Se for deg spenningen ved oppdagelsen når mer enn 10 års forskning på opprinnelsen til en vanlig genetisk sykdom, cystisk fibrose (CF), resulterer i å spore den til en gruppe distinkte, men mystiske europeere som levde for rundt 5000 år siden.
CF er den vanligste, potensielt dødelige, arvelige sykdommen blant kaukasiere - omtrent en av 40 har den såkalte F508del-mutasjonen. Typisk er bare gunstige mutasjoner, som gir en overlevelsesfordel, spredt vidt gjennom en populasjon.
CF hindrer frigjøring av fordøyelsesenzymer fra bukspyttkjertelen, som utløser underernæring, forårsaker lungesykdom som til slutt er dødelig og gir høye nivåer av salt i svette som kan være livstruende.
Avhengig av mutasjonen en pasient bærer, kan de oppleve noen eller alle symptomer på cystisk fibrose. (Blausen.com-ansatte (2014), CC BY-SA) De siste årene har forskere avslørt mange aspekter av denne dødelige lungesykdommen som har ført til rutinemessig tidlig diagnose hos screenede babyer, bedre behandlinger og lengre liv. På den annen side har ikke det vitenskapelige samfunnet klart å finne ut når, hvor og hvorfor mutasjonen ble så vanlig. I samarbeid med et ekstraordinært team av europeiske forskere som David Barton i Irland og Milan Macek i Tsjekkia, spesielt en gruppe strålende genetikere i Brest, Frankrike ledet av Emmanuelle Génin og Claude Férec, tror vi at vi nå vet hvor og når den opprinnelige mutasjonen oppsto, og i den gamle stammen av mennesker.
Vi deler disse funnene i en artikkel i European Journal of Human Genetics som representerer kulminasjonen på 20 års arbeid som involverer ni land.
Hva er cystisk fibrose?
Min søken etter å finne ut hvordan CF oppsto og hvorfor det er så vanlig, begynte snart etter at forskere oppdaget CFTR-genet som forårsaket sykdommen i 1989. Den vanligste mutasjonen av det genet som forårsaker sykdommen, ble kalt F508del. To eksemplarer av mutasjonen - den ene arvet fra moren og den andre fra faren - forårsaket den dødelige sykdommen. Men å arve bare en enkelt kopi forårsaket ingen symptomer, og gjorde personen til en "bærer."
Jeg hadde vært ansatt ved University of Wisconsin siden 1977 som lege-forsker med fokus på tidlig diagnose av CF gjennom nyfødt screening. Før genfunnet identifiserte vi babyer med høy risiko for CF ved bruk av en blodprøve som målte nivåer av protein kalt immunoreaktiv trypsinogen (IRT). Høye nivåer av IRT antydet at babyen hadde CF. Da jeg fikk vite om genfunnet, var jeg overbevist om at det ville være en spillutveksler for både screeningtestutvikling og epidemiologisk forskning.
Det er fordi vi med genet kunne tilby foreldre en mer informativ test. Vi kunne fortelle dem ikke bare om barnet deres hadde CF, men også om de hadde to kopier av en CFTR-mutasjon, som forårsaket sykdom, eller bare en kopi som gjorde dem til en bærer.
Foreldre som har en god kopi av CF-genet (R) og en dårlig kopi av det muterte CF-genet (r) kalles bærere. Når begge foreldrene overfører en dårlig kopi av CF-genet til avkommet, vil barnet lide av cystisk fibrose. Barn som arver bare en dårlig kopi, vil være bærere som sine foreldre og kan overføre genet til barna sine. (Cburnett, CC BY-SA) Man kan spørre hva som er sammenhengen mellom å studere CF nyfødt screening og lære om sykdommens opprinnelse. Svaret ligger i hvordan vårt forskerteam i Wisconsin transformerte en biokjemisk screeningtest ved bruk av IRT-markøren til en tostrinnsmetode kalt IRT / DNA.
Fordi omtrent 90 prosent av CF-pasienter i USA og Europa har minst en F508del-mutasjon, begynte vi å analysere nyfødt blod for dets tilstedeværelse når IRT-nivået var høyt. Men når denne to-trinns IRT / DNA-screeningen er utført, blir ikke bare pasienter med sykdommen diagnostisert, men også ti ganger flere spedbarn som er genetiske bærere av sykdommen, identifisert.
Som forhåndsoppfatning-, prenatal- og neonatal-screening for CF har spredd seg i løpet av de siste to tiårene, de mange tusen individer som oppdaget at de var F508del-bærere og deres bekymrede foreldre reiste ofte spørsmål om opprinnelsen og betydningen av å utføre denne mutasjonen selv eller i deres barn. Ville de lide med en kopi? Var det en helsegevinst? Det har vært frustrerende for en barnelege med spesialisering i CF at de ikke har noe svar for dem.
Utfordringen med å finne opphav til CF-mutasjonen
Jeg ville nullstille på når denne genetiske mutasjonen først begynte å vises. Å kartlegge denne perioden ville tillate oss å forstå hvordan den kunne ha utviklet seg til å gi en fordel - i det minste i utgangspunktet - til de menneskene i Europa som hadde det. For å utvide forskningen min bestemte jeg meg for å ta en sabbatsdag og trene i epidemiologi mens jeg tok kurs i 1993 ved London School of Hygiene and Tropical Medicine.
Tidspunktet var perfekt fordi feltet for gammel DNA-forskning begynte å blomstre. Nye gjennombruddsteknikker som Polymerase Chain Reaction gjorde det mulig å studere DNA fra mumier og andre menneskelige arkeologiske prøver fra forhistoriske begravelser. For eksempel ble det utført tidlige studier på DNA fra den 5000 år gamle tyrolske iceman, som senere ble kjent som Ötzi.
En typisk forhistorisk begravelse i en huket fosterposisjon. (Philip Farrell, CC BY-SA) Jeg bestemte meg for at vi kunne være i stand til å oppdage opphavet til CF ved å analysere DNA i tennene til jernalderfolk begravet mellom 700-100 f.Kr. på kirkegårder i hele Europa.
Ved å bruke denne strategien slo jeg sammen med arkeologer og antropologer som Maria Teschler-Nicola ved Natural History Museum i Wien, som ga tilgang til 32 skjeletter begravet rundt 350 f.Kr. i nærheten av Wien. Genetikere i Frankrike samlet DNA fra de gamle molarene og analyserte DNAet. Til vår overraskelse oppdaget vi tilstedeværelsen av F508del-mutasjonen i DNA fra tre av 32 skjeletter.
Denne oppdagelsen av F508del i sentraleuropeiske jernalderbegravelser radiokarbon-datert til 350 f.Kr. antydet oss at den opprinnelige CF-mutasjonen kan ha oppstått tidligere. Men det var vanskelig å skaffe eksempler på bronsealder og neolitt for slike direkte studier fordi færre begravelser er tilgjengelige, skjeletter er ikke så godt bevart og hver kirkegård representerer bare en stamme eller landsby. Så i stedet for å være avhengig av gammelt DNA, endret vi strategien vår for å undersøke genene til moderne mennesker for å finne ut når denne mutasjonen først oppsto.
Hvorfor skulle en skadelig mutasjon spre seg?
For å finne opphavet til CF hos moderne pasienter, visste vi at vi trengte å lære mer om signaturmutasjonen - F508del - hos mennesker som er bærere eller har sykdommen.
Denne ørsmå mutasjonen forårsaker tap av en aminosyre ut av den 1480 aminosyrekjeden og endrer formen på et protein på overflaten av cellen som beveger klorid inn og ut av cellen. Når dette proteinet er mutert, plages mennesker som har to kopier av det - ett fra moren og ett fra faren - med tykt klissete slim i lungene, bukspyttkjertelen og andre organer. Slimet i lungene gjør at bakterier trives, ødelegger vevet og til slutt får lungene til å mislykkes. I bukspyttkjertelen forhindrer de tykke sekreter at kjertelen leverer enzymene kroppen trenger for å fordøye maten.
Så hvorfor skulle en slik skadelig mutasjon fortsette å overføres fra generasjon til generasjon?
Natural History Museum i Wien, Østerrike, huser en stor samling av jernalder og bronsealders skjeletter som er kuratert av Dr. Maria Teschler-Nicola. Disse samlingene var kilden til tenner og bein for undersøkelse av gammelt DNA og studier om 'Ancient Origin of Cystic Fibrosis.' (Philip Farrell, CC BY-ND) En mutasjon så skadelig som F508del ville aldri ha overlevd blant mennesker med to kopier av det muterte CFTR-genet fordi de sannsynligvis døde like etter fødselen. På den annen side kan de med én mutasjon ha en overlevelsesfordel, som forutsagt i Darwins "survival of the fittest" teori.
Det beste eksemplet på en mutasjon som favoriserer overlevelse under belastende miljøforhold, er kanskje i Afrika, der dødelig malaria har vært endemisk i århundrer. Parasitten som forårsaker malaria infiserer de røde blodlegemene der hovedbestanddelen er det oksygenbærende proteinet hemoglobin. Personer som har det normale hemoglobingenet er sårbare for denne myggbårne sykdommen. Men de som er bærere av det muterte “hemoglobin S”-genet, med bare én kopi, er beskyttet mot alvorlig malaria. To eksemplarer av hemoglobin S-genet forårsaker imidlertid sigdcellesykdom, som kan være dødelig.
Her er det en klar fordel å bære ett mutant gen - faktisk har omtrent en av ti afrikanere en enkelt kopi. Således har en miljøfaktor i mange århundrer favorisert overlevelsen til individer som har en enkelt kopi av siglhemoglobinmutasjonen.
Personer som har to kopier av sigdcellegenet, lider av sigdcelleanemi, der blodcellene blir stive sigdformer og setter seg fast i blodårene og forårsaker smerter. Normale røde blodlegemer er fleksible plater som glir lett gjennom kar. (Designua / Shutterstock.com) På samme måte lurte vi på om det var en helsemessig fordel å bære en enkelt kopi av denne spesifikke CF-mutasjonen under eksponering for miljøbelastende forhold. Vi hevdet kanskje at det er grunnen til at F508del-mutasjonen var vanlig blant kaukasiske europeere og Europa-avledede befolkninger.
Ledetråder fra moderne DNA
For å finne ut fordelen ved å overføre et enkelt mutert F508del-gen fra generasjon til generasjon, måtte vi først bestemme når og hvor mutasjonen oppsto, slik at vi kunne avdekke fordelen denne mutasjonen ga.
Vi fikk DNA-prøver fra 190 CF-pasienter med F508del og deres foreldre bosatt i geografisk distinkte europeiske populasjoner fra Irland til Hellas pluss en Tyskland-avledet befolkning i USA. Vi identifiserte deretter en samling genetiske markører - hovedsakelig DNA-sekvenser - i CF-genet og flankerende lokasjoner på kromosomet. Ved å identifisere når disse mutasjonene dukket opp i populasjonene vi studerte, kunne vi estimere alderen til den nyeste vanlige stamfar.
Neste, ved strenge datamaskinanalyser, estimerte vi alderen på CF-mutasjonen i hver populasjon bosatt i de forskjellige landene.
To kopier av sigdcellegenet forårsaker sykdommen. Men hvis du har en kopi, reduserer du risikoen for malaria. Genet er utbredt blant mennesker som bor i regioner i verden (rødt) hvor malaria er endemisk. (ellepigrafica) Vi slo da fast at alderen til den eldste felles stamfar er mellom 4.600 og 4.725 år og oppsto i sørvestlige Europa, sannsynligvis i bosetninger langs Atlanterhavet og kanskje i regionen Frankrike eller Portugal. Vi tror at mutasjonen raskt spredte seg derfra til Storbritannia og Irland, og senere til sentrale og sørøst-europeiske befolkninger som Hellas, der F508del ble introdusert for bare rundt 1000 år siden.
Hvem spredte CF-mutasjonen over hele Europa?
Dermed antyder våre nylig publiserte data at F508del-mutasjonen oppsto i tidlig bronsealder og spredte seg fra vest til sørøst-Europa under eldgamle migrasjoner.
Ved å ta hensyn til den arkeologiske referansen lar resultatene våre dessuten introdusere et nytt konsept ved å antyde at en befolkning kjent som Bell Beaker-folket var den sannsynlige migrerende befolkningen som var ansvarlig for den tidlige formidlingen av F508del i det forhistoriske Europa. De dukket opp ved overgangen fra sen-nolitisk periode, rundt 4000 f.Kr., til tidlig bronsealder i løpet av det tredje årtusen f.Kr. et sted i Vest-Europa. De ble preget av sine keramiske begerglass, banebrytende kobber- og bronsemetallurgi nord for Alpene og stor mobilitet. Alle studier viser faktisk at de var i tung migrasjon og reiste over hele Vest-Europa.
Distribusjon av Bell Beaker-nettsteder i hele Europa. (DieKraft via Wikimedia Commons) I løpet av omtrent 1000 år spredte et nettverk av små familier og / eller elitestammer sin kultur fra vest til øst i regioner som tilsvarer nær EUs nåværende tid, der den høyeste forekomsten av CF er funnet. Deres migrasjoner er knyttet til ankomsten av vest- og sentraleuropeisk metallurgi, da de produserte og handlet metallvarer, spesielt våpen, mens de reiste over lange avstander. Det spekuleres også i at deres reiser ble motivert av å etablere ekteskapsnettverk. Mest relevant for studien vår er bevis på at de vandret i en retning og over en tidsperiode som passer godt med resultatene våre. Nyere genomiske data antyder at både migrasjon og kulturell overføring spilte en viktig rolle i diffusjonen av "Beaker Complex" og førte til en "dyp demografisk transformasjon" av Storbritannia og andre steder etter 2400 f.Kr.
Å avgjøre når F508del først ble introdusert i Europa og oppdage hvor den oppsto, skulle gi ny innsikt om den høye utbredelsen av bærere - og om mutasjonen gir en evolusjonær fordel. For eksempel ble europeere i bronsealderen tilsynelatende skånet fra eksponering for endemiske smittsomme sykdommer eller epidemier, mens de migrerte mye. dermed virker beskyttelse mot en smittsom sykdom, som ved sigdcellemutasjonen, gjennom denne genetiske mutasjonen usannsynlig.
Etter hvert som mer informasjon om mennesker fra bronsealderen og deres praksis under migrasjoner blir tilgjengelig gjennom arkeologisk og genomisk forskning, bør det komme flere ledetråder om miljøfaktorer som favoriserte personer som hadde denne genvarianten. Deretter kan vi være i stand til å svare på spørsmål fra pasienter og foreldre om hvorfor de har en CFTR-mutasjon i familien og hvilken fordel dette gir.
Eksempler på verktøy og keramikk laget av Bell Beaker-folket. (Benutzer: Thomas Ihle via tyske Wikipedia, CC BY-SA) Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation.
Philip Farrell, professor i pediatri og populasjonshelsevitenskap, University of Wisconsin-Madison
