Immagina l'emozione della scoperta quando più di 10 anni di ricerca sull'origine di una malattia genetica comune, la fibrosi cistica (CF), portano a rintracciarla a un gruppo di europei distinti ma misteriosi che visse circa 5.000 anni fa.
La CF è la malattia ereditaria più comune, potenzialmente letale, tra i caucasici: circa uno su 40 porta la cosiddetta mutazione F508del. In genere solo le mutazioni benefiche, che forniscono un vantaggio di sopravvivenza, si diffondono ampiamente in una popolazione.
La CF ostacola il rilascio di enzimi digestivi dal pancreas, che innesca la malnutrizione, causa malattie polmonari che sono infine fatali e produce alti livelli di sale nel sudore che può essere letale.
A seconda della mutazione che un paziente porta, possono manifestare alcuni o tutti i sintomi della fibrosi cistica. (Personale Blausen.com (2014), CC BY-SA) Negli ultimi anni, gli scienziati hanno rivelato molti aspetti di questa mortale malattia polmonare che hanno portato a una diagnosi precoce di routine nei bambini sottoposti a screening, a trattamenti migliori e vite più lunghe. D'altra parte, la comunità scientifica non è stata in grado di capire quando, dove e perché la mutazione è diventata così comune. Collaborando con un team straordinario di scienziati europei come David Barton in Irlanda e Milan Macek nella Repubblica ceca, in particolare un gruppo di genetisti geniali a Brest, in Francia, guidati da Emmanuelle Génin e Claude Férec, crediamo che ora sappiamo dove e quando la mutazione originale sorse e in cui antica tribù di persone.
Condividiamo questi risultati in un articolo sull'European Journal of Human Genetics che rappresenta il culmine di 20 anni di lavoro in nove paesi.
Cos'è la fibrosi cistica?
La mia ricerca per determinare come è nata la CF e perché è così comune è iniziata subito dopo che gli scienziati hanno scoperto il gene CFTR che causa la malattia nel 1989. La mutazione più comune di quel gene che causa la malattia è stata chiamata F508del. Due copie della mutazione, una ereditata dalla madre e l'altra dal padre, causarono la malattia letale. Ma ereditare una sola copia non ha causato sintomi e ha reso la persona un "corriere".
Sono stato impiegato presso l'Università del Wisconsin dal 1977 come medico-scienziato concentrandosi sulla diagnosi precoce della FC attraverso lo screening neonatale. Prima della scoperta del gene, abbiamo identificato i bambini ad alto rischio per CF utilizzando un esame del sangue che misurava i livelli di proteina chiamata tripsinogeno immunoreattivo (IRT). Alti livelli di IRT hanno suggerito che il bambino avesse la CF. Quando ho saputo della scoperta del gene, ero convinto che sarebbe stato un punto di svolta sia per lo sviluppo dei test di screening che per la ricerca epidemiologica.
Questo perché con il gene potremmo offrire ai genitori un test più informativo. Potremmo dire loro non solo se il loro bambino aveva la CF, ma anche se portavano due copie di una mutazione CFTR, che causava la malattia, o solo una copia che li rendeva portatori.
I genitori che trasportano una buona copia del gene CF (R) e una cattiva copia del gene CF mutato (r) sono chiamati portatori. Quando entrambi i genitori trasmettono una cattiva copia del gene CF alla loro prole, il bambino soffrirà di fibrosi cistica. I bambini che ereditano solo una cattiva copia saranno portatori come i loro genitori e possono trasmettere il gene ai loro figli. (Cburnett, CC BY-SA) Ci si potrebbe chiedere qual è la connessione tra lo studio dello screening neonatale della CF e l'apprendimento sull'origine della malattia. La risposta sta nel modo in cui il nostro team di ricerca nel Wisconsin ha trasformato un test di screening biochimico usando il marcatore IRT in un metodo a due livelli chiamato IRT / DNA.
Poiché circa il 90% dei pazienti con FC negli Stati Uniti e in Europa ha almeno una mutazione F508del, abbiamo iniziato ad analizzare il sangue del neonato per la sua presenza ogni volta che il livello di IRT era elevato. Ma quando viene eseguito questo screening IRT / DNA in due fasi, vengono identificati non solo i pazienti con malattia, ma anche dieci volte più bambini che sono portatori genetici della malattia.
Poiché lo screening preconcezionale, prenatale e neonatale per la FC è proliferato negli ultimi due decenni, le molte migliaia di individui che hanno scoperto di essere portatori di F508del ei loro genitori interessati hanno spesso sollevato domande sull'origine e sul significato di portare questa mutazione da soli o nella loro bambini. Soffrirebbero con una copia? C'è stato un beneficio per la salute? È stato frustrante per un pediatra specializzato in FC non avere una risposta per loro.
La sfida di trovare l'origine della mutazione CF
Volevo concentrarmi su quando questa mutazione genetica iniziò ad apparire. Individuare questo periodo ci permetterebbe di capire come avrebbe potuto evolversi per fornire un beneficio - almeno inizialmente - a quelle persone in Europa che lo avevano. Per ampliare le mie ricerche, ho deciso di prendere un anno sabbatico e di allenarmi in epidemiologia durante i corsi nel 1993 presso la London School of Hygiene and Tropical Medicine.
Il tempismo era perfetto perché il campo della ricerca sul DNA antico stava iniziando a fiorire. Nuove tecniche rivoluzionarie come la reazione a catena della polimerasi hanno permesso di studiare il DNA di mummie e altri campioni archeologici umani da sepolture preistoriche. Ad esempio, sono stati condotti studi iniziali sul DNA del pupazzo di ghiaccio tirolese di 5.000 anni, che in seguito divenne noto come Ötzi.
Una tipica sepoltura preistorica in posizione fetale accovacciata. (Philip Farrell, CC BY-SA) Ho deciso che potremmo essere in grado di scoprire l'origine della CF analizzando il DNA nei denti delle persone dell'età del ferro sepolte tra il 700-100 a.C. nei cimiteri di tutta Europa.
Usando questa strategia, ho collaborato con archeologi e antropologi come Maria Teschler-Nicola al Museo di storia naturale di Vienna, che hanno fornito l'accesso a 32 scheletri sepolti intorno al 350 aC vicino a Vienna. I genetisti in Francia hanno raccolto il DNA dagli antichi molari e hanno analizzato il DNA. Con nostra sorpresa, abbiamo scoperto la presenza della mutazione F508del nel DNA di tre scheletri su 32.
Questa scoperta di F508del nelle sepolture dell'età del ferro dell'Europa centrale datata al radiocarbonio al 350 a.C. ci ha suggerito che la mutazione originale della CF potrebbe essere sorta prima. Ma ottenere esemplari dell'Età del Bronzo e del Neolitico per tali studi diretti si è rivelato difficile perché sono disponibili meno sepolture, gli scheletri non sono così ben conservati e ogni cimitero rappresenta semplicemente una tribù o un villaggio. Quindi, piuttosto che dipendere dal DNA antico, abbiamo spostato la nostra strategia per esaminare i geni degli umani moderni per capire quando è nata questa mutazione.
Perché dovrebbe diffondersi una mutazione dannosa?
Per trovare l'origine della FC nei pazienti moderni, sapevamo che dovevamo saperne di più sulla mutazione della firma - F508del - nelle persone che sono portatrici o che hanno la malattia.
Questa piccola mutazione provoca la perdita di un amminoacido dalla catena di 1.480 amminoacidi e cambia la forma di una proteina sulla superficie della cellula che sposta il cloruro dentro e fuori la cellula. Quando questa proteina è mutata, le persone che ne trasportano due copie - una della madre e una del padre - sono afflitte da muco denso e appiccicoso nei polmoni, nel pancreas e in altri organi. Il muco nei loro polmoni consente ai batteri di prosperare, distruggendo il tessuto e infine causando il fallimento dei polmoni. Nel pancreas, le spesse secrezioni impediscono alla ghiandola di rilasciare gli enzimi di cui il corpo ha bisogno per digerire il cibo.
Quindi perché una mutazione così dannosa dovrebbe essere trasmessa di generazione in generazione?
Il Museo di storia naturale di Vienna, in Austria, ospita una vasta collezione di scheletri dell'età del ferro e dell'età del bronzo, a cura della dott.ssa Maria Teschler-Nicola. Queste raccolte furono la fonte di denti e ossa per lo studio del DNA antico e studi su "L'antica origine della fibrosi cistica". (Philip Farrell, CC BY-ND) Una mutazione dannosa come F508del non sarebbe mai sopravvissuta tra le persone con due copie del gene mutato CFTR perché probabilmente sono morte subito dopo la nascita. D'altra parte, quelli con una mutazione possono avere un vantaggio in termini di sopravvivenza, come previsto nella teoria della "sopravvivenza del più adatto" di Darwin.
Forse il miglior esempio di mutazione che favorisce la sopravvivenza in condizioni ambientali stressanti può essere trovato in Africa, dove la malaria fatale è stata endemica per secoli. Il parassita che provoca la malaria infetta i globuli rossi in cui il costituente principale è l'emoglobina che trasporta ossigeno. Gli individui che portano il normale gene dell'emoglobina sono vulnerabili a questa malattia trasmessa dalle zanzare. Ma quelli che sono portatori del gene mutato dell'emoglobina S, con una sola copia, sono protetti dalla malaria grave. Tuttavia, due copie del gene dell'emoglobina S causano anemia falciforme, che può essere fatale.
Qui c'è un chiaro vantaggio nel portare un gene mutante - in effetti, circa uno su 10 africani porta una singola copia. Pertanto, per molti secoli un fattore ambientale ha favorito la sopravvivenza degli individui portatori di una singola copia della mutazione dell'emoglobina della falce.
Gli individui che portano due copie del gene della cellula falciforme soffrono di anemia falciforme, in cui le cellule del sangue diventano rigide falciformi e si bloccano nei vasi sanguigni, causando dolore. I globuli rossi normali sono dischi flessibili che scorrono facilmente attraverso i vasi. (Designua / Shutterstock.com) Allo stesso modo ci siamo chiesti se ci fosse un beneficio per la salute nel portare una singola copia di questa specifica mutazione CF durante le esposizioni a condizioni stressanti per l'ambiente. Forse, abbiamo ragionato, ecco perché la mutazione F508del era comune tra gli europei caucasici e le popolazioni di origine europea.
Indizi dal DNA moderno
Per capire il vantaggio di trasmettere un singolo gene F508del mutato di generazione in generazione, abbiamo prima dovuto determinare quando e dove si è verificata la mutazione in modo da poter scoprire il beneficio conferito da questa mutazione.
Abbiamo ottenuto campioni di DNA da 190 pazienti con CF affetti da F508del e dai loro genitori residenti in popolazioni europee geograficamente distinte dall'Irlanda alla Grecia più una popolazione di origine tedesca negli Stati Uniti. Abbiamo quindi identificato una raccolta di marcatori genetici - essenzialmente sequenze di DNA - all'interno del gene CF e posizioni fiancheggianti sul cromosoma. Identificando quando queste mutazioni sono emerse nelle popolazioni che abbiamo studiato, siamo stati in grado di stimare l'età dell'antenato comune più recente.
Successivamente, mediante rigorose analisi al computer, abbiamo stimato l'età della mutazione CF in ciascuna popolazione residente nei vari paesi.
Due copie del gene falciforme causano la malattia. Ma portare una copia riduce il rischio di malaria. Il gene è diffuso tra le persone che vivono in regioni del mondo (rosse) dove la malaria è endemica. (ellepigrafica) Abbiamo quindi stabilito che l'età del più antico antenato comune è compresa tra 4.600 e 4.725 anni e sorse nell'Europa sud-occidentale, probabilmente negli insediamenti lungo l'Oceano Atlantico e forse nella regione della Francia o del Portogallo. Riteniamo che la mutazione si sia diffusa rapidamente da lì alla Gran Bretagna e all'Irlanda, e successivamente alle popolazioni dell'Europa centrale e sud-orientale come la Grecia, dove F508del è stato introdotto solo circa 1.000 anni fa.
Chi ha diffuso la mutazione della CF in tutta Europa?
Pertanto, i nostri dati recentemente pubblicati suggeriscono che la mutazione F508del è nata all'inizio dell'età del bronzo e si è diffusa dall'Europa occidentale a sud-est durante le antiche migrazioni.
Inoltre, tenendo conto delle testimonianze archeologiche, i nostri risultati ci consentono di introdurre un nuovo concetto suggerendo che una popolazione nota come popolo Bell Beaker fosse la probabile popolazione migrante responsabile della diffusione precoce di F508del nell'Europa preistorica. Sono apparsi al passaggio dal tardo Neolitico, intorno al 4000 a.C., all'inizio del bronzo durante il terzo millennio a.C. in qualche parte dell'Europa occidentale. Si sono distinti per i loro bicchieri di ceramica, la pionieristica metallurgia del rame e del bronzo a nord delle Alpi e la grande mobilità. Tutti gli studi, infatti, mostrano che erano in forte migrazione, viaggiando in tutta l'Europa occidentale.
Distribuzione di siti Bell Beaker in tutta Europa. (DieKraft via Wikimedia Commons) Per circa 1.000 anni, una rete di piccole famiglie e / o tribù d'élite ha diffuso la propria cultura da ovest a est in regioni che corrispondono strettamente all'attuale Unione Europea, dove si riscontra la più alta incidenza di CF. Le loro migrazioni sono legate all'avvento della metallurgia dell'Europa occidentale e centrale, poiché producevano e commerciavano prodotti metallici, in particolare armi, viaggiando su lunghe distanze. Si ipotizza inoltre che i loro viaggi siano stati motivati dalla creazione di reti matrimoniali. Più rilevanti per il nostro studio sono le prove che sono emigrate in una direzione e per un periodo di tempo che si adattano bene ai nostri risultati. Recenti dati genomici suggeriscono che sia la migrazione che la trasmissione culturale hanno giocato un ruolo importante nella diffusione del "complesso di becher" e hanno portato a una "profonda trasformazione demografica" della Gran Bretagna e di altri paesi dopo il 2400 a.C.
Determinare quando F508del è stato introdotto per la prima volta in Europa e scoprire dove è nato dovrebbe fornire nuove intuizioni sull'elevata prevalenza dei portatori e se la mutazione conferisce un vantaggio evolutivo. Ad esempio, gli europei dell'Età del Bronzo, mentre migravano ampiamente, apparentemente furono risparmiati dall'esposizione a malattie infettive endemiche o epidemie; quindi, la protezione da una malattia infettiva, come nella mutazione della cellula falciforme, attraverso questa mutazione genetica sembra improbabile.
Man mano che ulteriori informazioni sulle persone dell'età del bronzo e le loro pratiche durante le migrazioni diventano disponibili attraverso la ricerca archeologica e genomica, dovrebbero emergere ulteriori indizi sui fattori ambientali che hanno favorito le persone che avevano questa variante genetica. Quindi, potremmo essere in grado di rispondere alle domande dei pazienti e dei genitori sul motivo per cui hanno una mutazione CFTR nella loro famiglia e sui vantaggi che questo comporta.
Esempi di strumenti e ceramiche creati dalle persone di Bell Beaker. (Benutzer: Thomas Ihle via Wikipedia in tedesco, CC BY-SA) Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation.
Philip Farrell, professore di pediatria e scienze della salute della popolazione, Università del Wisconsin-Madison
