Naukowcy odkryli genetyczną sygnaturę zespołu Downa w starożytnych kościach

Starożytne szczątki niemowląt, takie jak ten liczący 2500 lat szkielet znaleziony w Hiszpanii, noszą genetyczne cechy zespołu Downa. Zdjęcie: Rząd Nawarry i J.L. Larriona

Zespół Downa, który obecnie występuje u 1 na 700 dzieci, jest spowodowany dodatkową kopią chromosomu 21. Dodatkowy chromosom wytwarza dodatkowe białka, które mogą powodować wiele zmian, w tym wady serca i trudności w uczeniu się.

Naukowcy usilnie starali się ustalić historię tej choroby. Obecnie starsze matki mają największą szansę na urodzenie dzieci z tą chorobą. Jednak w przeszłości kobiety częściej umierały młodo, co mogło powodować rzadsze występowanie zespołu Downa, a urodzone z nim dzieci miałyby mniejsze szanse na przeżycie bez operacji serca i innych metod leczenia, które obecnie przedłużają ich życie.

Archeolodzy potrafią zidentyfikować niektóre rzadkie schorzenia, takie jak karłowatość, na podstawie samych kości. Jednak zespół Downa – znany również jako trisomia 21 – jest niezwykle zmiennym schorzeniem.

Osoby cierpiące na tę chorobę mogą mieć różne kombinacje objawów oraz cięższe lub łagodniejsze formy. Na przykład osoby z charakterystycznymi oczami w kształcie migdałów spowodowanymi zespołem Downa mogą mieć stosunkowo zwyczajne szkielety.

W rezultacie archeologom trudno jest z całą pewnością zdiagnozować starożytne szkielety z zespołem Downa. „Nie można powiedzieć: Och, ta zmiana nastąpiła, więc jest to trisomia 21” – stwierdziła dr Julia Gresky, antropolog z Niemieckiego Instytutu Archeologicznego w Berlinie, która nie była zaangażowana w nowe badania.

Z kolei genetyczna identyfikacja zespołu Downa nie jest trudna, przynajmniej u żywych ludzi. W ostatnich latach genetycy testują swoje metody na DNA zachowanym w starożytnych kościach.

Było to jednak wyzwanie, ponieważ naukowcy nie potrafią po prostu policzyć pełnych chromosomów, które po śmierci rozpadają się na fragmenty.

W 2020 roku Lara Cassidy, genetyk z Trinity College w Dublinie, wraz ze współpracownikami po raz pierwszy użyła starożytnego DNA, aby zdiagnozować u dziecka zespół Downa. Badali geny szkieletów pochowanych w grobowcu 5500 lat temu w zachodniej Irlandii. Kości 6-miesięcznego chłopca zawierały niezwykle duże ilości DNA z chromosomu 21.

Od tego czasu Adam Rohrlach, statystyk w Instytucie Antropologii Ewolucyjnej Maxa Plancka w Lipsku w Niemczech, wraz z kolegami opracowali nową metodę znajdowania sygnatury genetycznej, dzięki której mogą szybko przyjrzeć się tysiącom kości.

Pomysł przyszedł do głowy dr Rohrlachowi, gdy rozmawiał z naukowcem w instytucie na temat stosowanych przez niego procedur wyszukiwania starożytnego DNA. Ponieważ wysokiej jakości sekwencjonowanie DNA jest bardzo drogie, jak się okazało, badacze przesiewali kości tanim testem, zwanym sekwencjonowaniem metodą „shotgun”, przed wybraniem kilku do dalszych badań. 

Artystyczne przedstawienie osady z wczesnej epoki żelaza w Hiszpanii, gdzie odnaleziono szczątki trójki niemowląt z zespołem Downa. Zdjęcie: Iñaki Diéguez/Javier Armendáriz

W 2800-letnim domu w Hiszpanii odnaleziono szczątki prenatalnego niemowlęcia z zespołem Downa.  Zdjęcie: Rząd Nawarry i J.L. Larrion

Jeśli w kości nadal zachowało się DNA, badanie wykazywało wiele drobnych fragmentów genetycznych. Bardzo często pochodziły one od drobnoustrojów, które rosną w kościach po śmierci. Jednak niektóre kości zawierały również DNA wyraźnie ludzkie, a te z wysokim prawdopodobieństwem zostały oznaczone do dodatkowych badań.

Doktor Rohrlach dowiedział się, że instytut przebadał w ten sposób prawie 10 000 ludzkich kości, a wyniki całego sekwencjonowania typu „shotgun” zapisano w bazie danych. Doktorowi Rohrlachowi i jego współpracownikom przyszło do głowy, że mogliby przeskanować bazę danych w poszukiwaniu dodatkowych chromosomów.

„Pomyśleliśmy: Nikt nigdy nie sprawdzał tego rodzaju rzeczy” – powiedział dr Rohrlach.

On i jego koledzy napisali program, który sortował fragmenty odzyskanego DNA według chromosomów. Program porównał DNA każdej kości z całym zestawem próbek. Następnie wskazano konkretne kości, które miały niezwykłą liczbę sekwencji pochodzących z określonego chromosomu.

Dwa dni po ich pierwszej rozmowie komputer miał wyniki. „Okazało się, że nasze przeczucia były słuszne” – powiedział dr Rohrlach, który jest obecnie adiunktem na Uniwersytecie w Adelajdzie w Australii.

Odkryli, że kolekcja instytutu obejmuje sześć kości z dodatkowym DNA z chromosomu 21 – oznaką zespołu Downa. Trzy należały do ​​rocznych dzieci, a pozostałe trzy do płodów, które zmarły przed urodzeniem.

Doktor Rohrlach śledził także wyniki badania dr Cassidy z 2020 r. Wykorzystał swój program do analizy sekwencji „shotgun” irlandzkiego szkieletu i odkrył, że zawierał on również dodatkowy chromosom 21, co potwierdziło jej wstępną diagnozę.

Ponadto dr Rohrlach znalazł inny szkielet z dodatkową kopią chromosomu 18. Mutacja ta powoduje stan zwany zespołem Edwardsa, który zwykle prowadzi do śmierci przed urodzeniem. Kości pochodziły od nienarodzonego płodu, który zmarł w 40. tygodniu ciąży i był poważnie zdeformowany.

Nowe badanie nie pozwala dr Rohrlachowi i jego współpracownikom określić, jak często występował zespół Downa w przeszłości. Wiele dzieci chorych na tę chorobę prawdopodobnie zmarło przed osiągnięciem dorosłości, a kruche kości dzieci mają mniejsze szanse na zachowanie.

„Istnieje duża niepewność co do pobierania próbek oraz tego, co mogliśmy, a czego nie mogliśmy znaleźć” – stwierdził dr Rohrlach. „Myślę, że statystyk, który próbowałby wyciągnąć dużo z tych liczb, byłby bardzo odważny”.

Jednak dr Rohrlach uznał za znaczący fakt, że troje dzieci z zespołem Downa i jedno z zespołem Edwardsa zostały pochowane w dwóch sąsiednich miastach w północnej Hiszpanii między 2800 a 2400 lat temu.

Zwykle ludzie w tej kulturze byli poddawani kremacji po śmierci, ale te dzieci pochowano w budynkach, czasami z biżuterią. „W tych domach pochowano wyjątkowe dzieci z powodów, których jeszcze nie rozumiemy” – spekuluje dr Rohrlach.

Doktor Gresky uważa, że dowody pozwoliły nam wykluczyć jeden przypadek z całej ich grupy.

„Być może kości były tak dobrze zachowane” – powiedziała. „Być może archeolodzy byli na tyle zdolni i dobrze wyszkoleni, że udało im się wydobyć ich wszystkich. Być może zakopano ich w sposób, który znacznie ułatwił ich odnalezienie.” 

Mimo to dr Gresky uznała nowe badanie za ważny postęp. Po pierwsze, może pozwolić archeologom na porównanie szczątków genetycznie zidentyfikowanych z zespołem Downa i odkrycie ukrytego zestawu cech wspólnych dla wszystkich ich szkieletów.

Doktor Gresky miała nadzieję, że inni badacze wykorzystają starożytne DNA do naświetlenia ukrytej historii innych rzadkich schorzeń: „Wystarczy ich poszukać i porozmawiać o nich. W przeciwnym razie pozostaną niewidoczne.”