प्राचीन यूरोप में सिस्टिक फाइब्रोसिस की उत्पत्ति को ट्रैक करना

एक सामान्य आनुवांशिक बीमारी, सिस्टिक फाइब्रोसिस (सीएफ) की उत्पत्ति पर 10 से अधिक वर्षों के शोध के दौरान खोज के रोमांच की कल्पना करें, इसका परिणाम लगभग 5000 साल पहले रहने वाले अलग-अलग लेकिन रहस्यमय यूरोपीय लोगों के समूह के रूप में हुआ।

काकेशियन के बीच सीएफ सबसे आम, संभावित घातक, विरासत में मिली बीमारी है - 40 में से एक तथाकथित F508del म्यूटेशन। आमतौर पर केवल लाभकारी उत्परिवर्तन, जो एक जीवित रहने का लाभ प्रदान करते हैं, एक आबादी के माध्यम से व्यापक रूप से फैलते हैं।

सीएफ अग्न्याशय से पाचन एंजाइमों की रिहाई में बाधा डालता है, जो कुपोषण को ट्रिगर करता है, फेफड़ों की बीमारी का कारण बनता है जो अंततः घातक है और पसीने में उच्च स्तर का नमक पैदा करता है जो जीवन के लिए खतरा हो सकता है।

उत्परिवर्तन के आधार पर एक रोगी वहन करता है, वे सिस्टिक फाइब्रोसिस के कुछ या सभी लक्षणों का अनुभव कर सकते हैं। (Blausen.com स्टाफ (2014), CC BY-SA)

हाल के वर्षों में, वैज्ञानिकों ने इस घातक फेफड़ों की बीमारी के कई पहलुओं का खुलासा किया है, जिसके कारण नियमित रूप से जांच की गई शिशुओं में नियमित निदान, बेहतर उपचार और लंबे जीवन की संभावना है। दूसरी ओर, वैज्ञानिक समुदाय यह पता लगाने में सक्षम नहीं है कि उत्परिवर्तन कब, कहां और क्यों हुआ। यूरोपीय वैज्ञानिकों की एक असाधारण टीम के साथ सहयोग करना, जैसे कि आयरलैंड में डेविड बार्टन और चेक गणराज्य में मिलान मेस्क, विशेष रूप से ब्रेस्ट में फ्रांस के प्रतिभाशाली आनुवंशिकीविदों का एक समूह, इमैनुएल गेनिन और क्लाउड फेरेक के नेतृत्व में, हम मानते हैं कि अब हम जानते हैं कि कब और कहाँ। मूल उत्परिवर्तन उत्पन्न हुआ और जिसमें लोगों की प्राचीन जनजाति थी।

हम यूरोपीय जर्नल ऑफ ह्यूमन जेनेटिक्स के एक लेख में इन निष्कर्षों को साझा करते हैं जो नौ देशों से जुड़े 20 साल के काम की परिणति का प्रतिनिधित्व करता है।

सिस्टिक फाइब्रोसिस क्या है?

यह निर्धारित करने के लिए मेरी खोज है कि सीएफ कैसे उत्पन्न हुआ और क्यों यह बहुत जल्द ही शुरू हुआ क्योंकि वैज्ञानिकों ने 1989 में सीएफटीआर जीन के कारण बीमारी की खोज की। उस जीन का सबसे आम उत्परिवर्तन जो रोग का कारण बनता है, उसे F508del कहा जाता था। उत्परिवर्तन की दो प्रतियां- एक मां से विरासत में मिली और दूसरी पिता से - घातक बीमारी के कारण। लेकिन, सिर्फ एक प्रति को विरासत में लेने से कोई लक्षण नहीं हुआ, और व्यक्ति को "वाहक" बना दिया।

मुझे 1977 से विस्कॉन्सिन विश्वविद्यालय में एक चिकित्सक-वैज्ञानिक के रूप में नियुक्त किया गया था, जो नवजात स्क्रीनिंग के माध्यम से CF के प्रारंभिक निदान पर ध्यान केंद्रित कर रहा था। जीन की खोज से पहले, हमने एक रक्त परीक्षण का उपयोग करके सीएफ के लिए उच्च जोखिम वाले शिशुओं की पहचान की जो प्रोटीन के स्तर को मापते हैं जिन्हें इम्यूनोएक्टिव ट्रिप्सिनोजेन (आईआरटी) कहा जाता है। आईआरटी के उच्च स्तर ने सुझाव दिया कि बच्चे को सीएफ था। जब मुझे जीन की खोज के बारे में पता चला, तो मुझे विश्वास हो गया कि यह स्क्रीनिंग टेस्ट के विकास और महामारी विज्ञान अनुसंधान दोनों के लिए एक गेम-चेंजर होगा।

ऐसा इसलिए है क्योंकि जीन के साथ हम माता-पिता को अधिक जानकारीपूर्ण परीक्षा दे सकते हैं। हम उन्हें न केवल यह बता सकते हैं कि उनके बच्चे में सीएफ था, बल्कि यह भी कि क्या उन्होंने सीएफटीआर म्यूटेशन की दो प्रतियां लीं, जिससे बीमारी हुई, या सिर्फ एक कॉपी ने उन्हें वाहक बना दिया।

सीएफ जीन (आर) की एक अच्छी प्रतिलिपि और उत्परिवर्तित सीएफ जीन (आर) की एक खराब प्रति ले जाने वाले माता-पिता को वाहक कहा जाता है। जब दोनों माता-पिता अपने बच्चे को सीएफ जीन की एक खराब प्रतिलिपि प्रेषित करते हैं, तो बच्चा सिस्टिक फाइब्रोसिस से पीड़ित होगा। जिन बच्चों को सिर्फ एक खराब कॉपी विरासत में मिलती है, वे अपने माता-पिता की तरह वाहक होंगे और अपने बच्चों को जीन प्रेषित कर सकते हैं। (कॉर्नेट, सीसी बाय-एसए)

कोई यह पूछ सकता है कि सीएफ नवजात स्क्रीनिंग का अध्ययन और रोग की उत्पत्ति के बारे में क्या संबंध है। इसका जवाब यह है कि विस्कॉन्सिन में हमारी शोध टीम ने आईआरटी मार्कर का उपयोग करके एक जैव रासायनिक स्क्रीनिंग परीक्षण को दो-स्तरीय विधि में बदल दिया, जिसे आईआरटी / डीएनए कहा जाता है।

क्योंकि यूएस और यूरोप में लगभग 90 प्रतिशत CF रोगियों में कम से कम एक F508del म्यूटेशन है, हमने IRT स्तर के उच्च होने पर इसकी उपस्थिति के लिए नवजात रक्त का विश्लेषण करना शुरू किया। लेकिन जब यह दो-चरण आईआरटी / डीएनए जांच की जाती है, तो न केवल रोग के साथ रोगियों का निदान किया जाता है, बल्कि दस गुना अधिक शिशुओं, जो रोग के आनुवंशिक वाहक हैं, की पहचान की जाती है।

पूर्व धारणा के रूप में, पिछले दो दशकों के दौरान, सीनेट के लिए जन्म के पूर्व और नवजात की स्क्रीनिंग का प्रसार कई हजारों व्यक्तियों ने किया, जिनके बारे में उन्हें पता चला कि वे F508del वाहक थे और उनके संबंधित माता-पिता अक्सर इस उत्परिवर्तन को स्वयं या अपने में ले जाने की उत्पत्ति और महत्व पर सवाल उठाते थे। बच्चे। क्या वे एक प्रति के साथ पीड़ित होंगे? क्या कोई स्वास्थ्य लाभ था? यह CF में विशेषज्ञता वाले बाल रोग विशेषज्ञ के लिए निराशाजनक है, उनके लिए कोई जवाब नहीं है।

CF उत्परिवर्तन की उत्पत्ति की चुनौती

मैं उस समय शून्य करना चाहता था जब यह आनुवंशिक उत्परिवर्तन पहली बार दिखाई देने लगा। इस अवधि को इंगित करने से हमें यह समझने में मदद मिलेगी कि यह कैसे एक लाभ प्रदान करने के लिए विकसित हो सकता है - कम से कम शुरुआत में - यूरोप में उन लोगों के लिए जिनके पास यह था। अपने शोध का विस्तार करने के लिए, मैंने 1993 में लंदन स्कूल ऑफ हाइजीन एंड ट्रॉपिकल मेडिसिन में पाठ्यक्रम लेते हुए महामारी विज्ञान में प्रशिक्षण लेने और महामारी विज्ञान में प्रशिक्षण लेने का निर्णय लिया।

समय सही था क्योंकि प्राचीन डीएनए अनुसंधान का क्षेत्र खिलना शुरू हो गया था। पॉलीमरेज़ चेन रिएक्शन जैसी नई सफलता तकनीकों ने प्रागैतिहासिक दफन से ममियों और अन्य मानव पुरातात्विक नमूनों के डीएनए का अध्ययन करना संभव बना दिया। उदाहरण के लिए, डीएनए पर प्रारंभिक अध्ययन 5, 000 वर्षीय टायरोलियन आइसमैन से किया गया था, जिसे बाद में Ötzi के रूप में जाना गया।

एक विशिष्ट प्रागैतिहासिक दफन एक भरा हुआ भ्रूण की स्थिति में। (फिलिप फैरेल, सीसी बाय-एसए)

मैंने फैसला किया कि हम पूरे यूरोप में कब्रिस्तानों में 700-100 ईसा पूर्व के बीच दफन लौह युग के लोगों के डीएनए का विश्लेषण करके सीएफ की उत्पत्ति का पता लगाने में सक्षम हो सकते हैं।

इस रणनीति का उपयोग करते हुए, मैंने वियना में प्राकृतिक इतिहास संग्रहालय में मारिया टेस्क्लर-निकोला जैसे पुरातत्वविदों और मानवविज्ञानी के साथ मिलकर बनाया, जिन्होंने वियना के पास 350 ईसा पूर्व के आसपास दफन 32 कंकालों तक पहुंच प्रदान की। फ्रांस में आनुवंशिकीविदों ने प्राचीन विद्वानों से डीएनए एकत्र किया और डीएनए का विश्लेषण किया। हमारे आश्चर्य के लिए, हमने 32 कंकालों में से तीन से डीएनए में F508del उत्परिवर्तन की उपस्थिति की खोज की।

350 ई.पू. में सेंट्रल यूरोपियन आयरन एज ब्यूरो रेडियोडकार्बन में F508del की इस खोज ने हमें सुझाव दिया कि मूल CF उत्परिवर्तन पहले उत्पन्न हो सकता है। लेकिन इस तरह के प्रत्यक्ष अध्ययन के लिए कांस्य युग और नवपाषाण नमूनों को प्राप्त करना मुश्किल साबित हुआ क्योंकि कम दफन उपलब्ध हैं, कंकाल उतने संरक्षित नहीं हैं और प्रत्येक कब्रिस्तान महज एक जनजाति या गांव का प्रतिनिधित्व करता है। इसलिए प्राचीन डीएनए पर निर्भर होने के बजाय, हमने आधुनिक मानवों के जीनों की जांच करने के लिए अपनी रणनीति को स्थानांतरित कर दिया, जब यह उत्परिवर्तन पहली बार हुआ।

एक हानिकारक उत्परिवर्तन क्यों फैलेगा?

आधुनिक रोगियों में सीएफ की उत्पत्ति का पता लगाने के लिए, हमें पता था कि हमें हस्ताक्षर उत्परिवर्तन के बारे में और जानने की जरूरत है- F508del- उन लोगों में जो वाहक हैं या उन्हें बीमारी है।

इस छोटे से उत्परिवर्तन से 1, 480 एमिनो एसिड श्रृंखला में से एक अमीनो एसिड का नुकसान होता है और कोशिका की सतह पर एक प्रोटीन का आकार बदल जाता है जो सेल से अंदर और बाहर क्लोराइड को स्थानांतरित करता है। जब यह प्रोटीन उत्परिवर्तित होता है, तो लोग इसकी दो प्रतियाँ ले जाते हैं - एक माँ से और एक पिता से - जो अपने फेफड़ों, अग्न्याशय और अन्य अंगों में मोटे चिपचिपे बलगम से ग्रस्त होते हैं। उनके फेफड़ों में बलगम बैक्टीरिया को पनपने की अनुमति देता है, ऊतक को नष्ट करता है और अंततः फेफड़ों को विफल कर देता है। अग्न्याशय में, गाढ़ा स्राव ग्रंथि को एंजाइम को वितरित करने से रोकता है जो शरीर को भोजन को पचाने की आवश्यकता होती है।

तो ऐसी हानिकारक उत्परिवर्तन पीढ़ी-दर-पीढ़ी हस्तांतरित क्यों होता रहेगा?

वियना, ऑस्ट्रिया में प्राकृतिक इतिहास संग्रहालय में लौह युग और कांस्य युग के कंकालों का एक बड़ा संग्रह है, जो डॉ। मारिया टेस्क्लर-निकोला द्वारा क्यूरेट किए गए हैं। ये संग्रह प्राचीन डीएनए की जांच और 'सिस्टिक फाइब्रोसिस की प्राचीन उत्पत्ति' के अध्ययन के लिए दांतों और हड्डियों का स्रोत थे। (फिलिप फैरेल, सीसी बाय-एनडी)

F508del के रूप में हानिकारक एक उत्परिवर्तन उत्परिवर्तित CFTR जीन की दो प्रतियों के साथ लोगों के बीच कभी नहीं बचा होगा क्योंकि जन्म के तुरंत बाद उनकी मृत्यु हो गई थी। दूसरी ओर, एक म्यूटेशन वाले लोगों को जीवित रहने का लाभ मिल सकता है, जैसा कि डार्विन के "सबसे योग्य व्यक्ति के अस्तित्व" सिद्धांत में भविष्यवाणी की गई थी।

शायद तनावपूर्ण पर्यावरणीय परिस्थितियों में जीवित रहने के पक्ष में उत्परिवर्तन का सबसे अच्छा उदाहरण अफ्रीका में पाया जा सकता है, जहाँ सदियों से घातक मलेरिया का स्थानिकमारी है। जो परजीवी मलेरिया का कारण बनता है, वह लाल रक्त कोशिकाओं को संक्रमित करता है जिसमें प्रमुख घटक ऑक्सीजन-ले जाने वाला प्रोटीन हीमोग्लोबिन है। जो व्यक्ति सामान्य हीमोग्लोबिन जीन ले जाते हैं, वे इस मच्छर जनित बीमारी की चपेट में आ जाते हैं। लेकिन जो उत्परिवर्तित "हीमोग्लोबिन एस" जीन के वाहक हैं, केवल एक प्रति के साथ, गंभीर मलेरिया से सुरक्षित हैं। हालांकि हीमोग्लोबिन एस जीन की दो प्रतियां सिकल सेल रोग का कारण बनती हैं, जो घातक हो सकती हैं।

यहां एक उत्परिवर्ती जीन को ले जाने का एक स्पष्ट लाभ है - वास्तव में, 10 में से एक अफ्रीकियों में एक एकल प्रति होती है। इस प्रकार, कई शताब्दियों के लिए एक पर्यावरणीय कारक ने सिकल हीमोग्लोबिन म्यूटेशन की एक प्रति ले जाने वाले व्यक्तियों के अस्तित्व का समर्थन किया है।

सिकल सेल जीन की दो प्रतियां ले जाने वाले व्यक्ति सिकल सेल एनीमिया से पीड़ित होते हैं, जिसमें रक्त कोशिकाएं कठोर सिकल आकार बन जाती हैं और रक्त वाहिकाओं में फंस जाती हैं, जिससे दर्द होता है। सामान्य लाल रक्त कोशिकाएं लचीली डिस्क होती हैं जो जहाजों के माध्यम से आसानी से स्लाइड करती हैं। (Designua / Shutterstock.com)

इसी तरह हमने सोचा कि क्या पर्यावरणीय तनावपूर्ण परिस्थितियों के लिए एक्सपोज़र के दौरान इस विशिष्ट सीएफ म्यूटेशन की एक प्रति ले जाने के लिए एक स्वास्थ्य लाभ था। शायद, हमने तर्क दिया, यही कारण है कि कोकेशियान यूरोपीय और यूरोप-व्युत्पन्न आबादी के बीच F508del उत्परिवर्तन आम था।

आधुनिक डीएनए से सुराग

एक उत्परिवर्तित F508del जीन को एक पीढ़ी से दूसरी पीढ़ी तक पहुँचाने का लाभ जानने के लिए, हमें पहले यह निर्धारित करना था कि उत्परिवर्तन कब और कहाँ हुआ, ताकि हम इस उत्परिवर्तन से लाभ को उजागर कर सकें।

हमने F508del को प्रभावित करने वाले 190 CF रोगियों और उनके माता-पिता को आयरलैंड से ग्रीस की भौगोलिक रूप से अलग यूरोपीय आबादी में रहने वाले और इसके अलावा अमेरिका में जर्मनी से प्राप्त जनसंख्या के साथ डीएनए नमूने प्राप्त किए। हमने आनुवंशिक मार्करों के एक संग्रह की पहचान की - मूल रूप से DNA के अनुक्रम - CF जीन के भीतर और गुणसूत्र पर फ्लैंकिंग स्थान। जब ये उत्परिवर्तन हमारे द्वारा अध्ययन की गई आबादी में उभरे, तो पहचान कर, हम सबसे हाल के सामान्य पूर्वजों की उम्र का अनुमान लगाने में सक्षम थे।

अगला, कठोर कंप्यूटर विश्लेषण द्वारा, हमने विभिन्न देशों में रहने वाली प्रत्येक आबादी में सीएफ म्यूटेशन की उम्र का अनुमान लगाया।

सिकल सेल जीन की दो प्रतियां बीमारी का कारण बनती हैं। लेकिन एक प्रति ले जाने से मलेरिया का खतरा कम हो जाता है। जीन दुनिया के उन क्षेत्रों (लाल) में रहने वाले लोगों में व्यापक है जहां मलेरिया स्थानिक है। (एलेपेग्राफिका)

हमने तब निर्धारित किया कि सबसे पुराने सामान्य पूर्वज की उम्र 4, 600 से 4, 725 वर्ष के बीच है और दक्षिण-पश्चिमी यूरोप में पैदा हुई, शायद अटलांटिक महासागर के किनारे की बस्तियों में और शायद फ्रांस या पुर्तगाल के क्षेत्र में। हम मानते हैं कि उत्परिवर्तन जल्दी ही वहां से ब्रिटेन और आयरलैंड में फैल गया, और फिर बाद में केंद्रीय और दक्षिणपूर्वी यूरोपीय आबादी जैसे ग्रीस, जहां F508del को लगभग 1, 000 साल पहले ही पेश किया गया था।

पूरे यूरोप में सीएफ म्यूटेशन किसने फैलाया?

इस प्रकार, हमारे नए प्रकाशित आंकड़े बताते हैं कि F508del उत्परिवर्तन कांस्य युग में उत्पन्न हुआ और प्राचीन प्रवास के दौरान पश्चिम से दक्षिण-पूर्व यूरोप तक फैल गया।

इसके अलावा, पुरातात्विक रिकॉर्ड को ध्यान में रखते हुए, हमारे परिणाम हमें यह सुझाव देकर एक उपन्यास अवधारणा पेश करने की अनुमति देते हैं कि बेल बीकर लोक के रूप में जानी जाने वाली आबादी प्रागैतिहासिक यूरोप में F508del के शुरुआती प्रसार के लिए जिम्मेदार प्रवासी प्रवासन थी। वे लेट नियोलिथिक काल के संक्रमण से 4000 ईसा पूर्व के आसपास, तीसरी सहस्राब्दी ईसा पूर्व के दौरान प्रारंभिक कांस्य युग में पश्चिमी यूरोप में कहीं दिखाई दिए। वे अपने सिरेमिक बीकरों से प्रतिष्ठित थे, आल्प्स के उत्तर में तांबे और कांस्य धातु विज्ञान के अग्रणी और महान गतिशीलता। सभी अध्ययन, वास्तव में, बताते हैं कि वे भारी प्रवासन में थे, पूरे पश्चिमी यूरोप में यात्रा कर रहे थे।

पूरे यूरोप में बेल बीकर साइटों का वितरण। (विकिमीडिया कॉमन्स के माध्यम से डाइक्राफ्ट)

लगभग 1, 000 वर्षों में, छोटे परिवारों और / या कुलीन जनजातियों का एक नेटवर्क पश्चिम से पूर्व की ओर अपनी संस्कृति को उन क्षेत्रों में फैलाता है जो वर्तमान यूरोपीय संघ के करीब हैं, जहां सीएफ की सबसे अधिक घटना पाई जाती है। उनका प्रवास पश्चिमी और मध्य यूरोपीय धातु विज्ञान के आगमन से जुड़ा हुआ है, क्योंकि उन्होंने लंबी दूरी की यात्रा के दौरान धातु के सामान, विशेष रूप से हथियारों का निर्माण और व्यापार किया था। यह भी अनुमान लगाया जाता है कि उनकी यात्रा विवाह नेटवर्क स्थापित करके प्रेरित थी। हमारे अध्ययन के लिए सबसे अधिक प्रासंगिक यह सबूत है कि वे एक दिशा में और एक समय अवधि में चले गए जो हमारे परिणामों के साथ अच्छी तरह से फिट हैं। हाल के जीनोमिक डेटा से पता चलता है कि प्रवासन और सांस्कृतिक प्रसारण दोनों ने "बीकर कॉम्प्लेक्स" के प्रसार में एक प्रमुख भूमिका निभाई और 2400 ईसा पूर्व के बाद ब्रिटेन और अन्य जगहों के "गहन जनसांख्यिकीय परिवर्तन" का नेतृत्व किया।

यह निर्धारित करते हुए कि F508del को यूरोप में पहली बार पेश किया गया था और यह पता लगाने के लिए कि यह कहां से उत्पन्न हुआ है, वाहक के उच्च प्रसार के बारे में नई अंतर्दृष्टि प्रदान करना चाहिए - और क्या उत्परिवर्तन एक विकासवादी लाभ प्रदान करता है। उदाहरण के लिए, कांस्य युग यूरोपीय, बड़े पैमाने पर पलायन करते हुए, स्पष्ट रूप से स्थानिक संक्रामक रोगों या महामारी के संपर्क में आने से बचे थे; इस प्रकार, एक संक्रामक बीमारी से सुरक्षा, जैसे कि सिकल सेल म्यूटेशन में, इस आनुवंशिक उत्परिवर्तन के माध्यम से संभावना नहीं है।

कांस्य युग के लोगों और प्रवास के दौरान उनकी प्रथाओं के बारे में अधिक जानकारी के रूप में पुरातात्विक और जीनोमिक्स अनुसंधान के माध्यम से उपलब्ध हो जाते हैं, पर्यावरणीय कारकों के बारे में अधिक सुराग जो इस जीन संस्करण वाले लोगों के पक्ष में थे, उन्हें उभरना चाहिए। फिर, हम रोगियों और माता-पिता से सवालों के जवाब देने में सक्षम हो सकते हैं कि उनके परिवार में CFTR उत्परिवर्तन क्यों है और इससे क्या फायदा होता है।

बेल बीकर लोगों द्वारा बनाए गए उपकरण और सिरेमिक के उदाहरण। (Benutzer: थॉमस इहल के माध्यम से जर्मन विकिपीडिया, CC BY-SA)
यह आलेख मूल रूप से वार्तालाप पर प्रकाशित हुआ था।

फिलिप फैरेल, बाल रोग और जनसंख्या स्वास्थ्य विज्ञान, विस्कॉन्सिन-मैडिसन विश्वविद्यालय के प्रोफेसर