Замислите узбуђење открића када је током више од 10 година истраживања порекла уобичајене генетске болести, цистичне фиброзе (ЦФ) дошло до проналаска групе јасних, али мистериозних Европљана који су живели пре око 5000 година.
ЦФ је најчешћа, потенцијално смртоносна, наследна болест међу белцима - око један од 40 носи такозвану Ф508дел мутацију. Обично се само корисне мутације, које дају предност преживљавању, шире кроз популацију.
ЦФ омета ослобађање пробавних ензима из панкреаса, што покреће неухрањеност, изазива болест плућа која је на крају фатална и ствара висок ниво соли у зноју, што може бити опасно по живот.
У зависности од мутације коју пацијент носи, могу да доживе неке или све симптоме цистичне фиброзе. (Особље Блаусен.цом (2014), ЦЦ БИ-СА) Последњих година научници су открили многе аспекте ове смртоносне болести плућа који су довели до рутинске ране дијагнозе код беба које се прегледавају, бољег лечења и дужег живота. Са друге стране, научна заједница није успела да утврди када, где и зашто је мутација постала толико честа. Сарађујући са изванредним тимом европских научника попут Давида Бартона из Ирске и Милана Мацека у Чешкој, посебно са групом бриљантних генетичара из Бреста, Француске, на челу са Еммануелле Генин и Цлауде Ферецом, верујемо да сада знамо где и када настала је првотна мутација и у којој је било древно племе људи.
Дијелимо ова открића у чланку у Европском часопису за хуману генетику који представља врхунац 20-годишњег рада у који је укључено девет земаља.
Шта је цистична фиброза?
Моја потрага да утврдим како је настао ЦФ и зашто је тако уобичајена почела је убрзо након што су научници открили ген ЦФТР који је узроковао болест 1989. године. Најчешћа мутација тог гена који изазива болест звала се Ф508дел. Двије копије мутације - једну наслијеђене од мајке, а другу од оца - проузроковале су смртоносну болест. Али, насљеђивање само једне копије није проузроковало симптоме и учинило је особу „носиоцем“.
На Универзитету у Висконсину био сам запослен од 1977. године као лекар-научник који се фокусирао на рану дијагнозу ЦФ путем скрининга новорођенчади. Пре открића гена, идентификовали смо бебе са високим ризиком за ЦФ уз помоћ крвног теста који мери ниво протеина који се зове имунореактивни трипсин (ИРТ). Високи нивои ИРТ сугерисали су да беба има ЦФ. Када сам сазнао за откриће гена, био сам убеђен да ће то бити промена игре и за развој сцреенинг теста и за епидемиолошка истраживања.
То је зато што бисмо помоћу гена могли родитељима понудити информативнији тест. Могли бисмо да им кажемо не само да ли њихово дете има ЦФ, већ и да ли носи две копије мутације ЦФТР, која је проузроковала болест, или само једну копију која их је учинила носиоцима.
Родитељи који носе једну добру копију гена ЦФ (Р) и једну лошу копију мутираног ЦФ гена (р) називају се носиоцима. Када оба родитеља пренесу лошу копију гена за ЦФ на потомство, дете ће оболети од цистичне фиброзе. Деца која наследе само једну лошу копију биће носиоци попут својих родитеља и могу пренети ген својој деци. (Цбурнетт, ЦЦ БИ-СА) Могло би се запитати која је веза између проучавања пробира ЦФ код новорођенчади и сазнања о пореклу болести. Одговор лежи у томе како је наш истраживачки тим из Висцонсина трансформисао биохемијски скрининг тест помоћу ИРТ маркера у двостепењску методу која се зове ИРТ / ДНА.
Пошто око 90 процената пацијената са ЦФ у Америци и Европи има бар једну мутацију Ф508дел, почели смо анализирати крв новорођенчади на присуство било када, када је ниво ИРТ висок. Али када се уради овај двостепени ИРТ / ДНК скрининг, дијагностицирају се не само пацијенти са болешћу, већ се идентификује и десетероструко више новорођенчади која су генетски носиоци болести.
Како су се током претходне две деценије прошириле пре-зачећа, пренатални и неонатални скрининги на ЦФ, хиљаде појединаца које су откриле да су носиоци Ф508дел и њихови забринути родитељи често су постављали питања о пореклу и значају преношења ове мутације сами или у себи деца. Да ли би они патили са једном копијом? Да ли је било здравствене користи? Било је фрустрирајуће да педијатар специјализован за ЦФ нема одговор на њих.
Изазов проналажења порекла мутације ЦФ
Желео сам да се укључим када се прва генетска мутација почне појављивати. Одређивање овог периода омогућило би нам да схватимо како је могао да се развије да би пружио корист - барем у почетку - оним људима у Европи који су је имали. Како бих проширио своје истраживање, одлучио сам се на сабат и тренирати из епидемиологије, док сам 1993. године похађао курсеве на Лондонској школи хигијене и тропске медицине.
Време је било савршено јер је поље древних ДНК истраживања почело процветати. Нове технике пробијања попут полимеразне ланчане реакције омогућиле су проучавање ДНК мумија и других људских археолошких узорака из праисторијских сахрана. На пример, рана испитивања вршена су на ДНК од 5.000 година старог тиролског леда, који је касније постао познат као Отзи.
Типичан праисторијски укоп у закрченом положају фетуса. (Пхилип Фаррелл, ЦЦ БИ-СА) Одлучио сам да бисмо могли да откријемо порекло ЦФ анализом ДНК у зубима људи из гвозденог доба сахрањених између 700-100 пне на гробљима широм Европе.
Користећи ову стратегију, удружио сам се с археолозима и антрополозима, попут Марије Тесцхлер-Ницоле, у Природњачком музеју у Бечу, који су пружали приступ 32 костура сахрањених око 350. године пре Беча. Генетичари у Француској прикупљали су ДНК од древних кутњака и анализирали ДНК. На наше изненађење, открили смо присуство мутације Ф508дел у ДНК из три од 32 костура.
Ово откриће Ф508дел у средњееуропским гвожђима из жељезног доба радиокарбонским датирањем до 350. године пре наше ере сугерирало нам је да је оригинална мутација ЦФ можда настала раније. Али добивање примерка брончаног доба и неолита за такве непосредне студије показало се тешким јер је на располагању мање сахрана, скелети нису добро очувани и свако гробље представља само племе или село. Дакле, уместо да зависимо од древне ДНК, померили смо своју стратегију да испитамо гене модерних људи да бисмо открили када је ова мутација први пут настала.
Зашто би се штетна мутација проширила?
Да бисмо пронашли порекло ЦФ код савремених пацијената, знали смо да требамо сазнати више о мутацији потписа - Ф508дел - код људи који су носиоци или имају болест.
Ова ситна мутација изазива губитак једне аминокиселине из 1.480 ланаца аминокиселина и мења облик протеина на површини ћелије који креће хлорид у ћелију и ван ње. Када се овај протеин мутира, људи који носе две копије лека - један од мајке и један од оца - муче се густом лепљивом слузи у плућима, панкреасу и другим органима. Слуз у њиховим плућима омогућава бактеријама да напредују, уништавајући ткиво и на крају узрокујући да плућа пропадну. У панкреасу, густа секрета спречава жлезду да испоручује ензиме који телу требају да би пробавио храну.
Па зашто би се тако штетне мутације и даље преносиле с генерације на генерацију?
Природњачки музеј у Бечу, Аустрија, чува велику збирку скелета из гвозденог доба и бронзаног доба које је уредила др Марија Тесцхлер-Ницола. Ове су колекције биле извор зуба и костију за истраживање древне ДНК и студије о "Древно порекло цистичне фиброзе". (Пхилип Фаррелл, ЦЦ БИ-НД) Мутација штетна као Ф508дел, никада не би преживела код људи са две копије мутираног ЦФТР гена, јер су вероватно умрли убрзо након рођења. Са друге стране, они са једном мутацијом могу имати предност у преживљавању, као што је предвиђено у Дарвиновој теорији „преживљавања најприкладнијих“.
Можда је најбољи пример мутације која погодује преживљавању у стресним условима окружења у Африци, где је фатална маларија вековима била ендемска. Паразит који изазива маларију инфицира црвена крвна зрнца у којима је главни састојак протеин хемоглобин који носи кисеоник. Појединци који носе нормалан ген хемоглобина рањиви су на ову болест коју преносе комарци. Али они који су носиоци мутираног гена „хемоглобин С“, са само једном копијом, заштићени су од тешке маларије. Међутим, две копије гена хемоглобина С изазивају болест српастих ћелија, што може бити фатално.
Овде постоји јасна предност ношења једног мутантног гена - у ствари, отприлике један од 10 Африканаца носи једну копију. Тако је током многих векова еколошки фактор погодовао преживљавању појединаца који носе једну копију српасте мутације хемоглобина.
Појединци који носе две копије гена српастих ћелија пате од анемије српастих ћелија, у којима крвне ћелије постају круте српасте форме и заглаве се у крвним судовима, изазивајући бол. Нормална црвена крвна зрнца су флексибилни дискови који се лако провлаче кроз жиле. (Десигнуа / Схуттерстоцк.цом) Слично смо се питали да ли постоји здравствена корист за ношење једне копије ове специфичне мутације ЦФ током излагања еколошким стресним условима. Можда смо и закључили, зато је мутација Ф508дел била уобичајена међу европским становницима Кавказа и европским становништвом.
Трагови модерне ДНК
Да бисмо утврдили предност преношења једног мутираног гена Ф508дел из генерације у генерацију, прво смо морали да утврдимо када и где је мутација настала како бисмо открили корист коју ова мутација даје.
Добили смо узорке ДНК од 190 пацијената са ЦФ који су носили Ф508дел и њихових родитеља који живе у географски различитој европској популацији од Ирске до Грчке, плус популацију која потиче из Немачке у САД-у. Затим смо идентификовали колекцију генетских маркера - у суштини секвенци ДНК - унутар гена ЦФ и бочне локације на хромосому. Идентифицирањем када су се ове мутације појавиле у популацији коју смо проучавали, успјели смо процијенити старост најновијег заједничког претка.
Затим смо ригорозним компјутерским анализама процијенили старост мутације ЦФ у свакој популацији која живи у различитим земљама.
Две копије гена српастих ћелија узрокују болест. Али ношење једне копије смањује ризик од маларије. Ген је распрострањен међу људима који живе у регионима света (црвени) где је маларија ендемска. (еллепиграфица) Затим смо утврдили да је старост најстаријег заједничког претка између 4.600 и 4.725 година и да је настала у југозападној Европи, вероватно у насељима дуж Атлантског океана и можда у региону Француске или Португала. Вјерујемо да се мутација одатле брзо проширила на Британију и Ирску, а потом и на становништво централне и југоисточне Европе, попут Грчке, где је Ф508дел уведен тек пре око 1.000 година.
Ко је ширио мутацију ЦФ-а широм Европе?
Према томе, наши новообјављени подаци сугерирају да је мутација Ф508дел настала у раном бронзаном добу и да се проширила од западне до југоисточне Европе током древних миграција.
Штавише, узимајући у обзир археолошки запис, наши резултати омогућују нам да уведемо нови концепт сугеришући да је популација позната као народ Беакер Беакер вероватно мигрантско становништво одговорно за рано ширење Ф508дел у праисторијској Европи. Појавили су се на прелазу из касног неолитика, око 4000. године пре нове ере, у рано бронзано доба током трећег миленијума пре нове ере негде у западној Европи. Одликовали су их керамичким чашама, пионирском металургијом бакра и бронце северно од Алпа и великом покретљивошћу. Све студије, у ствари, показују да су биле у тешким миграцијама, путујући по целој западној Европи.
Дистрибуција локација Белл Беакер широм Европе. (ДиеКрафт преко Викимедиа Цоммонс) Током приближно 1.000 година, мрежа малих породица и / или елитних племена ширила је своју културу са запада на исток у регионе који блиско одговарају данашњој Европској унији, где је забележена највећа учесталост ЦФ. Њихове миграције повезане су са појавом западне и средњеевропске металургије, јер су израђивале и трговале металном робом, посебно оружјем, путујући на велике удаљености. Такође се спекулише да су њихова путовања мотивисана успостављањем брачних мрежа. Најважнији за нашу студију су докази да су мигрирали у правцу и кроз временски период који се добро уклапају у наше резултате. Недавни генски подаци указују на то да су и миграција и културни пренос играли велику улогу у дифузији „комплекса Беакер“ и довели до „дубоке демографске трансформације“ Британије и другде после 2400 пре нове ере
Одређивање времена када је Ф508дел први пут уведен у Европу и откривање места где је настало требало би да пружи нове увиде о великој преваленцији носилаца - и да ли мутација даје еволуцијску предност. На пример, Европљани из брончаног доба, иако су интензивно мигрирали, очигледно су поштеђени изложености ендемским заразним болестима или епидемијама; на тај начин, заштита од заразне болести, као што је мутација српастих ћелија, путем ове генетске мутације изгледа мало вероватна.
Како више информација о људима из брончаног доба и њиховој пракси током миграција постаје доступно кроз археолошка и геномичка истраживања, требало би се појавити више трагова о факторима животне средине који су фаворизовали људе који су имали ову варијанту гена. Тада ћемо можда моћи да одговоримо на питања пацијената и родитеља о томе зашто имају мутацију ЦФТР у својој породици и какву предност им даје.
Примери алата и керамике које су створили људи Белл Беакер-а. (Бенутзер: Тхомас Ихле преко немачке Википедије, ЦЦ БИ-СА) Овај чланак је првобитно објављен у часопису Тхе Цонверсатион.
Пхилип Фаррелл, професор наука о педијатрији и здравству становништва, Универзитет Висцонсин-Мадисон
