В недавнем исследовании, опубликованном в Nature , исследователи собрали эмпирические доказательства того, что прошлые пандемии, вызванные инфекционными патогенами, сформировали современную восприимчивость людей к заболеваниям, таким как аутоиммунные заболевания.

Фон

Пандемия чумы, обычно называемая Черной смертью, была вызвана бактерией Yersinia pestis , которая уничтожила от 30 до 50% афро-евразийского населения и стала крупнейшим событием смертности в истории человечества. Такой беспрецедентный уровень смертности указывает на то, что аллельные варианты иммунных генов, вызывающие иммунный ответ против инфекции Y. pestis , могли подвергнуться жесткой селекции в то время. Во всех последующих пандемиях чумы в Европе уровень смертности значительно снизился, вероятно, из-за эволюции патогенов, изменения культурных обычаев или генетической адаптации человека к Y. pestis .

Без недавнего контакта с чумой европейцы, пережившие Черную смерть, по-видимому, представляют собой иммунологически наивную популяцию с минимальной адаптацией к Y. pestis или без нее . Тем не менее, до сих пор иммунные мишени Y. pestis , навязанные отбором во время Черной смерти, оставались неуловимыми. Большинство доказательств связи между аллелями риска, связанными с аутоиммунными заболеваниями, и адаптацией к перенесенным инфекционным заболеваниям остаются косвенными, поскольку этиологические агенты, определяющие этот отбор, остаются скрытыми.

Об исследовании

В настоящем исследовании исследователи изучили древние геномные данные людей, умерших незадолго до, во время или после пандемии Черной смерти в Лондоне и Дании, чтобы охарактеризовать их генетические вариации. Уникальный дизайн выборки в исследовании помог исследователям отличить генетические сигнатуры, вызванные Y. pestis , от других селективных процессов, включая другие инфекционные заболевания, такие как туберкулез. Кроме того, это минимизировало степень, в которой другие исторические события, такие как голод, могли повлиять на вывод о положительном отборе.

Команда посетила три лондонских кладбища, чтобы собрать образцы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) людей, умерших до, во время и после Черной смерти. В Лондоне они также собрали образцы всех жертв Черной смерти, которые умерли между 1348 и 1349 годами и были похоронены в Восточном Смитфилде. Радиоуглерод, стратиграфия и исторические данные подтвердили, как эти люди умерли. Захоронения в Лондоне были более точно датированы и лучше географически контролировались, чем захоронения в Дании. Затем команда отобрала датчан из пяти населенных пунктов по всей стране. Они сгруппировали этих людей на тех, кто жил во времена до Черной смерти и после Черной смерти. Таким образом, исследователи удостоверились, что идентифицировали исключительно европейские митогеномные гаплотипы.

Исследователи просмотрели 516 образцов, из которых 318 были из Лондона и 198 из Дании. Они обнаружили человеческую ДНК с помощью модифицированного анализа полимеразной цепной реакции (ПЦР) на ген клеточного онкогена миелоцитоматоза (c-myc). Кроме того, они идентифицировали 360 ядерных локусов с адекватной эндогенной ДНК для последующего обогащения и секвенирования.

Исследователи позаботились о том, чтобы дезаминирование и другие повреждения древней ДНК не проявлялись как фальшивые вызовы генотипа. Таким образом, они вырезали четыре пары оснований (bp) в начале и в конце каждого чтения секвенирования. Окончательный набор данных исследования включал 33 110 биаллельных вариантов со средним охватом 4,6 × прочтений на сайт на человека. Они отфильтровали отсутствующие вызовы генотипа более чем на 50% целевых сайтов. Затем команда рассчитала частоту минорного аллеля (MAF) на популяцию. Наконец, они сохранили только те участки, где среднее значение MAF превышает 5% в среднем по Лондону и Дании.

Enzymedica, Digest, полная формула ферментов, 240 капсул

Кроме того, исследователи провели поиск в локусах иммунных генов и общегеномных ассоциаций (GWAS) аллельных вариантов, которые демонстрировали неожиданные изменения частоты между образцами до и после Черной смерти, чтобы идентифицировать варианты генов, для которых степень дифференциации ( FST ) было больше, чем ожидалось по стечению обстоятельств.

Во-первых, команда определила 245 распространенных вариантов с MAF более 10%. Эти аллельные варианты также были высоко дифференцированы, на что указывает их FST , который составлял >95-го процентиля. Исследователи определили FST , используя нейтральные сайты при сравнении образцов до и после Черной смерти из Лондона. Затем они пришли к выводу, что аллели, придающие повышенную восприимчивость или защиту от Y. pestis , должны увеличиваться или уменьшаться по частоте среди людей, умерших во время Черной смерти и отобранных после Черной смерти, соответственно. Это сузило список якобы отобранных генных локусов с 245 до 35. Наконец, они исследовали, были ли эти локусы столь же высоко дифференцированными и в том же направлении, что и их лондонские аналоги.

Кроме того, команда исследовала, участвуют ли четыре локуса-кандидата, идентифицированные в исследовании, или гены рядом с ними в транскрипционном ответе на Y. pestis . Поэтому они инкубировали макрофаги из 33 образцов с убитыми нагреванием Y. pestis. Затем они использовали секвенирование рибонуклеиновой кислоты (РНК), чтобы сравнить профили экспрессии генов у них с профилями контрольных образцов.

Результаты исследования

Функциональные данные экспериментов с инфекцией in vitro подтвердили, что самые сильные кандидаты на положительный отбор были непосредственно вовлечены в иммунный ответ на Y. pestis .. Исследователи определили четыре сильно дифференцированных локуса генов до и после вспышки Черной смерти в Лондоне. Поэтому они рассчитали коэффициент (ы) отбора для каждого из этих вариантов, используя структуру скрытой марковской модели (HMM). То же самое было воспроизведено в датской когорте как наиболее сильные кандидаты отбора. Из-за небольшого размера выборки мощность репликации была ограничена. Таким образом, некоторые из 245 высокодифференцированных локусов в Лондоне, вероятно, также подверглись влиянию естественного отбора, хотя и не выдержали консервативных критериев фильтрации. Будущие исследования, анализирующие эволюционную роль этих вариантов в иммунном ответе на Y. pestis , должны использовать увеличенные размеры выборки в сочетании с дополнительными функциональными данными.

Семь генов в пределах 100 тысяч оснований четырех локусов-кандидатов показали транскрипционный ответ на Y. pestis в макрофагах, за исключением гена лейцил- и цистеиниламинопептидазы (LNPEP). In vivo toll-подобный рецептор 4 (TLR4) обнаруживал Y. pestis , распознавая его липополисахаридную (LPS) мембрану. Чтобы избежать этого обнаружения, бактерия деацетилирует поверхность ЛПС, тем самым снижая аффинность связывания с TLR4. Молекула-адаптер Toll-подобного рецептора 2 (TICAM2) помогает TLR4, связанному с LPS, перемещаться в эндосомы и активировать ответы интерферона I типа (IFN). Следовательно, возможно, что повышенная экспрессия TICAM2 обеспечивала защиту от Y. pestis .

Исследователи отметили, что локус аминопептидазы 2 эндоплазматического ретикулума ( ERAP2 ) имеет два гаплотипа (A и B). В макрофагах сниженная экспрессия ERAP2 у лиц, несущих вредный аллель rs2248374 G гаплотипа B, сочеталась с более высокой экспрессией сокращенной изоформы. Субъекты с благоприятным гаплотипом более эффективно сопротивлялись гибели клеток, вызванной Y. pestis , чем субъекты с летальным гаплотипом. Например, уровни IL-1β, ключевого провоспалительного цитокина, связанного с пироптозной гибелью клеток, были в три раза ниже у лиц, гомозиготных по полезному генотипу ERAP2, по сравнению с лицами, гомозиготными по предположительно летальному. Однако результаты не могут быть подтверждены экспериментами in vitro .

Выводы

В текущем исследовании использовались древние геномные данные и функциональный анализ для сбора эмпирических доказательств того, что инфекция Y. pestis сформировала генетическое разнообразие вокруг некоторых иммунных локусов. Четыре локуса, которые сильно дифференцировались до и после вызванной Y. pestis черной смерти, оказались наиболее сильными кандидатами для отбора. ERAP2 продемонстрировал наиболее убедительные доказательства отбора с коэффициентом отбора 0,4.

Это открытие предполагает, что люди, гомозиготные по полезному аллелю, имели на ~ 40% больше шансов пережить Черную смерть, чем гомозиготные по летальному аллелю. Возможно, белок ERAP2 увеличивал презентацию специфичных антигенов Y. pestis CD8+ Т-клеткам , стимулируя защитный иммунный ответ.

ERAP2 транскрипционно реагировал на несколько патогенов, подтверждая его ключевую роль в регуляции иммунного ответа. Следовательно, отбор, наложенный Y. pestis на ERAP2, влиял на иммунный ответ на другие патогены и признаки болезни. Например, избирательно полезный аллель ERAP2 является известным фактором риска болезни Крона, а его аллельные вариации связаны с другими инфекционными заболеваниями.

Аналогичным образом, исследования показали связь другого локуса, rs11571319, рядом с цитотоксическим Т-лимфоцитарно-ассоциированным белком 4 (CTLA4), с повышенным риском ревматоидного артрита и системной красной волчанки. Действительно, сохранение якобы полезного аллеля (аллелей) некоторых иммунных генов во время Черной смерти привело к повышенному риску аутоиммунных заболеваний у современного населения.