Bayangkan keseronokan penemuan apabila lebih daripada 10 tahun penyelidikan tentang asal usul penyakit genetik biasa, fibrosis cystic (CF), mengakibatkan mengesannya kepada sekumpulan orang Eropah yang berbeza tetapi misteri yang hidup kira-kira 5, 000 tahun yang lalu.
CF adalah penyakit yang paling biasa, berpotensi maut, diwarisi di kalangan orang Kaukasus-kira-kira satu dalam 40 membawa mutasi F508del yang dipanggil. Biasanya hanya mutasi bermanfaat, yang memberikan kelebihan kelangsungan hidup, tersebar secara meluas melalui populasi.
CF menghalang pembebasan enzim pencernaan dari pankreas, yang mencetuskan kekurangan zat makanan, menyebabkan penyakit paru-paru yang akhirnya membawa maut dan menghasilkan garam yang tinggi dalam peluh yang boleh mengancam nyawa.
Bergantung pada mutasi pesakit yang membawa, mereka mungkin mengalami beberapa atau semua gejala fibrosis sista. (Kakitangan Blausen.com (2014), CC BY-SA) Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, saintis telah mendedahkan banyak aspek penyakit paru-paru ini yang membawa kepada diagnosis awal rutin dalam bayi yang ditapis, rawatan yang lebih baik dan kehidupan yang lebih lama. Sebaliknya, komuniti saintifik tidak dapat mengetahui bila, di mana dan mengapa mutasi itu menjadi biasa. Bekerjasama dengan pasukan saintis Eropah yang luar biasa seperti David Barton di Ireland dan Milan Macek di Republik Czech, khususnya sekumpulan ahli genetik yang cemerlang di Brest, Perancis yang diketuai oleh Emmanuelle Génin dan Claude Férec, kami percaya bahawa sekarang kami tahu di mana dan kapan mutasi asal timbul dan di mana suku kaum orang purba.
Kami berkongsi penemuan ini dalam artikel dalam Jurnal Eropah Genetik Manusia yang mewakili kemuncak kerja 20 tahun yang melibatkan sembilan negara.
Apakah fibrosis cystic?
Usaha saya untuk menentukan bagaimana CF muncul dan mengapa ia begitu biasa bermula tidak lama selepas para saintis mendapati gen CFTR menyebabkan penyakit itu pada tahun 1989. Mutasi yang paling umum gen yang menyebabkan penyakit itu dipanggil F508del. Dua salinan mutasi-satu yang diwarisi dari ibu dan yang lain dari bapa-menyebabkan penyakit maut. Tetapi, mewarisi hanya satu salinan yang tidak menyebabkan gejala, dan membuat orang itu "pembawa".
Saya telah bekerja di University of Wisconsin sejak tahun 1977 sebagai seorang doktor-saintis yang memberi tumpuan kepada diagnosis awal CF melalui pemeriksaan yang baru lahir. Sebelum penemuan gen, kami mengenal pasti bayi berisiko tinggi untuk CF menggunakan ujian darah yang mengukur paras protein yang dipanggil immunoreactive trypsinogen (IRT). Tahap tinggi IRT mencadangkan bayi mempunyai CF. Apabila saya mengetahui penemuan gen, saya yakin bahawa ia akan menjadi penukar permainan untuk kedua-dua ujian ujian dan penyelidikan epidemiologi.
Itulah sebabnya dengan gen kita boleh menawarkan ibu bapa ujian yang lebih bermaklumat. Kami dapat memberitahu mereka bukan hanya sama ada anak mereka mempunyai CF, tetapi juga sama ada mereka membawa dua salinan mutasi CFTR, yang menyebabkan penyakit, atau hanya satu salinan yang menjadikan mereka pembawa.
Ibu bapa yang membawa satu salinan gen CF (R) dan satu salinan buruk gen CF yang diputuskan dipanggil pembawa. Apabila kedua ibu bapa menghantar salinan CF gen buruk kepada anak mereka, kanak-kanak akan mengalami fibrosis sista. Kanak-kanak yang mewarisi hanya satu salinan tidak baik akan menjadi pembawa seperti ibu bapa mereka dan boleh menghantar gen kepada anak-anak mereka. (Cburnett, CC BY-SA) Orang mungkin bertanya apa hubungan antara mengkaji penyaringan bayi baru lahir dan belajar tentang penyakit asal. Jawapannya terletak pada bagaimana pasukan penyelidikan kami di Wisconsin mengubah ujian saringan biokimia menggunakan penanda IRT kepada kaedah dua peringkat yang dipanggil IRT / DNA.
Kerana kira-kira 90 peratus pesakit CF di AS dan Eropah mempunyai sekurang-kurangnya satu mutasi F508del, kami mula menganalisis darah yang baru lahir untuk kehadirannya apabila tahap IRT tinggi. Tetapi apabila penapisan IRT / DNA dua langkah ini dilakukan, bukan sahaja pesakit dengan penyakit ini didiagnosis tetapi juga sepuluh kali lebih banyak bayi yang pembawa genetik penyakit tersebut dikenalpasti.
Sebagai prasangka, pemeriksaan pranatal dan neonatal untuk CF telah berkembang biar selama dua dekad yang lalu, beribu-ribu individu yang mendapati mereka adalah pembawa F508del dan orang tua mereka yang peduli sering menimbulkan persoalan tentang asal usul dan kepentingan membawa mutasi ini sendiri atau dalam kanak-kanak. Adakah mereka akan mengalami satu salinan? Adakah terdapat manfaat kesihatan? Ia telah mengecewakan seorang ahli pediatrik yang pakar dalam CF tidak mempunyai jawapan untuk mereka.
Cabaran mencari asal-usul mutasi CF
Saya mahu sifar apabila mutasi genetik ini mula muncul. Menunjuk tempoh ini akan membolehkan kita memahami bagaimana ia dapat berkembang untuk memberi manfaat-sekurang-kurangnya pada mulanya-kepada orang-orang di Eropah yang memilikinya. Untuk mengembangkan penyelidikan saya, saya memutuskan untuk mengambil sabatikal dan melatih epidemiologi semasa mengambil kursus pada tahun 1993 di London School of Hygiene dan Tropical Medicine.
Masa adalah sempurna kerana bidang penyelidikan DNA kuno mula berkembang. Teknik terobosan baru seperti Reaksi Rantai Polimerase memungkinkan untuk mempelajari DNA mumi dan spesimen arkeologi manusia lain dari kuburan prasejarah. Sebagai contoh, kajian awal dilakukan pada DNA dari Tyrolean Iceman berusia 5, 000 tahun, yang kemudiannya dikenali sebagai Ötzi.
Pengebumian prasejarah yang tipikal dalam kedudukan janin yang crouched. (Philip Farrell, CC BY-SA) Saya memutuskan bahawa kita mungkin dapat menemui asal-usul CF dengan menganalisis DNA di gigi orang-orang Iron Age yang dikebumikan antara 700-100 SM di tanah perkuburan di seluruh Eropah.
Dengan menggunakan strategi ini, saya bekerjasama dengan ahli arkeologi dan antropologi seperti Maria Teschler-Nicola di Muzium Sejarah Alam di Vienna, yang menyediakan akses kepada 32 rangka yang dikebumikan sekitar 350 SM berhampiran Vienna. Ahli genetik di Perancis mengumpul DNA dari molar purba dan menganalisis DNA. Mengejutkan kami, kami mendapati kehadiran mutasi F508del dalam DNA daripada tiga daripada 32 rangka.
Penemuan ini di F508del di radiokarbon Pengebumian Zaman Eropah Tengah-bertarikh hingga 350 SM mencadangkan kepada kita bahawa mutasi CF asal mungkin timbul sebelum ini. Tetapi mendapatkan spesimen Zaman Gangsa dan Neolitik untuk kajian langsung sedemikian terbukti sukar kerana pengkebumian yang lebih sedikit disediakan, rangka tidak dipelihara dengan baik dan setiap kuburan hanya mewakili suku atau kampung. Oleh itu, bergantung kepada DNA kuno, kami mengubah strategi kami untuk mengkaji gen manusia moden untuk mengetahui apabila mutasi ini muncul.
Kenapa mutasi berbahaya merebak?
Untuk mencari asal usul CF dalam pesakit moden, kami tahu kami perlu mengetahui lebih lanjut mengenai tanda-tanda mutasi-F508del-in yang membawa pembawa atau mempunyai penyakit.
Mutasi kecil ini menyebabkan kehilangan satu asid amino daripada 1, 480 rantai asid amino dan mengubah bentuk protein pada permukaan sel yang menggerakkan klorida masuk dan keluar dari sel. Apabila protein ini bermutasi, orang yang membawa dua salinannya-satu dari ibu dan seorang dari bapa-dilanda dengan lendir melekit tebal dalam paru-paru, pankreas dan organ-organ lain. Lendir dalam paru-paru mereka membolehkan bakteria berkembang maju, memusnahkan tisu dan akhirnya menyebabkan paru-paru gagal. Dalam pankreas, rembesan tebal menghalang kelenjar daripada menyampaikan enzim yang diperlukan badan untuk mencerna makanan.
Jadi mengapa mutasi yang berbahaya ini terus dihantar dari satu generasi ke generasi?
Muzium Sejarah Alam di Vienna, Austria, menempatkan koleksi besar Zaman Besi dan rangka Zaman Gangsa yang dikendalikan oleh Dr. Maria Teschler-Nicola. Koleksi ini adalah sumber gigi dan tulang untuk penyiasatan DNA purba dan kajian mengenai 'Asal Purba Fibrosis Cystic.' (Philip Farrell, CC BY-ND) Mutasi yang berbahaya seperti F508del tidak akan pernah terselamat di kalangan orang dengan dua salinan gen CFTR yang bermutasi kerana mereka mungkin meninggal dunia tidak lama selepas kelahiran. Sebaliknya, mereka yang mempunyai satu mutasi mungkin mempunyai kelebihan kelangsungan hidup, seperti yang dijangkakan dalam teori 'survival of the fittest' Darwin.
Mungkin contoh terbaik mutasi yang memihak kepada kelangsungan hidup di bawah keadaan persekitaran yang teruk boleh didapati di Afrika, di mana malaria maut telah menjadi endemik selama berabad-abad. Parasit yang menyebabkan malaria menjangkiti sel darah merah di mana konstituen utama adalah hemoglobin protein yang membawa oksigen. Individu yang membawa gen hampoglobin biasa terdedah kepada penyakit kelahiran nyamuk ini. Tetapi mereka yang pembawa gen mutasi "hemoglobin S", dengan hanya satu salinan, dilindungi daripada malaria yang teruk. Walau bagaimanapun dua salinan gen hemoglobin S menyebabkan penyakit sel sabit, yang boleh membawa maut.
Di sini terdapat kelebihan yang jelas untuk membawa satu gen mutant-sebenarnya, kira-kira satu dari 10 orang Afrika membawa salinan tunggal. Oleh itu, selama beberapa abad faktor alam sekitar telah menyukai kelangsungan individu yang membawa satu salinan mutlak hemoglobin sabit.
Individu yang membawa dua salinan sel sel sabit menderita anemia sel sabit, di mana sel-sel darah menjadi bentuk sabit keras dan terjebak dalam saluran darah, menyebabkan kesakitan. Sel darah merah normal adalah cakera fleksibel yang mudah meluncur melalui saluran. (Designua / Shutterstock.com) Begitu juga kami tertanya-tanya sama ada terdapat manfaat kesihatan untuk membawa satu salinan mutasi CF spesifik ini semasa pendedahan kepada keadaan tekanan alam sekitar. Mungkin kita berpendapat, itulah sebabnya mutasi F508del adalah lazim di kalangan penduduk Eropah Kaukasus dan penduduk Eropah.
Petunjuk dari DNA moden
Untuk mengetahui kelebihan penghantaran gen mutasi F508del mutasi dari generasi ke generasi, pertama-tama kita harus menentukan kapan dan di mana mutasi itu muncul supaya kita dapat mengungkap manfaat mutasi ini yang diberikan.
Kami memperoleh sampel DNA daripada 190 pesakit CF yang mengandungi F508del dan ibu bapa mereka yang tinggal di populasi Eropah yang berbeza secara geografi dari Ireland ke Greece serta populasi yang berasal dari Jerman di Amerika Syarikat. Kami kemudian mengenal pasti sekumpulan penanda genetik - pada dasarnya urutan DNA-dalam gen CF dan lokasi mengapit di kromosom. Dengan mengenal pasti apabila mutasi ini muncul dalam populasi yang kita pelajari, kita dapat menganggarkan usia nenek moyang yang paling terkini.
Seterusnya, dengan analisis komputer yang ketat, kami menganggarkan umur mutasi CF dalam setiap populasi yang tinggal di pelbagai negara.
Dua salinan gen sel sabit menyebabkan penyakit ini. Tetapi membawa satu salinan mengurangkan risiko malaria. Gen ini tersebar luas di kalangan orang yang tinggal di kawasan di dunia (merah) di mana malaria adalah endemik. (ellepigrafica) Kami kemudian menentukan bahawa umur nenek moyang yang tertua adalah antara 4, 600 dan 4, 725 tahun dan muncul di Eropah barat daya, mungkin di perkampungan di sepanjang Lautan Atlantik dan mungkin di wilayah Perancis atau Portugal. Kami percaya bahawa mutasi ini merebak dari sana ke Britain dan Ireland, dan kemudian ke populasi Eropah tengah dan tenggara seperti Greece, di mana F508del diperkenalkan hanya sekitar 1, 000 tahun yang lalu.
Siapa yang menyebarkan mutasi CF di seluruh Eropah?
Oleh itu, data kami yang baru diterbitkan menunjukkan bahawa mutasi F508del muncul pada Zaman Gangsa awal dan merebak dari barat ke tenggara Eropah semasa migrasi kuno.
Selain itu, dengan mengambil kira rekod arkeologi, keputusan kami membolehkan kami memperkenalkan konsep baru dengan mencadangkan bahawa populasi yang dikenali sebagai orang Bell Beaker adalah penduduk berpindah yang mungkin bertanggungjawab untuk penyebaran awal F508del di Eropah prasejarah. Mereka muncul pada peralihan dari zaman Neolitik Lewat, sekitar 4000 SM, hingga Zaman Gangsa Awal pada milenium ketiga SM di suatu tempat di Eropah Barat. Mereka dibezakan oleh pembuat kaca keramik mereka, perintis tembaga dan metalurgi tembaga di utara Alps dan mobiliti yang hebat. Semua kajian, pada hakikatnya, menunjukkan bahawa mereka telah menjadi penghijrahan yang berat, perjalanan di seluruh Eropah Barat.
Penyebaran tapak Beaker Bell di seluruh Eropah. (DieKraft melalui Wikimedia Commons) Lebih kurang 1, 000 tahun, rangkaian keluarga kecil dan / atau suku elit menyebarkan budaya mereka dari barat ke timur ke kawasan-kawasan yang sesuai dengan kesatuan Kesatuan Eropah sekarang, di mana kejadian tertinggi CF dijumpai. Penghijrahan mereka dikaitkan dengan kedatangan metalurgi Barat dan Eropah Tengah, kerana mereka menghasilkan dan berdagang barang logam, terutama senjata, ketika melakukan perjalanan jauh. Ia juga berspekulasi bahawa perjalanan mereka didorong oleh penubuhan rangkaian perkahwinan. Yang paling relevan dengan kajian kami adalah bukti bahawa mereka bermigrasi ke arah dan sepanjang tempoh yang sesuai dengan hasil kami. Data genomik baru-baru ini menunjukkan bahawa kedua-dua penghijrahan dan transmisi kebudayaan memainkan peranan utama dalam penyebaran "Kompleks Beaker" dan membawa kepada "transformasi demografi yang mendalam" di Britain dan di tempat lain selepas 2400 SM
Menentukan apabila F508del mula diperkenalkan di Eropah dan menemui di mana ia muncul harus memberikan pandangan baru tentang kelaziman pembawa yang tinggi-dan sama ada mutasi ini memberikan kelebihan evolusi. Sebagai contoh, Zaman Gangsa Eropah, sementara berpindah secara meluas, nampaknya terhindar dari pendedahan kepada penyakit berjangkit endemik atau epidemik; Oleh itu, perlindungan daripada penyakit berjangkit, seperti dalam mutasi sel sabit, melalui mutasi genetik ini nampaknya tidak mungkin.
Sebagai maklumat lebih lanjut tentang orang-orang Umur Perunggu dan amalan mereka semasa migrasi tersedia melalui penyelidikan arkeologi dan genomik, lebih banyak petunjuk tentang faktor persekitaran yang menyukai orang yang mempunyai varian gen ini harus muncul. Kemudian, kami mungkin dapat menjawab soalan-soalan dari pesakit dan ibu bapa tentang mengapa mereka mempunyai mutasi CFTR dalam keluarga mereka dan apa kelebihan yang diberikan ini.
Contoh alat dan seramik yang dicipta oleh orang Bell Beaker. (Benutzer: Thomas Ihle melalui Wikipedia bahasa Jerman, CC BY-SA) Artikel ini pada asalnya diterbitkan di The Conversation.
Philip Farrell, Profesor Pediatrik dan Kesihatan Kesihatan Penduduk, University of Wisconsin-Madison
