Infektionssjukdomar är bland de starkaste selektiva trycken i mänsklig evolution, och väljer genetiska varianter som ökar motståndskraften mot infektion. Inför en pandemi genomgår sjukdomsresistens ett starkt positivt urval som troligen påverkar befolkningens genetiska sammansättning därefter. Svartedöden, även känd som böldpesten, är fortfarande den mest förödande pandemin i historien, som minskar Europas befolkning med 30-50 % på fyra år (1346-1350) och drabbar nästan hela Afro-Eurasien. Svartedöden orsakades av Yersinia pestisen mycket smittsam och dödlig bakterie som snabbt spred sig över de östra kontinenterna.
Hur förändrade denna pest befolkningens genetiska sammansättning, och gav vissa alleler skydd åt dem som överlevde? Dessa frågor är utforskas i en nypublicerad artikel i Natur, med ett samarbete mellan labben för Luis Barreiro, professor i medicin vid University of Chicago, Hendrik Poinar, professor i antropologi vid McMaster University, och Javier Pizarro-Cerda, chef för Collaborative Center for Research and World Health Organization referens för Yersinia vid Institut Pasteur. Poinar, specialist på antika genom och Y. pestis, och Barreiro, som banade väg för att studera hur genetisk variation påverkar responsen på infektion, är medförfattare på tidningen. Arbetet leddes av de första författarna Jennifer Klunk, en doktorand i Poinars labb under studien och nu seniorforskare vid Daicel Arbor Biosciences, och Tauras Vilgalys, en postdoktor i Barreiros labb.
“Det var ett enormt tvärvetenskapligt team som tog med sig sina erfarenheter, kunskaper och frågor till projektet”, beskrev Klunk. “Gruppen bestod av historiker, antropologer, genetiker, etc., som erbjuder ett brett utbud av perspektiv och verktyg att arbeta med.”
Forskare samlade in forntida DNA i London och Danmark från individer som dog kort före, under eller efter digerdöden. DNA:t sekvenserades sedan och de riktade immungenerna undersöktes över alla tre tidpunkterna för att leta efter signifikanta förändringar i variantfrekvens över tiden. Varianter som ger skydd mot Y. pestis bör vara vanligare i prover efter svart död jämfört med de som dog under pesten, och varianter som ger mottaglighet bör visa det motsatta mönstret. Forskarna fann att fyra genloci, inklusive nära varianter ERP2 och TICAM2matchade detta mönster. ERP2 är aktiv i antigenpresenterande celler, såsom makrofager, som äter och bryter ner patogener, och presenterar en bit av patogenen, kallad antigen, för andra immunceller för att hjälpa kroppen att lära sig att bekämpa den. TICAM2 kodar för ett adapterprotein för ett makrofagytprotein som kallas TLR4, som upptäcker främmande gramnegativa bakterier i kroppen, som t.ex. Y. pestis. De utvalda varianterna associerades med skillnader i uttrycket av dessa två gener. Med hjälp av genotypdata uppskattade forskarna att personer med utvalda varianter av dessa gener hade 40 % högre chans att överleva pesten.
För att testa hur dessa varianter favoriserades mot Y. pestis infektion samlades monocyter från blodet från levande individer med de olika varianterna för ERP2 och TICAM2utvecklades till makrofager och ställdes ut in vitro till Y. pestis. Makrofager med varianter som orsakade högre uttryck av ERAP2 var mer effektiva vid clearing Y. pestis än makrofager utan den skyddande allelen. Jessica Brinkworth (IGOH, GNDP), biträdande professor i antropologi vid University of Illinois i Urbana-Champaign som tillhandahållit funktionella data för studien, beskrev hur makrofager var avgörande för infektion av Y. pestis:
“Y. pestis är verkligen lömskt, beskrev Jessica. “Väl vid 37 grader Celsius bryter den ner lipopolysackariden på sin cellyta så att TLR4 inte längre kan se den, vilket i huvudsak gör sig själv osynlig. Det betyder att det finns en riktig klocka för att upptäcka det – det kan ta några minuter innan dessa enorma förändringar inträffar. Sedan infekterar den företrädesvis makrofager och förvandlar dem till små zombies, vilket tvingar dem att gå mot lymfkörtlarna så att Y. plåga kan föröka sig.
Immunceller har ett litet fönster att upptäcka Y. pestis och förstöra den, och makrofagerna som kommer i kontakt med bakterierna måste kunna motstå kapning för att begränsa spridningen. Forskarnas resultat visar att den genetiska variationen nära ERP2 och TICAM2 kan förbättra upptäckt och motståndskraft mot Y. pestis. Detta skyddade sannolikt människor med dessa varianter under digerdöden, vilket ökade deras chanser att överleva.
“Jag blev förvånad över att vi faktiskt kunde förstå det ERP2 har en effekt på bakteriell clearance in vitrosa Vilgalys. “Och det är ganska överraskande med tanke på dess kanoniska roll är antigenpresentation, som involverar interaktioner av flera celltyper, inte bara makrofager. Så vad vi ser tyder på att ERP2 gör något icke-kanoniskt för att påverka immunsvaret i isolerade makrofager.
Närliggande varianter ERP2 och TICAM2 hjälper också mot en rad andra patogener, men inte utan kompromisser. I synnerhet ett högre uttryck för ERP2 är förknippat med autoimmuna sjukdomar hos moderna människor, inklusive Crohns sjukdom. Detta balanserade urval förklarar förmodligen varför olika varianter av dessa gener fortfarande finns i befolkningen idag.
“Det var spännande när vi väl kom ner till varianterna, att se att våra varianter av intresse visar denna valbalanserande signal,” sa Klunk. “Vi kunde säga att en av varianterna vi tittar på tydligt visar en selektiv trycksignal under digerdöden, och vi har visat att den definitivt är involverad i immunsvaret mot Y. pestis, såväl som andra patogener. Men idag är denna variant också förknippad med en högre risk för autoimmuna och inflammatoriska sjukdomar. Så att kunna skapa den kopplingen var som, wow, det är något speciellt.
“Jag tror att studier som denna hjälper oss att förstå varför vi är i riskzonen för vissa sjukdomar och hur tidigare pandemier har format nuvarande sjukdomsrisker,” sa Vilgalys. “Varför har 50% av befolkningen dessa ERP2 varianter som gör att du löper ökad risk för kronisk sjukdom? En del av anledningen är att våra genom formades av tidigare infektionssjukdomar, som digerdöden. Sammantaget, om vi skulle titta på många riskalleler för moderna sjukdomar, skulle du förmodligen se att de skyddar mot vissa sjukdomar som vi har haft tidigare.
Teamets nästa steg är att titta på hela genomet, snarare än bara immungener, för att se om andra områden har påverkats av digerdöden eller kan ha gett resistens. Vilgalys beskrev sin entusiasm för att undersöka andra aspekter av antika genom under digerdöden, såsom effekterna av demografi och migration. Teamet planerar också att undersöka ERP2 varianter för att bättre förstå hur den förmedlar skydd mot Y. pestis.
– Detta pressmeddelande publicerades ursprungligen på Carl R. Woese Institute for Genomic Biology webbplats, University of Illinois i Urbana-Champaign