Zamislite uzbuđenje otkrića kad je tijekom više od 10 godina istraživanja podrijetla uobičajene genetske bolesti, cistične fibroze (CF) došlo do pronalaska skupine jasnih, ali tajanstvenih Europljana koji su živjeli prije otprilike 5000 godina.
CF je najčešća, potencijalno smrtonosna, nasljedna bolest među belcima - oko jedan od 40 nosi takozvanu F508del mutaciju. Obično se samo korisne mutacije, koje daju prednost preživljavanju, šire šire kroz populaciju.
CF ometa oslobađanje probavnih enzima iz gušterače, što pokreće pothranjenost, uzrokuje bolest pluća koja je na kraju fatalna i stvara visoku razinu soli u znoju, što može biti opasno po život.
Ovisno o mutaciji koju pacijent nosi, mogu osjetiti neke ili sve simptome cistične fibroze. (Osoblje Blausen.com (2014), CC BY-SA) U posljednjih nekoliko godina, znanstvenici su otkrili mnoge aspekte ove smrtonosne bolesti pluća koji su doveli do rutinske rane dijagnoze kod pregledanih beba, boljeg liječenja i duljeg života. S druge strane, znanstvena zajednica nije mogla otkriti kada, gdje i zašto su mutacije postale tako česte. Surađujući s izvanrednim timom europskih znanstvenika poput Davida Bartona u Irskoj i Milana Maceka u Češkoj, posebno s skupom briljantnih genetičara u Brestu, Francuskoj na čelu s Emmanuelle Génin i Claudom Férecom, vjerujemo da sada znamo gdje i kada nastala je izvorna mutacija i u kojoj je drevno pleme ljudi.
Dijelimo ove nalaze u članku Europskog časopisa za humanu genetiku koji predstavlja vrhunac 20-godišnjeg rada u devet zemalja.
Što je cistična fibroza?
Moja potraga za utvrđivanjem kako je nastao CF i zašto je tako čest započela je ubrzo nakon što su znanstvenici otkrili gen CFTR koji je uzrokovao bolest 1989. godine. Najčešća mutacija tog gena koji uzrokuje bolest nazvala se F508del. Dvije kopije mutacije - jednu naslijeđene od majke, a drugu od oca - uzrokovale su smrtonosnu bolest. No, nasljeđivanje samo jedne kopije nije prouzročilo nikakve simptome, pa je osobu učinilo "nositeljem".
Na Sveučilištu Wisconsin bio sam zaposlen od 1977. godine kao liječnik-znanstvenik, usredotočujući se na ranu dijagnozu CF-a putem probira novorođenčeta. Prije otkrića gena, identificirali smo bebe s visokim rizikom za CF pomoću krvne pretrage koja je mjerila razine proteina koji se zove imunoreaktivni tripsin (IRT). Visoka razina IRT-a sugerirala je da dijete ima CF. Kad sam saznao za otkriće gena, bio sam uvjeren da će to biti promjena igre i za razvoj screening testa i za epidemiološka istraživanja.
To je zato što bismo s genom mogli ponuditi roditeljima informativniji test. Mogli bismo im reći ne samo da li njihovo dijete ima CF, već i da li nose dvije kopije mutacije CFTR, koja je uzrokovala bolest, ili samo jedan primjerak koji ih je učinio nosiocima.
Roditelji koji nose jednu dobru kopiju CF gena (R) i jednu lošu kopiju mutiranog CF gena (r) nazivaju se nosiocima. Kad oba roditelja prenesu lošu kopiju gena za CF na svoje potomstvo, dijete će patiti od cistične fibroze. Djeca koja naslijede samo jednu lošu kopiju bit će nosioci poput svojih roditelja i mogu prenijeti gen svojoj djeci. (Cburnett, CC BY-SA) Moglo bi se zapitati koja je veza između proučavanja probira CF na novorođenčadi i saznanja o podrijetlu bolesti. Odgovor leži u tome kako je naš istraživački tim u Wisconsinu transformirao biokemijski skrining test pomoću IRT markera u dvoslojnu metodu zvanu IRT / DNA.
Budući da oko 90 posto bolesnika s CF-om u SAD-u i Europi ima najmanje jednu mutaciju F508del, počeli smo analizirati krv novorođenčadi na njezinu prisutnost kad god je razina IRT-a visoka. Ali kada se ovaj dvostupanjski IRT / DNK skrining obavi, ne samo da se dijagnosticiraju bolesnici s bolešću, već se identificira i deseterostruko više dojenčadi koja su genetski nositelji bolesti.
Kako su se tijekom posljednja dva desetljeća proširili na prednatalni, prenatalni i neonatalni skrining za CF, tisuće tisuća ljudi koji su otkrili da su nosioci F508del i njihovi zabrinuti roditelji često su postavljali pitanja o podrijetlu i značaju prenošenja ove mutacije sami ili u svojim djeca. Da li bi oni patili s jednim primjerkom? Je li bilo zdravstvene koristi? Bilo je frustrirajuće da pedijatar specijaliziran za CF nema odgovor na njih.
Izazov pronalaska izvora mutacije CF
Htio sam se uključiti u akciju kada se prva genetska mutacija počinje pojavljivati. Utvrđivanje tog razdoblja omogućilo bi nam da shvatimo kako je moglo evoluirati i pružiti korist - barem u početku - onim ljudima u Europi koji su je imali. Kako bih proširio svoje istraživanje, odlučio sam se upisati i trenirati iz epidemiologije, dok sam 1993. godine pohađao tečajeve na Londonskoj školi higijene i tropske medicine.
Tajming je bio savršen jer je polje drevnih istraživanja DNA počelo procvjetati. Nove tehnike probijanja poput lančane reakcije polimeraze omogućile su proučavanje DNK mumija i drugih ljudskih arheoloških uzoraka iz prapovijesnih ukopa. Na primjer, rane studije provedene su na DNK od 5000 godina starog tirolskog leda, koji je kasnije postao poznat kao Ötzi.
Tipičan prapovijesni ukop u nakrivljenom položaju fetusa. (Philip Farrell, CC BY-SA) Odlučio sam da bismo mogli otkriti porijeklo CF analizom DNK u zubima ljudi željeznog doba pokopanih između 700-100 pr.n.e. na grobljima diljem Europe.
Koristeći se ovom strategijom, udružio sam se s arheolozima i antropolozima poput Maria Teschler-Nicola u Prirodoslovnom muzeju u Beču, koji su pružali pristup 32 kostura ukopanih oko 350. godine prije Beča. Genetičari u Francuskoj prikupljali su DNK od drevnih kutnjaka i analizirali DNK. Na naše iznenađenje, otkrili smo prisutnost mutacije F508del u DNK iz tri od 32 kostura.
Ovo otkriće F508dela u srednjeeuropskim željeznim ukopima sa ugljikovodikom datirano 350. godine prije Krista sugeriralo nam je da je izvorna mutacija CF možda nastala ranije. Ali dobivanje primjeraka brončanog doba i neolita za takve izravne studije pokazalo se teškim jer je dostupno manje sahrana, skeleti nisu toliko dobro očuvani i svako groblje predstavlja samo pleme ili selo. Dakle, umjesto da ovisimo o drevnoj DNK, pomaknuli smo našu strategiju kako bismo ispitali gene modernog čovjeka da bismo otkrili kada je ova mutacija prvi put nastala.
Zašto bi se štetna mutacija širila?
Da bismo otkrili porijeklo CF-a kod modernih pacijenata, znali smo da trebamo saznati više o mutaciji potpisa - F508del - kod ljudi koji su nositelji ili imaju bolest.
Ova sićušna mutacija uzrokuje gubitak jedne aminokiseline iz 1.480 lanaca aminokiselina i mijenja oblik proteina na površini stanice koja klorid kreće u stanicu i van nje. Kad se taj protein mutira, ljudi koji nose dvije kopije, jedan od majke i jedan od oca, muče se gustom ljepljivom sluzi u plućima, gušterači i drugim organima. Sluz u njihovim plućima omogućava bakterijama da napreduju, uništavajući tkivo i na kraju uzrokujući da se pluća pokvare. U gušterači, guste sekrecije sprječavaju žlijezdi da isporučuje enzime koje tijelo treba da bi probavilo hranu.
Pa zašto bi se tako štetna mutacija i dalje prenosila s generacije na generaciju?
Prirodoslovni muzej u Beču, Austrija, čuva veliku zbirku skeleta željeznog doba i brončanog doba koje je uredila dr. Maria Teschler-Nicola. Te su zbirke bile izvor zuba i kostiju za istraživanje drevne DNK i studije o "Drevnom porijeklu cistične fibroze". (Philip Farrell, CC BY-ND) Mutacija štetna kao F508del, nikada ne bi preživjela među ljudima s dvije kopije mutiranog gena CFTR jer su vjerojatno umrli ubrzo nakon rođenja. S druge strane, osobe s jednom mutacijom mogu imati prednost preživljavanja, kako je predviđeno u Darwinovoj teoriji o "preživljavanju najprikladnijih".
Možda je najbolji primjer mutacije koja pogoduje preživljavanju u stresnim okolišnim uvjetima u Africi, gdje je fatalna malarija stoljećima bila endemična. Parazit koji uzrokuje malariju inficira crvene krvne stanice u kojima je glavni sastojak proteinski hemoglobin koji nosi kisik. Pojedinci koji nose normalan gen hemoglobina ranjivi su na ovu bolest koju prenose komarci. Ali oni koji su nositelji mutiranog gena „hemoglobin S“, sa samo jednim primjerkom, zaštićeni su od teške malarije. No dvije kopije gena hemoglobina S uzrokuju bolest srpastih stanica, što može biti fatalno.
Ovdje postoji jasna prednost nošenja jednog mutirajućeg gena - u stvari, otprilike jedan od 10 Afrikanaca ima jednu kopiju. Tako je dugi stoljeći okolišni faktor pogodovao preživljavanju pojedinaca koji nose jednu kopiju srpaste mutacije hemoglobina.
Pojedinci koji nose dvije kopije gena srpastih stanica pate od anemije srpastih stanica u kojima krvne stanice postaju krute srpaste forme i zaglave se u krvnim žilama uzrokujući bol. Normalne crvene krvne stanice su fleksibilni diskovi koji se lako provlače kroz žile. (Designua / Shutterstock.com) Slično smo se pitali postoji li zdravstvena korist za nošenje jedne kopije ove specifične mutacije CF tijekom izlaganja ekološkim stresnim uvjetima. Možda smo i obrazložili, zato je mutacija F508del bila uobičajena među kavkaškim Europljanima i populacijom podrijetlom iz Europe.
Tragovi moderne DNK
Da bismo utvrdili prednost prenošenja jednog mutiranog gena F508del iz generacije u generaciju, prvo smo morali odrediti kada i gdje je nastala mutacija kako bismo otkrili korist koju ova mutacija dodjeljuje.
Dobili smo DNK uzorke od 190 bolesnika s CF koji su nosili F508del i njihovih roditelja koji žive u geografski različitoj europskoj populaciji od Irske do Grčke, plus njemačkom populacijom u SAD-u. Tada smo identificirali kolekciju genetskih markera - u osnovi sekvence DNA - unutar gena CF i bočne lokacije na kromosomu. Identificirajući kada su se ove mutacije pojavile u populaciji koju smo proučavali, uspjeli smo procijeniti starost najnovijeg zajedničkog pretka.
Zatim smo, rigoroznim računalnim analizama, procijenili dob mutacije CF u svakoj populaciji koja živi u različitim zemljama.
Dvije kopije gena srpastih stanica uzrokuju bolest. Nošenje jedne kopije smanjuje rizik od malarije. Gen je rasprostranjen među ljudima koji žive u regijama svijeta (crveno) u kojima je malarija endemska. (ellepigrafica) Potom smo utvrdili da je starost najstarijeg zajedničkog pretka između 4.600 i 4.725 godina i da je nastala u jugozapadnoj Europi, vjerojatno u naseljima duž Atlantskog oceana i možda u regiji Francuske ili Portugala. Vjerujemo da se mutacija od tamo brzo proširila na Britaniju i Irsku, a potom i na stanovništvo središnje i jugoistočne Europe, poput Grčke, gdje je F508del uveden tek prije otprilike 1000 godina.
Tko je širio mutaciju CF-a po Europi?
Dakle, naši novoobjavljeni podaci sugeriraju da je mutacija F508del nastala u ranom brončanom dobu i proširila se od zapadne do jugoistočne Europe tijekom drevnih migracija.
Štoviše, uzimajući u obzir arheološki zapis, naši rezultati omogućuju nam da uvedemo novi koncept sugerirajući da je populacija poznata kao narod Bell Beaker bila vjerovatno migracijsko stanovništvo odgovorno za rano širenje F508del u prapovijesnoj Europi. Pojavili su se na prijelazu iz kasnog neolitika, oko 4000. godine prije Krista, u rano brončano doba tijekom trećeg tisućljeća prije Krista, negdje u zapadnoj Europi. Odlikovali su ih keramičkim čašama, pionirskom metalurgijom bakra i bronce sjeverno od Alpa i velikom pokretljivošću. Sve studije, zapravo pokazuju da su bile u teškim migracijama, putujući cijelom zapadnom Europom.
Distribucija mjesta Bell Beaker u cijeloj Europi. (DieKraft putem Wikimedia Commons) Tijekom otprilike 1.000 godina, mreža malih obitelji i / ili elitnih plemena širila je svoju kulturu sa zapada na istok u regije koje usko odgovaraju današnjoj Europskoj uniji, gdje je zabeležena najveća učestalost CF-a. Njihove migracije povezane su s pojavom zapadne i srednjeeuropske metalurgije, jer su izrađivale i trgovale metalnom robom, posebno oružjem, putujući na velike udaljenosti. Također se nagađa da su njihova putovanja bila motivirana uspostavljanjem bračnih mreža. Najvažniji za našu studiju su dokazi da su migrirali u smjeru i vremenskom periodu koji se dobro podudaraju s našim rezultatima. Nedavni genski podaci sugeriraju da su i migracija i kulturni prijenos igrali veliku ulogu u difuziji "kompleksa Beaker" i doveli do "duboke demografske transformacije" Britanije i drugdje nakon 2400 pr.
Utvrđivanje vremena kada je F508del prvi put uveden u Europu i otkrivanje gdje je nastalo trebalo bi pružiti nove uvide o visokoj prevalenciji nosača - i daje li mutacija evolucijsku prednost. Na primjer, Europljani iz brončanog doba, iako su intenzivno migrirali, očito su bili pošteđeni izloženosti endemskim zaraznim bolestima ili epidemijama; na taj način, zaštita od zarazne bolesti, poput mutacije srpastih stanica, putem ove genetske mutacije izgleda malo vjerojatna.
Kako će više informacija o ljudima iz brončanog doba i njihovoj praksi tijekom migracija postati dostupno kroz arheološka i genomička istraživanja, trebalo bi se pojaviti više tragova o čimbenicima okoliša koji su pogodovali ljudima koji su imali tu varijantu gena. Tada ćemo možda moći odgovoriti na pitanja pacijenata i roditelja o tome zašto u obitelji imaju mutaciju CFTR-a i kakvu prednost daje tim.
Primjeri alata i keramike koje su stvorili ljudi Bell Beaker-a. (Benutzer: Thomas Ihle putem njemačke Wikipedije, CC BY-SA) Ovaj je članak prvotno objavljen u časopisu The Conversation.
Philip Farrell, profesor pedijatrije i zdravstvenih nauka na Sveučilištu Wisconsin-Madison
