Как «черная смерть» оставила свой генетический след в будущих поколениях

Многие европейцы являются носителями генетических мутаций, которые защитили их предков от бубонной чумы, сообщили ученые в среду в журнале Nature.

Новое исследование показало, что когда Черная смерть поразила Европу в 1348 году, бактериальная инфекция убила большое количество людей по всему континенту, вызвав самый сильный импульс естественного отбора, когда-либо наблюдавшийся у людей.

Выяснилось, что определенные генетические варианты значительно повышали шансы людей пережить чуму. Но за эту защиту приходится платить: люди, унаследовавшие устойчивые к чуме мутации, подвергаются более высокому риску иммунных нарушений, таких как болезнь Крона.

«Это неприятные побочные эффекты длительного отбора для защиты», — сказал Хендрик Пойнар, генетик из Университета Макмастера в Канаде и автор нового исследования.

Бубонная чума вызывается Yersinia pestis, разновидностью бактерий, распространяемых блохами. Хотя чума заражала людей на протяжении тысячелетий, она поразила средневековую Европу с невероятной свирепостью, что заставило ученых задаться вопросом, изменила ли Черная смерть генетический состав Европы.

«Мы ожидаем увидеть серьезный сдвиг», — сказал доктор Пойнар.

Эта идея имеет основной эволюционный смысл: когда многие организмы вымирают, выжившие передадут мутации, которые защитили их от смерти. Например, во время промышленной революции пестрые мотыльки сменили светлую крапчатую окраску на темную. Это изменение было вызвано угольным дымом, который почернел на деревьях, где отдыхали мотыльки. Темные мотыльки лучше прятались от птиц и выжили, чтобы передать свои гены.

Когда разразилась Черная смерть, не было биологов-эволюционистов, которые могли бы задокументировать ее воздействие. В 1990-х годах некоторые ученые искали подсказки, изучая ДНК живых европейцев. Мутация в одном гене, называемом CCR5, присутствует у 10 процентов европейцев, но редко встречается среди других людей. В 1998 году исследователи предположили, что этот ген мог обеспечить защиту во время Черной смерти.

Но более поздние исследования показали, что невозможно исключить распространение мутации CCR5 в ответ на другое заболевание в другое время в истории. «Это то, о чем многие говорят, но очень трудно продемонстрировать», — сказал Луис Баррейро, популяционный генетик из Чикагского университета и автор нового исследования.

Вместо изучения живых людей д-р Баррейро, д-р Пойнар и их коллеги изучили ДНК людей, живших много веков назад, извлекая генетический материал из человеческих останков, захороненных на трех лондонских кладбищах. Они нашли фрагменты ДНК в 318 скелетах, живших между 1000 и 1500 годами. Среди останков 42 жертвы Черной смерти.

Сравнив кости до и после эпидемии чумы, ученые обнаружили поразительную разницу в ДНК: сотни мутаций в генах, отвечающих за иммунитет, стали более распространенными после эпидемии.

Этот сдвиг сам по себе не был доказательством того, что мутации давали какое-то эволюционное преимущество. Биологи давно знают, что мутации могут стать более распространенными в популяции благодаря превратностям истории — процесс, называемый генетическим дрейфом.

Может быть сложно определить, возникла ли обычная мутация из-за генетического дрейфа или естественного отбора. Одним из способов определить разницу является скорость: в экстремальных условиях естественный отбор может заставить мутацию распространяться гораздо быстрее, чем генетический дрейф.

Чтобы сравнить естественный отбор и генетический дрейф, доктор Беррейро и его коллеги снова обратились к ДНК лондонцев. Они воспользовались тем фактом, что большие участки нашей ДНК не содержат работающих генов. Мутации, поражающие эти участки, вряд ли причинят какой-либо вред. Они также вряд ли принесут какую-либо пользу. Они распространяются только благодаря генетическому дрейфу.

Доктор Баррейро и его коллеги обнаружили, что некоторые из этих нейтральных мутаций стали более распространенными после Черной смерти. Но 35 мутаций в иммунных генах распространяются гораздо быстрее, чем нейтральные, — настолько быстро, что только естественный отбор может объяснить их успех.

Полученные данные свидетельствуют о том, что пандемии могли повлиять на восприимчивость к болезням, и предполагают, что они могут продолжать делать это в будущем.

Полученные данные свидетельствуют о том, что пандемии могли повлиять на восприимчивость к болезням, и предполагают, что они могут продолжать делать это в будущем. Кредит... Музей лондонской археологии

Исследователи из Университета Макмастера извлекли ДНК из фрагментов костей, датируемых столетиями, чтобы найти гены, обеспечивающие защиту от Черной смерти.

Для другого теста ученые повторили свой эксперимент, на этот раз в Дании.

Они обнаружили ДНК в скелетах 198 датчан, живших между 850 и 1800 годами. Они обнаружили, что мутации в иммунных генах также быстро распространились в Дании после Черной смерти. Когда ученые сопоставили мутации из образцов Лондона и Дании, они обнаружили четыре, которые распространились в обеих популяциях. Эти четыре мутации так быстро распространились в Лондоне и Дании, что, должно быть, обеспечили впечатляющую защиту от чумы.

Исследователи обнаружили, что носительство двух защитных версий гена под названием ERAP2, например, увеличивает вероятность того, что люди переживут Черную смерть, на 40 процентов — самое большое эволюционное преимущество, когда-либо обнаруженное у людей, сказал доктор Баррейро.

«Это действительно шокирует», — сказал Дэвид Энард, биолог-эволюционист из Университета Аризоны, который не участвовал в новом исследовании.

Доктор Энард сказал, что исследование было особенно убедительным благодаря тому, что ученые исключили генетический дрейф. «То, что действительно придает этому исследованию силу, связано со всем этим подходом к разработке тщательных сравнений», — сказал он.

ERAP2 вырабатывает белок, участвующий в иммунном ответе на вторжение бактерий и вирусов. Когда иммунная клетка поглощает патоген, она представляет белки захватчика на своей поверхности. Они служат сигналом тревоги для остальной части иммунной системы. Задача ERAP2 — отрезать кусочки чужеродных белков, чтобы подготовить их к показу.

Миллиарды людей имеют вариант гена ERAP2 с мутацией, из-за которой клетки не могут производить его белок. Но люди с этой версией гена не получают серьезного вреда. Скорее всего, это связано с тем, что у людей есть много других генов, которые помогают представлять чужеродные белки иммунной системе.

Доктор Баррейро и его коллеги обнаружили, что во время Черной смерти естественный отбор благоприятствовал рабочей версии ERAP2. Чтобы лучше понять, почему, они смешали бактерии Yersinia с иммунными клетками людей с обеими версиями гена.

Исследователи обнаружили, что две рабочие копии ERAP2 позволили иммунным клеткам уничтожить бактерии. Без него клетки работали значительно хуже.

Но эта версия гена также увеличивает риск болезни Крона, расстройства, при котором иммунная система атакует дружественные бактерии в кишечнике и вызывает разрушительное воспаление. Доктор Беррейро сказал, что, возможно, ERAP2 слишком хорошо справляется со своей задачей, поднимая тревогу как против друзей, так и против врагов. Другие мутации, которые он и его коллеги обнаружили в древней ДНК, также связаны с иммунными нарушениями.

Доктор Беррейро и его коллеги продолжают изучать гены, которым эволюция способствовала во время Черной смерти, не только для того, чтобы понять эту главу в истории, но и для того, чтобы понять сами гены. Тот факт, что они прошли такой сильный естественный отбор, скорее всего, означает, что они важны в борьбе с болезнями — и, возможно, не только с чумой.

«Это было важно в прошлом и, скорее всего, будет важно сегодня», — сказал доктор Беррейро.

Источник

Картинки с Яндекс картинки