Bayangkan serunya penemuan ketika lebih dari 10 tahun penelitian tentang asal-usul penyakit genetik yang umum, cystic fibrosis (CF), menghasilkan penelusurannya ke sekelompok orang Eropa yang berbeda tetapi misterius yang hidup sekitar 5.000 tahun yang lalu.
CF adalah penyakit yang paling umum, berpotensi mematikan, diturunkan di antara orang Kaukasia — sekitar satu dari 40 membawa mutasi F508del. Biasanya hanya mutasi yang menguntungkan, yang memberikan keuntungan bertahan hidup, yang tersebar luas melalui populasi.
CF menghambat pelepasan enzim pencernaan dari pankreas, yang memicu malnutrisi, menyebabkan penyakit paru-paru yang akhirnya berakibat fatal dan menghasilkan kadar garam yang tinggi dalam keringat yang dapat mengancam jiwa.
Bergantung pada mutasi yang diderita pasien, mereka mungkin mengalami beberapa atau semua gejala fibrosis kistik. (Staf Blausen.com (2014), CC BY-SA) Dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan telah mengungkapkan banyak aspek dari penyakit paru-paru yang mematikan ini yang telah mengarah pada diagnosis dini rutin pada bayi yang diskrining, perawatan yang lebih baik dan umur yang lebih panjang. Di sisi lain, komunitas ilmiah belum dapat mengetahui kapan, di mana dan mengapa mutasi menjadi begitu umum. Berkolaborasi dengan tim ilmuwan Eropa yang luar biasa seperti David Barton di Irlandia dan Milan Macek di Republik Ceko, khususnya sekelompok ahli genetika brilian di Brest, Prancis yang dipimpin oleh Emmanuelle Génin dan Claude Férec, kami percaya bahwa kami sekarang tahu di mana dan kapan mutasi asli muncul dan di mana suku kuno orang.
Kami berbagi temuan ini dalam sebuah artikel di European Journal of Human Genetics yang mewakili puncak kerja 20 tahun yang melibatkan sembilan negara.
Apa itu fibrosis kistik?
Pencarian saya untuk menentukan bagaimana CF muncul dan mengapa begitu umum dimulai segera setelah para ilmuwan menemukan gen CFTR yang menyebabkan penyakit pada tahun 1989. Mutasi paling umum dari gen yang menyebabkan penyakit itu disebut F508del. Dua salinan mutasi - satu diwarisi dari ibu dan yang lain dari ayah - menyebabkan penyakit mematikan. Tetapi, mewarisi hanya satu salinan tidak menimbulkan gejala, dan menjadikan orang tersebut sebagai "pembawa."
Saya telah bekerja di University of Wisconsin sejak 1977 sebagai dokter-ilmuwan yang berfokus pada diagnosis awal CF melalui skrining bayi baru lahir. Sebelum penemuan gen, kami mengidentifikasi bayi berisiko tinggi untuk CF menggunakan tes darah yang mengukur kadar protein yang disebut immunoreactive trypsinogen (IRT). Tingkat IRT yang tinggi menyarankan bayi memiliki CF. Ketika saya mengetahui tentang penemuan gen, saya yakin itu akan menjadi game-changer untuk pengembangan tes skrining dan penelitian epidemiologi.
Itu karena dengan gen kami dapat menawarkan kepada orang tua tes yang lebih informatif. Kami dapat memberi tahu mereka tidak hanya apakah anak mereka menderita CF, tetapi juga apakah mereka membawa dua salinan mutasi CFTR, yang menyebabkan penyakit, atau hanya satu salinan yang membuat mereka menjadi pembawa.
Orang tua yang membawa satu salinan gen CF (R) yang baik dan satu salinan gen CF yang bermutasi (r) yang buruk disebut pembawa. Ketika kedua orang tua mengirimkan salinan gen CF yang buruk kepada keturunannya, anak tersebut akan menderita fibrosis kistik. Anak-anak yang hanya mewarisi satu salinan buruk akan menjadi pembawa seperti orang tua mereka dan dapat mengirimkan gen ke anak-anak mereka. (Cburnett, CC BY-SA) Orang mungkin bertanya apa hubungan antara mempelajari skrining bayi baru lahir CF dan belajar tentang asal penyakit. Jawabannya terletak pada bagaimana tim peneliti kami di Wisconsin mengubah tes skrining biokimia menggunakan penanda IRT menjadi metode dua tingkat yang disebut IRT / DNA.
Karena sekitar 90 persen pasien CF di AS dan Eropa memiliki setidaknya satu mutasi F508del, kami mulai menganalisis darah bayi baru lahir untuk kehadirannya setiap kali tingkat IRT tinggi. Tetapi ketika skrining IRT / DNA dua langkah ini dilakukan, tidak hanya pasien dengan penyakit yang didiagnosis tetapi juga sepuluh kali lipat lebih banyak bayi yang merupakan pembawa genetik penyakit tersebut diidentifikasi.
Karena skrining pra-konsepsi, prenatal, dan neonatal untuk CF telah meningkat selama dua dekade terakhir, ribuan orang yang menemukan mereka adalah pembawa F508del dan orang tua mereka yang peduli sering mengajukan pertanyaan tentang asal-usul dan pentingnya membawa mutasi ini sendiri atau dalam diri mereka. anak-anak. Apakah mereka akan menderita dengan satu salinan? Apakah ada manfaat kesehatan? Sangat mengecewakan bagi seorang dokter anak yang memiliki spesialisasi dalam CF untuk tidak memiliki jawaban bagi mereka.
Tantangan menemukan asal mutasi CF
Saya ingin menunjukkan kapan mutasi genetik ini mulai muncul. Dengan menunjukkan dengan tepat periode ini akan memungkinkan kita untuk memahami bagaimana itu bisa berkembang untuk memberikan manfaat — setidaknya pada awalnya — kepada orang-orang di Eropa yang memilikinya. Untuk memperluas penelitian saya, saya memutuskan untuk mengambil cuti panjang dan melatih epidemiologi sambil mengambil kursus pada tahun 1993 di London School of Hygiene dan Tropical Medicine.
Waktunya sempurna karena bidang penelitian DNA purba mulai berkembang. Teknik terobosan baru seperti Reaksi Rantai Polimerase memungkinkan untuk mempelajari DNA mumi dan spesimen arkeologi manusia lainnya dari penguburan prasejarah. Misalnya, penelitian awal dilakukan pada DNA dari Tyrolean Iceman yang berusia 5.000 tahun, yang kemudian dikenal sebagai Ötzi.
Sebuah penguburan prasejarah yang khas dalam posisi janin berjongkok. (Philip Farrell, CC BY-SA) Saya memutuskan bahwa kami mungkin dapat menemukan asal usul CF dengan menganalisis DNA pada gigi orang Zaman Besi yang terkubur antara 700-100 SM di kuburan di seluruh Eropa.
Dengan menggunakan strategi ini, saya bekerja sama dengan arkeolog dan antropolog seperti Maria Teschler-Nicola di Museum Sejarah Alam di Wina, yang menyediakan akses ke 32 kerangka yang terkubur sekitar 350 SM di dekat Wina. Para ahli genetika di Prancis mengumpulkan DNA dari geraham kuno dan menganalisis DNA. Yang mengejutkan kami, kami menemukan adanya mutasi F508del dalam DNA dari tiga dari 32 kerangka.
Penemuan F508del di Eropa Tengah tentang pemakaman Zaman Besi radiokarbon-tanggal 350 SM menyarankan kepada kita bahwa mutasi CF asli mungkin telah muncul sebelumnya. Tetapi memperoleh Zaman Perunggu dan spesimen Neolitik untuk studi langsung semacam itu terbukti sulit karena lebih sedikit penguburan yang tersedia, kerangka tidak dilestarikan dengan baik dan setiap pemakaman hanya mewakili suku atau desa. Jadi, alih-alih bergantung pada DNA purba, kami menggeser strategi kami untuk memeriksa gen manusia modern untuk mencari tahu kapan mutasi ini pertama kali muncul.
Mengapa mutasi berbahaya menyebar?
Untuk menemukan asal CF pada pasien modern, kami tahu kami perlu belajar lebih banyak tentang mutasi tanda tangan — F508del — pada orang yang karier atau memiliki penyakit.
Mutasi kecil ini menyebabkan hilangnya satu asam amino dari rantai asam amino 1.480 dan mengubah bentuk protein pada permukaan sel yang memindahkan klorida masuk dan keluar dari sel. Ketika protein ini bermutasi, orang yang membawa dua salinannya — satu dari ibu dan satu dari ayah — diganggu dengan lendir lengket yang kental di paru-paru, pankreas, dan organ lainnya. Lendir di paru-paru mereka memungkinkan bakteri untuk berkembang, menghancurkan jaringan dan akhirnya menyebabkan paru-paru gagal. Di pankreas, sekresi kental mencegah kelenjar mengirim enzim yang dibutuhkan tubuh untuk mencerna makanan.
Jadi mengapa mutasi berbahaya seperti ini terus ditularkan dari generasi ke generasi?
Museum Sejarah Alam di Wina, Austria, memiliki banyak koleksi kerangka Zaman Besi dan Zaman Perunggu yang dikuratori oleh Dr. Maria Teschler-Nicola. Koleksi-koleksi ini adalah sumber gigi dan tulang untuk penyelidikan DNA purba dan studi tentang 'The Ancient Origin of Cystic Fibrosis.' (Philip Farrell, CC BY-ND) Mutasi yang sama berbahayanya dengan F508del tidak akan pernah bertahan di antara orang-orang dengan dua salinan gen CFTR bermutasi karena mereka kemungkinan meninggal segera setelah lahir. Di sisi lain, mereka yang memiliki satu mutasi mungkin memiliki keunggulan bertahan hidup, seperti yang diperkirakan dalam teori “survival of the fittest” Darwin.
Mungkin contoh terbaik dari mutasi yang mendukung kelangsungan hidup di bawah kondisi lingkungan yang penuh tekanan dapat ditemukan di Afrika, di mana malaria fatal telah menjadi endemik selama berabad-abad. Parasit yang menyebabkan malaria menginfeksi sel darah merah di mana unsur utamanya adalah hemoglobin protein pembawa oksigen. Orang yang membawa gen hemoglobin normal rentan terhadap penyakit yang ditularkan nyamuk ini. Tetapi mereka yang merupakan pembawa gen "hemoglobin S" bermutasi, dengan hanya satu salinan, dilindungi dari malaria berat. Namun dua salinan gen hemoglobin S menyebabkan penyakit sel sabit, yang bisa berakibat fatal.
Di sini ada keuntungan yang jelas untuk membawa satu gen mutan — pada kenyataannya, sekitar satu dari 10 orang Afrika membawa satu salinan. Dengan demikian, selama berabad-abad faktor lingkungan telah mendukung kelangsungan hidup individu yang membawa satu salinan mutasi hemoglobin sabit.
Individu yang membawa dua salinan gen sel sabit menderita anemia sel sabit, di mana sel-sel darah menjadi bentuk sabit kaku dan terjebak di pembuluh darah, menyebabkan rasa sakit. Sel darah merah normal adalah cakram fleksibel yang mudah meluncur melalui pembuluh darah. (Designua / Shutterstock.com) Demikian pula kami bertanya-tanya apakah ada manfaat kesehatan untuk membawa satu salinan mutasi CF spesifik ini selama paparan kondisi stres lingkungan. Mungkin, kami beralasan, itu sebabnya mutasi F508del adalah umum di antara orang Eropa Kaukasia dan yang berasal dari Eropa.
Petunjuk dari DNA modern
Untuk mengetahui keuntungan dari mentransmisikan gen F508del bermutasi tunggal dari generasi ke generasi, pertama-tama kita harus menentukan kapan dan di mana mutasi muncul sehingga kita dapat mengungkap manfaat yang diberikan mutasi ini.
Kami memperoleh sampel DNA dari 190 pasien CF yang mengandung F508del dan orang tua mereka yang berada dalam populasi Eropa yang berbeda secara geografis dari Irlandia hingga Yunani plus populasi yang berasal dari Jerman di AS. Kami kemudian mengidentifikasi kumpulan penanda genetik — pada dasarnya urutan DNA — di dalam gen CF dan mengapit lokasi pada kromosom. Dengan mengidentifikasi kapan mutasi ini muncul dalam populasi yang kami pelajari, kami dapat memperkirakan usia leluhur bersama terbaru.
Selanjutnya, dengan analisis komputer yang ketat, kami memperkirakan usia mutasi CF pada setiap populasi yang berada di berbagai negara.
Dua salinan gen sel sabit menyebabkan penyakit. Tetapi membawa satu salinan mengurangi risiko malaria. Gen ini tersebar luas di antara orang-orang yang tinggal di wilayah dunia (merah) di mana malaria adalah endemik. (ellepigrafica) Kami kemudian menentukan bahwa usia leluhur bersama tertua adalah antara 4.600 dan 4.725 tahun dan muncul di Eropa barat daya, mungkin di pemukiman di sepanjang Samudra Atlantik dan mungkin di wilayah Prancis atau Portugal. Kami percaya bahwa mutasi menyebar dengan cepat dari sana ke Inggris dan Irlandia, dan kemudian ke populasi Eropa tengah dan tenggara seperti Yunani, di mana F508del diperkenalkan hanya sekitar 1.000 tahun yang lalu.
Siapa yang menyebarkan mutasi CF di seluruh Eropa?
Dengan demikian, data kami yang baru diterbitkan menunjukkan bahwa mutasi F508del muncul pada Zaman Perunggu awal dan menyebar dari barat ke Eropa tenggara selama migrasi kuno.
Selain itu, dengan mempertimbangkan catatan arkeologis, hasil kami memungkinkan kami untuk memperkenalkan konsep baru dengan menyarankan bahwa populasi yang dikenal sebagai rakyat Bell Beaker adalah populasi migrasi yang mungkin bertanggung jawab atas penyebaran awal F508del di Eropa prasejarah. Mereka muncul pada transisi dari periode Neolitikum Akhir, sekitar 4000 SM, ke Zaman Perunggu Awal selama milenium ketiga SM di suatu tempat di Eropa Barat. Mereka dibedakan oleh gelas-gelas keramik mereka, perintis metalurgi tembaga dan perunggu di utara Pegunungan Alpen dan mobilitas yang hebat. Semua studi, pada kenyataannya, menunjukkan bahwa mereka berada dalam migrasi berat, bepergian ke seluruh Eropa Barat.
Distribusi situs Bell Beaker di seluruh Eropa. (DieKraft via Wikimedia Commons) Lebih dari 1.000 tahun, sebuah jaringan keluarga kecil dan / atau suku elit menyebarkan budaya mereka dari barat ke timur ke daerah-daerah yang berhubungan erat dengan Uni Eropa saat ini, di mana kejadian CF tertinggi ditemukan. Migrasi mereka terkait dengan munculnya metalurgi Eropa Barat dan Tengah, karena mereka memproduksi dan memperdagangkan barang-barang logam, terutama senjata, saat melakukan perjalanan jarak jauh. Juga berspekulasi bahwa perjalanan mereka termotivasi oleh membangun jaringan pernikahan. Yang paling relevan dengan penelitian kami adalah bukti bahwa mereka bermigrasi ke suatu arah dan selama periode waktu yang sesuai dengan hasil kami. Data genom terbaru menunjukkan bahwa migrasi dan transmisi budaya memainkan peran utama dalam difusi "Beaker Complex" dan menyebabkan "transformasi demografis yang mendalam" di Inggris dan di tempat lain setelah 2400 SM.
Menentukan kapan F508del pertama kali diperkenalkan di Eropa dan menemukan di mana ia muncul harus memberikan wawasan baru tentang prevalensi pembawa yang tinggi — dan apakah mutasi itu memberi keuntungan evolusioner. Misalnya, orang-orang Eropa Zaman Perunggu, ketika bermigrasi secara luas, tampaknya terhindar dari paparan penyakit menular endemik atau epidemi; dengan demikian, perlindungan dari penyakit menular, seperti pada mutasi sel sabit, melalui mutasi genetik ini tampaknya tidak mungkin.
Ketika lebih banyak informasi tentang orang-orang Zaman Perunggu dan praktik-praktik mereka selama migrasi tersedia melalui penelitian arkeologis dan genomik, lebih banyak petunjuk tentang faktor-faktor lingkungan yang disukai orang-orang yang memiliki varian gen ini harus muncul. Kemudian, kita mungkin dapat menjawab pertanyaan dari pasien dan orang tua tentang mengapa mereka memiliki mutasi CFTR dalam keluarga mereka dan apa keuntungan yang didapat dari ini.
Contoh alat dan keramik yang dibuat oleh orang-orang Bell Beaker. (Benutzer: Thomas Ihle via Wikipedia bahasa Jerman, CC BY-SA) Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation.
Philip Farrell, Profesor Ilmu Kesehatan Anak dan Populasi, Universitas Wisconsin-Madison
