-genet forårsager imidlertid seglcellsygdomme, som kan være dødelig.
Her er der en klar fordel ved at bære et mutant gen - faktisk har ca. en ud af ti afrikanere en enkelt kopi. Således har en miljøfaktor i mange århundreder begunstiget overlevelsen af individer, der bærer en enkelt kopi af seglhemoglobinmutationen.
Personer, der bærer to kopier af seglcellegenet, lider af seglcelleanæmi, hvor blodcellerne bliver stive seglformer og sidder fast i blodkarene og forårsager smerter. Normale røde blodlegemer er fleksible diske, der let glider gennem kar. (Designua / Shutterstock.com) Tilsvarende spekulerede vi på, om der var en sundhedsmæssig fordel ved at bære en enkelt kopi af denne specifikke CF-mutation under udsættelse for miljøbelastende forhold. Måske, vi begrundede, var det derfor, at F508del-mutationen var almindelig blandt kaukasiske europæere og Europa-afledte populationer.
Ledetråd fra moderne DNA
For at finde ud af fordelen ved transmission af et enkelt muteret F508del-gen fra generation til generation måtte vi først bestemme, hvornår og hvor mutationen opstod, så vi kunne afsløre fordelen, denne mutation gav.
Vi opnåede DNA-prøver fra 190 CF-patienter med F508del og deres forældre bosiddende i geografisk forskellige europæiske populationer fra Irland til Grækenland plus en Tyskland-afledt population i USA. Vi identificerede derefter en samling af genetiske markører - i det væsentlige DNA-sekvenser - inden for CF-genet og flankerende placeringer på kromosomet. Ved at identificere, hvornår disse mutationer opstod i de populationer, vi studerede, var vi i stand til at estimere alderen for den seneste fælles forfader.
Dernæst vurderede vi ved strenge computeranalyser alderen på CF-mutationen i hver befolkning, der er bosiddende i de forskellige lande.
To eksemplarer af seglcellegenet forårsager sygdommen. Men med en kopi reduceres risikoen for malaria. Genet er udbredt blandt mennesker, der bor i regioner i verden (rød), hvor malaria er endemisk. (ellepigrafica) Vi konstaterede derefter, at alderen for den ældste fælles forfader er mellem 4.600 og 4.725 år og opstod i det sydvestlige Europa, sandsynligvis i bosættelser langs Atlanterhavet og måske i regionen Frankrig eller Portugal. Vi mener, at mutationen hurtigt spredte sig derfra til Storbritannien og Irland og derefter senere til centrale og sydøstlige europæiske befolkninger som Grækenland, hvor F508del kun blev introduceret for omkring 1.000 år siden.
Hvem spredte CF-mutationen i hele Europa?
Vores nyligt offentliggjorte data antyder således, at F508del-mutationen opstod i den tidlige bronzealder og spredte sig fra vest til sydøst Europa under gamle migrationer.
Under hensyntagen til den arkæologiske fortegnelse giver vores resultater os desuden mulighed for at introducere et nyt koncept ved at antyde, at en befolkning kendt som Bell Beaker-folket var den sandsynlige migrerende befolkning, der var ansvarlig for den tidlige formidling af F508del i det forhistoriske Europa. De optrådte ved overgangen fra den sent neolitiske periode, omkring 4000 f.Kr., til den tidlige bronzealder i løbet af det tredje årtusinde f.Kr. et eller andet sted i Vesteuropa. De blev kendetegnet ved deres keramiske bægerglas, banebrydende kobber og bronzemetallurgi nord for Alperne og stor mobilitet. Alle studier viser faktisk, at de var i hård migration og rejste over hele Vesteuropa.
Distribution af Bell Beaker-steder i hele Europa. (DieKraft via Wikimedia Commons) I løbet af cirka 1.000 år spreder et netværk af små familier og / eller elitestammer deres kultur fra vest til øst til regioner, der svarer tæt til den nuværende EU, hvor den højeste forekomst af CF findes. Deres migrationer er knyttet til fremkomsten af vestlige og centraleuropæiske metallurgi, da de fremstiller og handlede metalvarer, især våben, mens de rejste over lange afstande. Det spekuleres også i, at deres rejser var motiverede ved at etablere ægteskabsnetværk. Mest relevant for vores undersøgelse er bevis for, at de vandrede i en retning og over en periode, der passer godt til vores resultater. Nye genomiske data antyder, at både migration og kulturel transmission spillede en vigtig rolle i spredningen af "Beaker Complex" og førte til en "dybtgående demografisk transformation" af Storbritannien og andre steder efter 2400 f.Kr.
At bestemme, hvornår F508del først blev introduceret i Europa og opdage, hvor den opstod, skulle give ny indsigt om transportørernes høje udbredelse - og om mutationen giver en evolutionær fordel. F.eks. Blev europæere i bronzealderen, mens de migrerede i vid udstrækning, tilsyneladende skånet for udsættelse for endemiske infektionssygdomme eller epidemier; således virker beskyttelse mod en infektiøs sygdom, som i seglcellemutationen, gennem denne genetiske mutation usandsynlig.
Efterhånden som mere information om mennesker i bronzealderen og deres praksis under migrationer bliver tilgængelig gennem arkæologisk og genomisk forskning, skulle der komme flere ledetråde om miljøfaktorer, der favoriserede mennesker, der havde denne genvariant. Derefter kan vi muligvis svare på spørgsmål fra patienter og forældre om, hvorfor de har en CFTR-mutation i deres familie, og hvilken fordel dette giver.
Eksempler på værktøjer og keramik oprettet af Bell Beaker-folk. (Benutzer: Thomas Ihle via tyske Wikipedia, CC BY-SA) Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation.
Philip Farrell, professor i pediatri og befolkningssundhedsvidenskab, University of Wisconsin-Madison
