Imagine a emoção da descoberta quando mais de 10 anos de pesquisa sobre a origem de uma doença genética comum, a fibrose cística (FC), resulta em um grupo de europeus distintos, mas misteriosos, que viveram cerca de 5.000 anos atrás.
A FC é a doença hereditária mais comum, potencialmente letal, entre os caucasianos - cerca de um em 40 carrega a chamada mutação F508del. Tipicamente, apenas mutações benéficas, que proporcionam uma vantagem de sobrevivência, espalham-se amplamente através de uma população.
A FC impede a liberação de enzimas digestivas do pâncreas, o que desencadeia a desnutrição, causa doença pulmonar fatal e produz altos níveis de sal no suor que podem ser fatais.
Dependendo da mutação que um paciente carrega, eles podem experimentar alguns ou todos os sintomas de fibrose cística. (Equipe do Blausen.com (2014), CC BY-SA) Nos últimos anos, os cientistas revelaram muitos aspectos desta doença pulmonar mortal que levaram ao diagnóstico precoce de rotina em bebês testados, melhores tratamentos e vidas mais longas. Por outro lado, a comunidade científica não foi capaz de descobrir quando, onde e por que a mutação se tornou tão comum. Colaborando com uma equipe extraordinária de cientistas europeus como David Barton na Irlanda e Milan Macek na República Tcheca, em particular um grupo de geneticistas brilhantes em Brest, na França liderados por Emmanuelle Génin e Claude Férec, acreditamos que agora sabemos onde e quando a mutação original surgiu e em que antiga tribo de pessoas.
Compartilhamos essas descobertas em um artigo publicado no European Journal of Human Genetics, que representa o culminar de 20 anos de trabalho envolvendo nove países.
O que é fibrose cística?
Minha busca para determinar como CF surgiu e por que é tão comum começou logo depois que os cientistas descobriram o gene CFTR causando a doença em 1989. A mutação mais comum desse gene que causa a doença foi chamada F508del. Duas cópias da mutação - uma herdada da mãe e outra do pai - causaram a doença letal. Mas, herdar apenas uma única cópia não causou sintomas e transformou a pessoa em "portadora".
Eu trabalhava na Universidade de Wisconsin desde 1977 como médico-cientista, com foco no diagnóstico precoce da FC por meio de triagem neonatal. Antes da descoberta do gene, identificamos bebês com alto risco de FC usando um exame de sangue que mediu os níveis de proteína chamada tripsinogênio imunorreativo (TRI). Altos níveis de IRT sugeriram que o bebê tinha FC. Quando soube da descoberta do gene, estava convencido de que seria um divisor de águas para o desenvolvimento de testes de triagem e para a pesquisa epidemiológica.
Isso porque, com o gene, podemos oferecer aos pais um teste mais informativo. Poderíamos dizer a eles não apenas se o filho tinha FC, mas também se eles carregavam duas cópias de uma mutação CFTR, que causava doença, ou apenas uma cópia que as transformava em portadoras.
Os pais portadores de uma boa cópia do gene da FC (R) e uma cópia inválida do gene da FC com mutação (r) são chamados de portadores. Quando ambos os pais transmitem uma cópia ruim do gene da FC para seus filhos, a criança sofrerá de fibrose cística. Crianças que herdam apenas uma cópia ruim serão portadoras como seus pais e podem transmitir o gene para seus filhos. (Cburnett, CC BY-SA) Pode-se perguntar qual é a conexão entre o estudo da triagem neonatal com FC e o aprendizado sobre a origem da doença. A resposta está em como nossa equipe de pesquisadores em Wisconsin transformou um teste de triagem bioquímica usando o marcador IRT em um método de dois níveis chamado IRT / DNA.
Como cerca de 90% dos pacientes com FC nos EUA e na Europa têm pelo menos uma mutação F508del, começamos a analisar a presença de sangue de recém-nascidos sempre que o nível de TRI era alto. Mas quando é feita a triagem IRT / DNA de dois passos, não apenas os pacientes com a doença diagnosticada, mas também dez vezes mais bebês que são portadores genéticos da doença, são identificados.
Como o preconceito, a triagem pré-natal e neonatal para a FC proliferaram durante as duas últimas décadas, os muitos milhares de indivíduos que descobriram que eram portadores do F508del e seus pais preocupados muitas vezes levantaram questões sobre a origem e importância de portar essa mutação crianças. Eles sofreriam com uma cópia? Houve algum benefício para a saúde? Tem sido frustrante para um pediatra especializado em CF não ter resposta para eles.
O desafio de encontrar a origem da mutação da FC
Eu queria pensar em quando essa mutação genética começou a aparecer. Identificar esse período nos permitiria entender como ele poderia ter evoluído para fornecer um benefício - pelo menos inicialmente - para as pessoas na Europa que o tinham. Para expandir minha pesquisa, decidi fazer um ano sabático e treinar em epidemiologia enquanto fazia cursos em 1993 na Escola de Higiene e Medicina Tropical de Londres.
O momento foi perfeito porque o campo da antiga pesquisa de DNA estava começando a florescer. Novas técnicas inovadoras como a Reação em Cadeia da Polimerase tornaram possível estudar o DNA de múmias e outros espécimes arqueológicos humanos de enterros pré-históricos. Por exemplo, os primeiros estudos foram realizados sobre o DNA do Tyrolean Iceman, de 5.000 anos de idade, que mais tarde ficou conhecido como Ötzi.
Um típico enterro pré-histórico em uma posição fetal agachada. (Philip Farrell, CC BY-SA) Eu decidi que poderíamos descobrir a origem da FC analisando o DNA nos dentes das pessoas da Idade do Ferro enterradas entre 700 e 100 aC em cemitérios por toda a Europa.
Usando essa estratégia, eu me juntei a arqueólogos e antropólogos como Maria Teschler-Nicola, do Museu de História Natural de Viena, que forneceram acesso a 32 esqueletos enterrados por volta de 350 aC, perto de Viena. Geneticistas na França coletaram DNA dos antigos molares e analisaram o DNA. Para nossa surpresa, descobrimos a presença da mutação F508del no DNA de três dos 32 esqueletos.
Esta descoberta de F508del em sepultamentos da Europa Central da Idade do Ferro datados por radiocarbono a 350 aC sugeriu-nos que a mutação original da CF pode ter surgido anteriormente. Mas a obtenção de espécimes da Idade do Bronze e do Neolítico para tais estudos diretos se mostrou difícil, porque menos enterros estão disponíveis, esqueletos não são tão bem preservados e cada cemitério representa apenas uma tribo ou vila. Então, em vez de depender do DNA antigo, mudamos nossa estratégia para examinar os genes dos humanos modernos para descobrir quando essa mutação surgiu pela primeira vez.
Por que uma mutação prejudicial se espalharia?
Para descobrir a origem da FC em pacientes modernos, sabíamos que precisávamos aprender mais sobre a assinatura da mutação - F508del - em pessoas portadoras ou portadoras da doença.
Essa pequena mutação causa a perda de um aminoácido da cadeia de 1.480 aminoácidos e altera a forma de uma proteína na superfície da célula que move o cloreto para dentro e para fora da célula. Quando essa proteína é mutada, as pessoas que carregam duas cópias - uma da mãe e outra do pai - são atormentadas com muco grosso nos pulmões, pâncreas e outros órgãos. O muco em seus pulmões permite que as bactérias prosperem, destruindo o tecido e, eventualmente, fazendo com que os pulmões falhem. No pâncreas, as secreções espessas impedem a glândula de fornecer as enzimas que o corpo precisa para digerir os alimentos.
Então, por que uma mutação tão prejudicial continuaria a ser transmitida de geração para geração?
O Museu de História Natural em Viena, na Áustria, abriga uma grande coleção de esqueletos da Idade do Ferro e da Idade do Bronze, que são curados pela Dra. Maria Teschler-Nicola. Essas coleções foram a fonte de dentes e ossos para investigação de DNA antigo e estudos sobre "A antiga origem da fibrose cística". (Philip Farrell, CC BY-ND) Uma mutação tão prejudicial quanto F508del nunca teria sobrevivido entre pessoas com duas cópias do gene mutado CFTR porque provavelmente morreram logo após o nascimento. Por outro lado, aqueles com uma mutação podem ter uma vantagem de sobrevivência, como previsto na teoria de "sobrevivência do mais apto" de Darwin.
Talvez o melhor exemplo de uma mutação que favorece a sobrevivência sob condições ambientais estressantes pode ser encontrado na África, onde a malária fatal tem sido endêmica por séculos. O parasita que causa a malária infecta os glóbulos vermelhos, nos quais o principal constituinte é a hemoglobina da proteína portadora de oxigênio. Indivíduos portadores do gene normal da hemoglobina são vulneráveis a esta doença transmitida por mosquitos. Mas aqueles que são portadores do gene “hemoglobina S” mutante, com apenas uma cópia, são protegidos da malária severa. No entanto, duas cópias do gene da hemoglobina S causam a doença falciforme, que pode ser fatal.
Aqui há uma clara vantagem em carregar um gene mutante - de fato, cerca de um em cada 10 africanos carrega uma única cópia. Assim, por muitos séculos, um fator ambiental favoreceu a sobrevivência de indivíduos portadores de uma única cópia da mutação da hemoglobina falciforme.
Indivíduos portadores de duas cópias do gene da célula falciforme sofrem de anemia falciforme, em que as células do sangue se tornam formas rígidas da foice e ficam presas nos vasos sanguíneos, causando dor. Os glóbulos vermelhos normais são discos flexíveis que deslizam facilmente através dos vasos. (Designua / Shutterstock.com) Da mesma forma, nos perguntamos se haveria um benefício para a saúde ao transportar uma cópia única dessa mutação CF específica durante exposições a condições estressantes do ponto de vista ambiental. Talvez, raciocinamos, é por isso que a mutação F508del era comum entre europeus caucasianos e populações derivadas da Europa.
Pistas do DNA moderno
Para descobrir a vantagem de transmitir um único gene F508del mutado de geração em geração, primeiro precisávamos determinar quando e onde a mutação surgiu para que pudéssemos descobrir o benefício que essa mutação conferiu.
Obtivemos amostras de DNA de 190 pacientes portadores de FC portadores de F508del e seus pais que residiam em populações européias geograficamente distintas da Irlanda à Grécia mais uma população derivada da Alemanha nos EUA. Identificamos uma coleção de marcadores genéticos - essencialmente seqüências de DNA - dentro do gene CF e flanqueando locais no cromossomo. Ao identificar quando essas mutações emergiram nas populações que estudamos, pudemos estimar a idade do ancestral comum mais recente.
Em seguida, por rigorosas análises computacionais, estimamos a idade da mutação da FC em cada população residente nos vários países.
Duas cópias do gene da célula falciforme causam a doença. Mas carregar uma cópia reduz o risco de malária. O gene é difundido entre pessoas que vivem em regiões do mundo (vermelho) onde a malária é endêmica. (ellepigrafica) Determinamos então que a idade do mais antigo ancestral comum é entre 4.600 e 4.725 anos e surgiu no sudoeste da Europa, provavelmente em assentamentos ao longo do Oceano Atlântico e talvez na região da França ou de Portugal. Acreditamos que a mutação se espalhou rapidamente de lá para a Grã-Bretanha e Irlanda, e depois para as populações da Europa central e do sudeste, como a Grécia, onde a F508del foi introduzida há apenas cerca de 1.000 anos.
Quem espalhou a mutação CF em toda a Europa?
Assim, nossos dados recém-publicados sugerem que a mutação F508del surgiu no início da Idade do Bronze e se espalhou do oeste para o sudeste da Europa durante as antigas migrações.
Além disso, levando em conta o registro arqueológico, nossos resultados nos permitem introduzir um novo conceito, sugerindo que uma população conhecida como o povo Bell Beaker era a provável população migrante responsável pela disseminação precoce do F508del na Europa pré-histórica. Eles apareceram na transição do período neolítico tardio, por volta de 4000 aC, para a Idade do Bronze no início do terceiro milênio aC, em algum lugar da Europa Ocidental. Eles foram distinguidos por seus béqueres cerâmicos, metalurgia pioneira de cobre e bronze ao norte dos Alpes e grande mobilidade. Todos os estudos, de fato, mostram que eles estavam em migração pesada, viajando por toda a Europa Ocidental.
Distribuição de sites de béqueres da Bell em toda a Europa. (DieKraft via Wikimedia Commons) Durante aproximadamente 1.000 anos, uma rede de pequenas famílias e / ou tribos de elite espalhou sua cultura do oeste para o leste em regiões que correspondem intimamente à atual União Européia, onde a maior incidência de FC é encontrada. Suas migrações estão ligadas ao advento da metalurgia da Europa Ocidental e Central, já que fabricavam e comercializavam produtos de metal, especialmente armas, enquanto viajavam por longas distâncias. Também é especulado que suas viagens foram motivadas pelo estabelecimento de redes de casamento. O mais relevante para o nosso estudo é a evidência de que eles migraram em uma direção e durante um período de tempo que se encaixam bem com nossos resultados. Dados genômicos recentes sugerem que tanto a migração quanto a transmissão cultural tiveram um papel importante na difusão do “Complexo de Taça” e levaram a uma “profunda transformação demográfica” da Grã-Bretanha e de outros lugares após 2400 aC
Determinar quando o F508del foi introduzido pela primeira vez na Europa e descobrir onde ele surgiu deve fornecer novos insights sobre a alta prevalência de portadores - e se a mutação confere uma vantagem evolutiva. Por exemplo, os europeus da Idade do Bronze, enquanto migravam extensivamente, aparentemente foram poupados da exposição a doenças infecciosas endêmicas ou epidemias; assim, a proteção contra uma doença infecciosa, como na mutação falciforme, através dessa mutação genética parece improvável.
À medida que mais informações sobre as pessoas da Idade do Bronze e suas práticas durante as migrações se tornam disponíveis através de pesquisas arqueológicas e genômicas, mais pistas sobre os fatores ambientais que favorecem as pessoas que tinham essa variante do gene devem surgir. Então, podemos ser capazes de responder a perguntas de pacientes e pais sobre por que eles têm uma mutação CFTR em sua família e que vantagem isso dota.
Exemplos de ferramentas e cerâmicas criadas pelo pessoal da Bell Beaker. (Benutzer: Thomas Ihle via Wikipedia em alemão, CC BY-SA) Este artigo foi originalmente publicado no The Conversation.
Philip Farrell, Professor de Pediatria e Ciências da Saúde da População, Universidade de Wisconsin-Madison
