דמיין את ריגוש הגילוי כאשר למעלה מעשר שנים של מחקר על מקורן של מחלה גנטית שכיחה, ציסטיק פיברוזיס (CF), מביא להתחקות אחר קבוצה של אירופאים מובחנים אך מסתוריים שחיו לפני כ -5, 000 שנה.
CF היא המחלה הנפוצה ביותר, שעלולה להיות קטלנית, בירושה בקרב הקווקזים - בערך אחד מכל 40 נושא את המוטציה F508del כביכול. בדרך כלל רק מוטציות מועילות, המספקות יתרון הישרדותי, מתפשטות באופן נרחב באוכלוסייה.
CF מעכב את שחרורם של אנזימי עיכול מהלבלב, מה שמעורר תזונה, גורם למחלות ריאה שבסופו של דבר קטלניות ומייצר רמות גבוהות של מלח בזיעה שעלולה להיות מסכנת חיים.
בהתאם למוטציה שעובר על המטופל, הם עלולים לחוות חלק או כל הסימפטומים של סיסטיק פיברוזיס. (צוות Blausen.com (2014), CC BY-SA) בשנים האחרונות חשפו מדענים היבטים רבים של מחלת ריאות קטלנית זו שהביאו לאבחון מוקדם שגרתי בקרב תינוקות שהוקרנו, טיפולים טובים יותר וחיים ארוכים יותר. מצד שני, הקהילה המדעית לא הצליחה להבין מתי, היכן ומדוע המוטציה הפכה כל כך נפוצה. בשיתוף פעולה עם צוות יוצא דופן של מדענים אירופאים כמו דייוויד ברטון באירלנד ומילאן מייצ'ק בצ'כיה, בפרט קבוצה של גנטיקאים מבריקים בברסט, צרפת בהובלת אמנואלה ג'ין וקלוד פרץ, אנו מאמינים כי אנו יודעים כעת היכן ומתי המוטציה המקורית קמה ובו שבט אנשים קדום.
אנו חולקים ממצאים אלה במאמר בכתב העת האירופי לגנטיקה אנושית המייצג את שיא עבודתם של 20 שנה בהן היו מעורבות תשע מדינות.
מהי סיסטיק פיברוזיס?
המסע שלי לקבוע כיצד קם CF ומדוע שכיח כל כך החל זמן קצר לאחר שמדענים גילו את הגן CFTR הגורם למחלה בשנת 1989. המוטציה השכיחה ביותר של אותו גן הגורם למחלה נקראה F508del. שני עותקים של המוטציה - האחד בירושה מהאם והשני מהאב - גרמו למחלה הקטלנית. עם זאת, בירושה של עותק בודד לא גרמה לתסמינים והפכה את האדם ל"נושא ".
עבדתי באוניברסיטת ויסקונסין מאז 1977 כרופא-מדען המתמקד באבחון מוקדם של CF באמצעות בדיקת יילוד. לפני גילוי הגנים, זיהינו תינוקות שנמצאים בסיכון גבוה ל- CF באמצעות בדיקת דם שמדדה רמות חלבון המכונה טריפסינוגן חיסוני. רמות גבוהות של IRT הציעו לתינוק CF. כשנודע לי על גילוי הגנים, הייתי משוכנע שזה יהיה מחליף משחק הן לפיתוח בדיקות סקר והן למחקר אפידמיולוגי.
זה מכיוון שעם הגן נוכל להציע להורים מבחן אינפורמטיבי יותר. יכולנו לומר להם לא רק אם ילדם סובל מ- CF, אלא גם אם הם נשאו שני עותקים של מוטציה של CFTR, שגרמו למחלות, או סתם עותק אחד שהפך אותם לנשאיים.
הורים הנושאים עותק אחד טוב של הגן CF (R) ועותק רע אחד של הגן ה- CF המוטה (r) נקראים נשאים. כששני ההורים מעבירים עותק גרוע של גן ה- CF לצאצאיהם, הילד יסבול מסיסטיק פיברוזיס. ילדים שירשו עותק רע אחד בלבד יהיו נשאים כמו הוריהם ויכולים להעביר את הגן לילדיהם. (Cburnett, CC BY-SA) אפשר לשאול מה הקשר בין לימוד בדיקת סקר יילוד CF לבין למידה על מקור המחלה. התשובה נעוצה באופן שבו צוות המחקר שלנו בוויסקונסין הפך בדיקת סקר ביוכימית באמצעות סמן ה- IRT לשיטה דו-שכבתית בשם IRT / DNA.
מכיוון שכ- 90 אחוז מחולי CF בארצות הברית ובאירופה לוקים לפחות במוטציה אחת F508del, התחלנו לנתח דם בן יומו לנוכחותו בכל פעם שרמת ה- IRT הייתה גבוהה. אך כאשר מתבצעת בדיקת IRT / DNA דו-שלבית זו, לא רק שמאובחנים חולים במחלה, אלא גם מזוהים פי עשרה תינוקות שהם נשאים גנטיים של המחלה.
מכיוון שהסינון של תפיסה מקדימה, לפני הלידה והיילודים ל- CF התפשט במהלך שני העשורים האחרונים, אלפי האנשים הרבים שגילו שהם נשאי F508del והוריהם המודאגים העלו לעתים קרובות שאלות לגבי המקור והמשמעות של ביצוע מוטציה זו בעצמם או אצלם ילדים. האם הם יסבלו בעותק אחד? האם הייתה יתרון בריאותי? לרופא ילדים המתמחה ב- CF לא היה תשובה עבורם.
האתגר למצוא את מקור המוטציה ה- CF
רציתי להפסיק לחזור כאשר המוטציה הגנטית הזו תחילה תופיע. נקודת ציון לתקופה זו תאפשר לנו להבין כיצד היא הייתה יכולה להתפתח בכדי לספק יתרון - לפחות בהתחלה - לאנשים באירופה שהיו להם. כדי להרחיב את המחקר החלטתי לקחת שבתון ולהתאמן באפידמיולוגיה תוך כדי קורסים בשנת 1993 בבית הספר ללונדון ל היגיינה ורפואה טרופית.
העיתוי היה מושלם מכיוון שתחום מחקר ה- DNA העתיק החל לפרוח. טכניקות פריצת דרך חדשות כמו תגובת שרשרת הפולימראז אפשרו לחקור את ה- DNA של מומיות ודגימות ארכיאולוגיות אנושיות אחרות מקבורה פרהיסטורית. לדוגמה, מחקרים מוקדמים בוצעו על ה- DNA מאת אייקמן הטירולאי בן 5, 000, שלימים התפרסם בשם Ötzi.
קבורה פרהיסטורית טיפוסית בתנוחה עוברית כורעת. (פיליפ פארל, CC BY-SA) החלטתי שנוכל לגלות את מקור ה- CF על ידי ניתוח ה- DNA בשיניים של אנשים מתקופת הברזל הקבורים בין השנים 700-100 לפני הספירה בבתי קברות ברחבי אירופה.
בעזרת אסטרטגיה זו, התחברתי לארכיאולוגים ואנתרופולוגים כמו מריה טשלר-ניקולה במוזיאון להיסטוריה של הטבע בוינה, שסיפקו גישה ל 32 שלדים שנקברו בסביבות 350 לפני הספירה ליד וינה. גנטיקאים בצרפת אספו DNA מהטוחנות הקדומות וניתחו את ה- DNA. להפתעתנו גילינו את נוכחות המוטציה F508del ב- DNA משלושה מתוך 32 שלדים.
גילוי זה של F508del בקבורות מרכז אירופה בתקופות ברזל, המתוארכות לשנת 350 לפנה"ס, הציע בפנינו כי ייתכן שהמוטציה המקורית של ה- CF התרחשה מוקדם יותר. אולם השגת דגימות הברונזה והניאולית למחקרים ישירים כאלה הוכיחה את עצמה קשה משום שפחות קבורות זמינות, השלדים אינם שמורים היטב וכל בית קברות רק מייצג שבט או כפר. אז במקום להיות תלויים ב- DNA עתיק, שינינו את האסטרטגיה שלנו לבחון את הגנים של בני האדם המודרניים כדי להבין מתי המוטציה הזו קמה לראשונה.
מדוע תתפשט מוטציה מזיקה?
כדי למצוא את מקור ה- CF בחולים מודרניים, ידענו שאנחנו צריכים ללמוד יותר על המוטציה החתימה - F508del - אצל אנשים שהם נשאים או חולים במחלה.
מוטציה זעירה זו גורמת לאובדן של חומצה אמינית אחת משרשרת 1, 480 חומצות האמינו ומשנה את צורתו של חלבון על פני התא שמעביר כלוריד לתא ומחוצה לו. כאשר מוטציה של חלבון זה, אנשים הנושאים שני עותקים ממנו - אחד מהאם ואחד מהאב - סבלו בריר סמיך ודביק בריאות, בלבלב ובאיברים אחרים. הריר שבריאותיהם מאפשר לחיידקים לשגשג, להרוס את הרקמה ובסופו של דבר לגרום לכישלונות הריאות. בלבלב, הפרשות עבות מונעות מהבלוטה להעביר את האנזימים שהגוף זקוק לעיכול המזון.
אז מדוע תמשיך לעבור מוטציה מזיקה שכזו מדור לדור?
במוזיאון ההיסטוריה הטבעית בוינה, אוסטריה, נמצא אוסף גדול של שלדי תקופת הברזל ותקופת הברונזה שאוצרות על ידי ד"ר מריה טשלר-ניקולה. אוספים אלו היו מקור השיניים והעצמות לחקירת DNA עתיק ומחקרים בנושא 'המקור העתיק של סיסטיק פיברוזיס'. (פיליפ פארל, CC BY-ND) מוטציה מזיקה כמו F508del לעולם לא הייתה שורדת בקרב אנשים עם שני עותקים של גן ה- CFTR המוטה מכיוון שהם ככל הנראה מתו זמן קצר לאחר הלידה. מצד שני, לאנשים עם מוטציה אחת עשויה להיות יתרון הישרדותי, כפי שחזה בתיאוריית "ההישרדות החזקה ביותר" של דרווין.
אולי הדוגמה הטובה ביותר למוטציה המעדיפה הישרדות בתנאים סביבתיים מלחיצים ניתן למצוא באפריקה, שם המלריה הקטלנית הייתה אנדמית במשך מאות שנים. הטפיל הגורם למלריה מדביק את כדוריות הדם האדומות בהן המרכיב העיקרי הוא המוגלובין הנושא חמצן. אנשים הנושאים את הגן ההמוגלובין התקין פגיעים למחלה זו הנישאת יתושים. אך מי שנשאו את הגן "המוגלובין S" המוטה, עם עותק אחד בלבד, מוגנים ממלריה קשה. עם זאת שני עותקים של גן המוגלובין S גורמים למחלת תאי מגל, שעלולים להיות קטלניים.
כאן יש יתרון ברור לשאת גן מוטנטי אחד - למעשה, אחד מכל עשרה אפריקאים נושא עותק יחיד. לפיכך, במשך מאות שנים גורם סביבה העדיף את הישרדותם של אנשים הנושאים עותק יחיד של המוטב המגלובין המגל.
אנשים הנושאים שני עותקים מגן תאי המגל סובלים מאנמיה של תאי מגל, בהם תאי הדם הופכים לצורות מגל נוקשות ונתקעים בכלי הדם וגורמים לכאב. תאי דם אדומים תקינים הם דיסקים גמישים המחליקים בקלות דרך כלי. (Designua / Shutterstock.com) באופן דומה תהינו אם יש יתרון בריאותי לשאת עותק יחיד של מוטציה CF ספציפית זו במהלך חשיפות לתנאים מלחיצים לסביבה. אולי, הסברנו, בגלל זה המוטציה F508del הייתה נפוצה בקרב אירופים קווקזים ואוכלוסיות הנגזרות מאירופה.
רמזים מ- DNA מודרני
כדי להבין את היתרון בהעברת גן F508del יחיד שעבר מוטציה מדור לדור, עלינו לקבוע תחילה מתי והיכן קמה המוטציה כדי שנוכל לגלות את התועלת שהמוטציה הזו העניקה.
השגנו דגימות DNA מ -190 חולי CF עם ילדים F508del והוריהם המתגוררים באוכלוסיות אירופאיות שונות ומגוונות מאירלנד עד יוון פלוס אוכלוסייה הנגזרת מגרמניה בארה"ב. לאחר מכן זיהינו אוסף של סמנים גנטיים - בעיקר רצפי DNA - בתוך הגן CF ומיקומים מאגפים בכרומוזום. על ידי זיהוי מתי הופיעו מוטציות אלה באוכלוסיות שלמדנו, הצלחנו להעריך את גילו של האב הקדמון השכיח ביותר.
בשלב הבא, על ידי ניתוחי מחשב קפדניים, הערכנו את גיל המוטציה של ה- CF בכל אוכלוסיה המתגוררת במדינות השונות.
שני עותקים של גן המגל גורמים למחלה. אך נשיאת עותק אחד מפחיתה את הסיכון למלריה. הגן נפוץ בקרב אנשים החיים באזורים בעולם (אדום) בהם המלריה היא אנדמית. (ellepigrafica) לאחר מכן קבענו כי גילו של האב הקדמון המשותף העתיק ביותר הוא בין 4, 600 ל -4, 725 שנים והוא עלה בדרום מערב אירופה, ככל הנראה ביישובים לאורך האוקיאנוס האטלנטי ואולי באזור צרפת או פורטוגל. אנו מאמינים כי המוטציה התפשטה משם במהירות לבריטניה ואירלנד, ובהמשך לאוכלוסיות מרכז ודרום-מזרח אירופה כמו יוון, שם הוצג F508del רק לפני כאלף שנה.
מי הפיץ את המוטציה של ה- CF בכל אירופה?
לפיכך, הנתונים שפורסמו לאחרונה מעלים כי המוטציה F508del התעוררה בתקופת הברונזה הקדומה והתפשטה ממערב לדרום-מזרח אירופה במהלך הגירות קדומות.
יתר על כן, אם לוקחים בחשבון את התיעוד הארכיאולוגי, התוצאות שלנו מאפשרות לנו להציג מושג חדש על ידי ההצעה שאוכלוסייה המכונה "פול ביקר" הייתה האוכלוסייה הנודדת הסבירה האחראית להפצה מוקדמת של F508del באירופה הפרהיסטורית. הם הופיעו במעבר מהתקופה הניאוליתית המאוחרת, בערך 4000 לפני הספירה, לתקופת הברונזה הקדומה במהלך האלף השלישי לפני הספירה אי שם במערב אירופה. הם נבדלו על ידי כוסות הקרמיקה שלהם, נחושת חלוצית ומתכת ברונזה מצפון להרי האלפים וניידות רבה. למעשה, כל המחקרים מראים שהם עברו הגירה כבדה ונסעו בכל מערב אירופה.
הפצת אתרי Bell Beaker ברחבי אירופה. (DieKraft באמצעות Wikimedia Commons) במשך כאלף שנים, רשת של משפחות קטנות ו / או שבטי עילית, הפיצה את תרבותם ממערב למזרח לאזורים המתכתבים מקרוב עם האיחוד האירופי של ימינו, שם נמצא השכיחות הגבוהה ביותר של CF. הגירתם קשורה להופעת המתכות של מערב אירופה ומרכז אירופה, שכן הם ייצרו וסחרו במוצרי מתכת, בעיקר כלי נשק, תוך כדי נסיעה למרחקים ארוכים. משערים גם כי מסעותיהם הונעו על ידי הקמת רשתות נישואין. הרלוונטית ביותר למחקר שלנו היא עדות לכך שהם נדדו לכיוון ובתקופת זמן שתואמים את התוצאות שלנו. נתונים גנומיים אחרונים מראים כי הגירה והעברה תרבותית מילאו תפקיד מרכזי בהפצת "מתחם הכוס" והביאו ל"טרנספורמציה דמוגרפית עמוקה "של בריטניה ובמקומות אחרים לאחר 2400 לפני הספירה.
לקבוע מתי F508del הוצג לראשונה באירופה ולגלות היכן הוא קם צריך לספק תובנות חדשות לגבי השכיחות הגבוהה של נשאים - והאם המוטציה מקנה יתרון אבולוציוני. למשל, אירופאים מתקופת הברונזה, בעודם נודדים בהרחבה, נחסכו ככל הנראה מחשיפה למחלות זיהומיות או מגיפות אנדמיות; לפיכך, הגנה מפני מחלה זיהומית, כמו במוטציה של תאי המגל, באמצעות מוטציה גנטית זו נראית בלתי סבירה.
ככל שמידע נוסף על אנשים מתקופת הברונזה ועל נוהליהם במהלך הגירה מתפרסם באמצעות מחקר ארכיאולוגי וגנומיקה, ראוי שיהיו יותר רמזים לגבי גורמים סביבתיים שהעדיפו אנשים עם גרסא גנים זו. לאחר מכן, אנו עשויים להיות מסוגלים לענות על שאלות ממטופלים ומההורים מדוע יש להם מוטציה של CFTR במשפחתם ומה היתרון הזה מעניק.
דוגמאות לכלים וקרמיקה שנוצרו על ידי אנשי Beaker Beaker. (בנוצר: תומאס אילה באמצעות ויקיפדיה הגרמנית, CC BY-SA) מאמר זה פורסם במקור ב- The Conversation.
פיליפ פארל, פרופסור לרפואת ילדים ומדעי בריאות האוכלוסין, אוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון
