Stelt u zich de sensatie van ontdekking voor wanneer meer dan 10 jaar onderzoek naar de oorsprong van een veel voorkomende genetische ziekte, cystic fibrosis (CF), resulteert in het herleiden tot een groep afzonderlijke maar mysterieuze Europeanen die ongeveer 5000 jaar geleden leefden.
CF is de meest voorkomende, mogelijk dodelijke, erfelijke ziekte bij blanken - ongeveer een op de 40 draagt de zogenaamde F508del-mutatie. Gewoonlijk verspreiden alleen gunstige mutaties, die een overlevingsvoordeel bieden, zich wijd door een populatie.
CF belemmert de afgifte van spijsverteringsenzymen uit de alvleesklier, die ondervoeding veroorzaakt, longziekte veroorzaakt die uiteindelijk dodelijk is en hoge hoeveelheden zout in zweet produceert dat levensbedreigend kan zijn.
Afhankelijk van de mutatie die een patiënt draagt, kunnen ze enkele of alle symptomen van cystische fibrose ervaren. (Personeel van Blausen.com (2014), CC BY-SA) In de afgelopen jaren hebben wetenschappers veel aspecten van deze dodelijke longziekte onthuld die hebben geleid tot routinematige vroege diagnose bij gescreende baby's, betere behandelingen en een langer leven. Aan de andere kant heeft de wetenschappelijke gemeenschap niet kunnen achterhalen wanneer, waar en waarom de mutatie zo gewoon werd. Samenwerken met een buitengewoon team van Europese wetenschappers zoals David Barton in Ierland en Milaan Macek in Tsjechië, in het bijzonder een groep briljante genetici in Brest, Frankrijk onder leiding van Emmanuelle Génin en Claude Férec, geloven we dat we nu weten waar en wanneer de oorspronkelijke mutatie ontstond en waarin de oude stam van mensen.
We delen deze bevindingen in een artikel in het European Journal of Human Genetics dat het hoogtepunt vertegenwoordigt van 20 jaar werk waarbij negen landen betrokken waren.
Wat is cystische fibrose?
Mijn zoektocht om te bepalen hoe CF ontstond en waarom het zo vaak voorkwam, begon snel nadat wetenschappers het CFTR-gen ontdekten dat de ziekte veroorzaakte in 1989. De meest voorkomende mutatie van dat gen die de ziekte veroorzaakt, werd F508del genoemd. Twee exemplaren van de mutatie - de ene geërfd van de moeder en de andere van de vader - veroorzaakten de dodelijke ziekte. Maar het erven van slechts een enkele kopie veroorzaakte geen symptomen en maakte de persoon een 'drager'.
Ik was sinds 1977 aan de Universiteit van Wisconsin werkzaam als arts-wetenschapper en concentreerde me op de vroege diagnose van CF door middel van pasgeboren screening. Voorafgaand aan de ontdekking van het gen hebben we baby's met een hoog risico op CF geïdentificeerd met behulp van een bloedtest die het eiwitgehalte, immunoreactief trypsinogeen (IRT), gemeten. Hoge niveaus van IRT suggereerden dat de baby CF had. Toen ik hoorde over de ontdekking van genen, was ik ervan overtuigd dat dit een doorbraak zou betekenen voor zowel de ontwikkeling van screeningstests als epidemiologisch onderzoek.
Dat komt omdat we met het gen ouders een meer informatieve test kunnen aanbieden. We konden hen niet alleen vertellen of hun kind CF had, maar ook of ze twee kopieën van een CFTR-mutatie, die ziekte veroorzaakte, droegen, of slechts één kopie waardoor ze drager werden.
Ouders met één goede kopie van het CF-gen (R) en één slechte kopie van het gemuteerde CF-gen (r) worden dragers genoemd. Wanneer beide ouders een slechte kopie van het CF-gen naar hun nakomelingen overbrengen, lijdt het kind aan taaislijmziekte. Kinderen die slechts één slechte kopie erven, zullen dragers zijn zoals hun ouders en kunnen het gen op hun kinderen overdragen. (Cburnett, CC BY-SA) Je zou je kunnen afvragen wat het verband is tussen het bestuderen van CF-screening bij pasgeborenen en het leren over de oorsprong van de ziekte. Het antwoord ligt in de manier waarop ons onderzoeksteam in Wisconsin een biochemische screeningstest met behulp van de IRT-marker heeft omgezet in een tweelaagse methode genaamd IRT / DNA.
Omdat ongeveer 90 procent van de CF-patiënten in de VS en Europa ten minste één F508del-mutatie heeft, zijn we begonnen met het analyseren van pasgeboren bloed op de aanwezigheid ervan wanneer het IRT-niveau hoog was. Maar wanneer deze tweestaps IRT / DNA-screening wordt uitgevoerd, worden niet alleen patiënten met de ziekte gediagnosticeerd, maar worden ook tienvoudig meer zuigelingen geïdentificeerd die genetische dragers van de ziekte zijn.
Omdat vooroordelen, prenatale en neonatale screening op CF de afgelopen twee decennia zijn toegenomen, hebben de vele duizenden personen die ontdekten dat ze F508del-dragers waren en hun bezorgde ouders vaak vragen gesteld over de oorsprong en het belang van het dragen van deze mutatie zelf of in hun kinderen. Zouden ze lijden met één exemplaar? Was er een gezondheidsvoordeel? Het is frustrerend voor een kinderarts die gespecialiseerd is in CF om daar geen antwoord op te hebben.
De uitdaging om de oorsprong van de CF-mutatie te achterhalen
Ik wilde nul bereiken toen deze genetische mutatie voor het eerst begon te verschijnen. Door deze periode vast te stellen, zouden we kunnen begrijpen hoe het zou zijn geëvolueerd om een voordeel te bieden - althans in eerste instantie - aan die mensen in Europa die het hadden. Om mijn onderzoek uit te breiden, besloot ik een sabbatical te volgen en te trainen in epidemiologie terwijl ik in 1993 cursussen volgde aan de London School of Hygiene and Tropical Medicine.
De timing was perfect omdat het veld van het oude DNA-onderzoek begon te bloeien. Nieuwe doorbraaktechnieken zoals de Polymerase Chain Reaction maakten het mogelijk om het DNA van mummies en andere menselijke archeologische specimens van prehistorische begrafenissen te bestuderen. Vroege studies werden bijvoorbeeld uitgevoerd op het DNA van de 5000-jarige Tiroolse Iceman, die later bekend werd als Ötzi.
Een typische prehistorische begrafenis in een gehurkte foetushouding. (Philip Farrell, CC BY-SA) Ik besloot dat we misschien de oorsprong van CF zouden kunnen ontdekken door het DNA te analyseren in de tanden van mensen uit de ijzertijd die begraven zijn tussen 700-100 voor Christus op begraafplaatsen in heel Europa.
Met behulp van deze strategie werkte ik samen met archeologen en antropologen zoals Maria Teschler-Nicola in het Natural History Museum in Wenen, die toegang gaven tot 32 skeletten begraven rond 350 voor Christus nabij Wenen. Genetici in Frankrijk verzamelden DNA van de oude kiezen en analyseerden het DNA. Tot onze verbazing ontdekten we de aanwezigheid van de F508del-mutatie in DNA van drie van 32 skeletten.
Deze ontdekking van F508del in Midden-Europese ijzertijdbegraafplaatsen daterend uit 350 v.Chr. Suggereerde ons dat de oorspronkelijke CF-mutatie mogelijk eerder is ontstaan. Maar het verkrijgen van bronstijd- en neolithische exemplaren voor dergelijke directe studies bleek moeilijk omdat minder begrafenissen beschikbaar zijn, skeletten niet zo goed bewaard zijn gebleven en elke begraafplaats slechts een stam of dorp vertegenwoordigt. Dus in plaats van afhankelijk te zijn van oud DNA, hebben we onze strategie verschoven om de genen van moderne mensen te onderzoeken om erachter te komen wanneer deze mutatie voor het eerst ontstond.
Waarom zou een schadelijke mutatie zich verspreiden?
Om de oorsprong van CF bij moderne patiënten te achterhalen, wisten we dat we meer moesten leren over de kenmerkende mutatie - F508del - bij mensen die drager zijn of de ziekte hebben.
Deze kleine mutatie veroorzaakt verlies van één aminozuur uit de keten van 1.480 aminozuren en verandert de vorm van een eiwit op het oppervlak van de cel dat chloride in en uit de cel beweegt. Wanneer dit eiwit is gemuteerd, worden mensen die er twee exemplaren van hebben - een van de moeder en een van de vader - geplaagd door dik plakkerig slijm in hun longen, alvleesklier en andere organen. Het slijm in hun longen laat bacteriën gedijen, waardoor het weefsel wordt vernietigd en uiteindelijk de longen falen. In de alvleesklier voorkomen de dikke afscheidingen dat de klier de enzymen afgeeft die het lichaam nodig heeft om voedsel te verteren.
Dus waarom zou zo'n schadelijke mutatie van generatie op generatie blijven worden overgedragen?
Het Natural History Museum in Wenen, Oostenrijk, herbergt een grote verzameling skeletten uit de ijzertijd en de bronstijd die zijn samengesteld door Dr. Maria Teschler-Nicola. Deze collecties waren de bron van tanden en botten voor onderzoek naar oud DNA en studies naar 'De oude oorsprong van cystische fibrose'. (Philip Farrell, CC BY-ND) Een mutatie zo schadelijk als F508del zou nooit hebben overleefd onder mensen met twee kopieën van het gemuteerde CFTR-gen omdat ze waarschijnlijk snel na de geboorte stierven. Aan de andere kant kunnen degenen met één mutatie een overlevingsvoordeel hebben, zoals voorspeld in Darwins 'survival of the fittest'-theorie.
Misschien is het beste voorbeeld van een mutatie die de overleving bevordert onder stressvolle omgevingscondities te vinden in Afrika, waar dodelijke malaria al eeuwen endemisch is. De parasiet die malaria veroorzaakt, infecteert de rode bloedcellen waarin het belangrijkste bestanddeel het zuurstofdragende eiwit hemoglobine is. Personen die het normale hemoglobinegen dragen, zijn kwetsbaar voor deze door muggen overgedragen ziekte. Maar degenen die drager zijn van het gemuteerde "hemoglobine S" -gen, met slechts één exemplaar, zijn beschermd tegen ernstige malaria. Twee exemplaren van het hemoglobine-gen veroorzaken echter sikkelcelziekte, die fataal kan zijn.
Hier is een duidelijk voordeel van het dragen van één mutant gen - in feite draagt ongeveer één op de 10 Afrikanen een enkele kopie. Al vele eeuwen bevordert een omgevingsfactor het voortbestaan van individuen die een enkel exemplaar van de sikkel-hemoglobinemutatie dragen.
Personen die twee kopieën van het sikkelcelgen dragen, lijden aan sikkelcelanemie, waarbij de bloedcellen stijve sikkelvormen worden en vast komen te zitten in de bloedvaten, wat pijn veroorzaakt. Normale rode bloedcellen zijn flexibele schijven die gemakkelijk door vaten glijden. (Designua / Shutterstock.com) Op dezelfde manier vroegen we ons af of het een voordeel voor de gezondheid was om een enkele kopie van deze specifieke CF-mutatie mee te nemen tijdens blootstellingen aan omgevingsstress. Misschien redeneerden we, daarom was de F508del-mutatie gebruikelijk bij blanke Europeanen en van Europa afkomstige populaties.
Aanwijzingen uit modern DNA
Om het voordeel van het overdragen van een enkel gemuteerd F508del-gen van generatie op generatie te achterhalen, moesten we eerst bepalen wanneer en waar de mutatie ontstond, zodat we het voordeel konden ontdekken dat deze mutatie opleverde.
We hebben DNA-monsters verkregen van 190 CF-patiënten met F508del en hun ouders die woonden in geografisch verschillende Europese populaties van Ierland tot Griekenland plus een van Duitsland afkomstige populatie in de VS. We identificeerden vervolgens een verzameling genetische markers - in wezen sequenties van DNA - binnen het CF-gen en flankerende locaties op het chromosoom. Door te identificeren wanneer deze mutaties in de bestudeerde populaties naar voren kwamen, konden we de leeftijd van de meest recente gemeenschappelijke voorouder schatten.
Vervolgens hebben we door middel van rigoureuze computeranalyses de leeftijd van de CF-mutatie geschat in elke populatie die in de verschillende landen woont.
Twee exemplaren van het sikkelcelgen veroorzaken de ziekte. Maar het dragen van één exemplaar vermindert het risico op malaria. Het gen is wijdverbreid onder mensen die in regio's van de wereld wonen (rood) waar malaria endemisch is. (ellepigrafica) We hebben vervolgens vastgesteld dat de leeftijd van de oudste gemeenschappelijke voorouder tussen 4.600 en 4.725 jaar ligt en is ontstaan in het zuidwesten van Europa, waarschijnlijk in nederzettingen langs de Atlantische Oceaan en misschien in de regio Frankrijk of Portugal. Wij geloven dat de mutatie zich snel van daaruit heeft verspreid naar Groot-Brittannië en Ierland, en vervolgens later naar Midden- en Zuidoost-Europese populaties zoals Griekenland, waar F508del slechts ongeveer 1.000 jaar geleden werd geïntroduceerd.
Wie verspreidde de CF-mutatie door heel Europa?
Onze recent gepubliceerde gegevens suggereren dus dat de F508del-mutatie ontstond in de vroege bronstijd en zich tijdens oude migraties van West- naar Zuidoost-Europa verspreidde.
Bovendien, rekening houdend met het archeologische dossier, stellen onze resultaten ons in staat om een nieuw concept te introduceren door te suggereren dat een populatie bekend als de Bell Beaker-folk de waarschijnlijke migrerende populatie was die verantwoordelijk was voor de vroege verspreiding van F508del in het prehistorische Europa. Ze verschenen tijdens de overgang van de late neolithische periode, rond 4000 voor Christus, naar de vroege bronstijd tijdens het derde millennium voor Christus ergens in West-Europa. Ze werden gekenmerkt door hun keramische bekers, baanbrekende koper- en bronzen metallurgie ten noorden van de Alpen en grote mobiliteit. Alle studies tonen in feite aan dat ze bezig waren met zware migratie, die door heel West-Europa reisden.
Distributie van Bell Beaker-sites in heel Europa. (DieKraft via Wikimedia Commons) Meer dan 1000 jaar verspreidde een netwerk van kleine gezinnen en / of elite-stammen hun cultuur van west naar oost in regio's die nauw overeenkomen met de huidige Europese Unie, waar de hoogste incidentie van CF wordt gevonden. Hun migraties houden verband met de komst van de West- en Midden-Europese metallurgie, terwijl ze metalen goederen, met name wapens, produceerden en verhandelden tijdens het reizen over lange afstanden. Er wordt ook gespeculeerd dat hun reizen werden gemotiveerd door het opzetten van huwelijksnetwerken. Het meest relevant voor ons onderzoek is het bewijs dat ze in een richting en over een tijdsperiode zijn gemigreerd die goed aansluiten bij onze resultaten. Recente genomische gegevens suggereren dat zowel migratie als culturele overdracht een belangrijke rol hebben gespeeld in de verspreiding van het "Beaker Complex" en hebben geleid tot een "diepgaande demografische transformatie" van Groot-Brittannië en elders na 2400 voor Christus
Bepalen wanneer F508del voor het eerst in Europa werd geïntroduceerd en ontdekken waar het is ontstaan, moeten nieuwe inzichten opleveren over de hoge prevalentie van dragers - en of de mutatie een evolutionair voordeel oplevert. Europeanen uit de bronstijd bijvoorbeeld, terwijl ze uitgebreid migreerden, bleken blijkbaar gespaard te blijven van blootstelling aan endemische infectieziekten of epidemieën; dus bescherming tegen een besmettelijke ziekte, zoals in de sikkelcelmutatie, door deze genetische mutatie lijkt onwaarschijnlijk.
Naarmate meer informatie over mensen uit de bronstijd en hun praktijken tijdens migratie beschikbaar komt door archeologisch en genomicsonderzoek, zouden er meer aanwijzingen moeten komen over omgevingsfactoren die mensen begunstigden die deze genvariant hadden. Dan kunnen we mogelijk vragen van patiënten en ouders beantwoorden over waarom ze een CFTR-mutatie in hun familie hebben en welk voordeel dit oplevert.
Voorbeelden van gereedschappen en keramiek gemaakt door de mensen van Bell Beaker. (Benutzer: Thomas Ihle via Duitse Wikipedia, CC BY-SA) Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation.
Philip Farrell, hoogleraar kindergeneeskunde en populatiegezondheidswetenschappen, Universiteit van Wisconsin-Madison
