Immungenetische Marker im Wandel der Zeit
Molekulargenetische Analyse von single nucleotide Polymorphismen immungenetischer Rezeptoren und Interleukine in historischen Bevölkerungen
Immunogenetic Marker in the Course of Time
Molecular genetic analysis of single nucleotide polymorphisms of immunogenetic receptors and interleukins in historic populations
by Jutta Pepperl
Date of Examination:2008-04-30
Date of issue:2009-04-07
Advisor:Prof. Dr. Bernd Herrmann
Referee:Prof. Dr. Bernd Herrmann
Referee:Prof. Dr. Martin Oppermann
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
The immunogenetic variability of mankind is in the focus of the medical fundamental research. A multitude of polymorphisms has been identified, which have an influence on susceptibility and mortality in numerous diseases as well as on the success of therapies. The enlightment of the evolutionary context is indispensable for a better understanding of the relevance of todays variability. Special importance is ascribed to the more recent history of mankind with its dramatic expansion in population size within the last centuries. This was preceded by an era of demographic decline caused by the medieval and early modern epidemics. The field of aDNA analysis allows the direct access to data on variability in historic populations by the investigation of genetic archives. Thus valuable information arises for modern sciences on the clarification of selective events, which shaped the immunogenetic background of European individuals.This study therefore analysed the allelic frequencies of single nucleotide polymorphisms (SNP) of the interleukins IL6, IL10 and IL4 as well as the receptors IL4Ra, TLR2 and TLR4. Their immunogenetic relevance in modern populations was shown by association studies. Main challenge of the study was the investigation of a historic epidemic skeletal collective from a mass grave of the plague called the Black Death in medieval Lübeck. This collective is compared to a contemporary collective from Lübeck, resembling a non-epidemic control. An older control and consequently pre-epidemic is the collective from the Lichtenstein cave in Dorste (Harz mountains), the modern population is used as post-epidemic control. The study thus spans a range of 3000 years of history of infectious diseases, from Bronze Age to Modern. We expected to detect a selection of pro-inflammatory alleles in eras of epidemic events, such as the Black Death. This should be accompanied by an increase of frequency of the pro-inflammatory alleles until modern times.The results show slight differences in allelic frequencies between the past and today. Though trends are observed, significant deviations exist only from single historic to the modern population. Remarkable is the high frequency of anti-inflammatory alleles of marker IL6, IL10 and IL4Ra in all eras. We take it as a clue to the importance of anti-inflammatory features in historic populations. Differences are found at the distribution of TLR4 D299G and IL10 G-1087A between the plague collective and modern population. A selection by the plague epidemic is discussed. The frequency of minor allele 753Q of TLR2 is elevated in both medieval collectives compared to the modern population. A selection by plague is therefore implausible, but it is assumed that a selection reducing the frequency of the minor allele taking place between Middle Ages and today. The SNP G-2849A of marker IL10 shows a significant difference from all historic samples to the modern population. Todays more seldom pro-inflammatory allele prevails in the historic collectives. Continual shifting of frequencies towards pro-inflammatory alleles through all collectives was not observed.The influence of 3000 years of epidemiology, especially plague itself, is therefore less than expected. This means the relevance of epidemic history on modern variability needs to be reconsidered. Another aspect to be reconsidered is the suitability of modern industrial populations as post-epidemic controls. The influence of modern medicine and nutrition has to be clarified. Here the investigation of an early modern population has to be considered as post-epidemic control.This study shows the potential of screening several markers in historic populations. The method of a single-base-extension reaction (SBE), also called minisequencing or SNaPshot, was used to permit the simultaneous analysis of all markers. It was combined with the analysis of the genetic fingerprint, which enabled the direct proof of the authenticity of results.
Keywords: ancient DNA; aDNA; immunogenetic marker; TLR; interleukin; historic populations; history of infectious disease; plague; Black Death
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Die Immungenetische Variabilität des Menschen steht im Zentrum des Forschungsinteresses der medizinischen Grundlagenforschung. Eine Vielzahl an Polymorphismen wurde identifiziert, die einen Einfluß auf das Erkrankungs- und Sterberisiko bei verschiedenen Erkrankungen wie auch auf den Erfolg von Therapien haben. Für ein besseres Verständnis der Relevanz der heutigen Variabilität ist die Erhellung des evolutionären Kontextes unerläßlich. Besondere Bedeutung kommt dabei der jüngeren Geschichte der Menschheit mit ihrer dramatischen Expansion der Bevölkerungsgröße innerhalb der letzten Jahrhunderte zu. Dieser ging eine Phase der Bevölkerungsrückgang aufgrund der mittelalterlichen und frühneuzeitlichen Epidemien voraus. Das Feld der aDNA-Analytik ermöglicht über die Untersuchung genetischer Archive den direkten Zugriff auf Daten der Variabilität historischer Populationen. Für die modernen Forschungszweige ergeben sich damit wertvolle Informationen zur Aufklärung von Selektionsereignissen, die die immungenetische Ausstattung europäischer Individuen geformt haben.In der vorliegenden Studie wurden daher die Allelfrequenzen von single nucleotide polymorphisms (SNP) der Interleukine IL6, IL10 und IL4 sowie der Rezeptoren IL4Ra, TLR2 und TLR4 untersucht. Ihre immungenetische Relevanz ist für moderne Bevölkerungen bereits durch Assoziationsstudien belegt. Zentraler Gegenstand der Studie war die Untersuchung eines historischen epidemiologischen Skelettkollektivs aus einem Massengrab der Pestepidemie des Schwarzen Todes im mittelalterlichen Lübeck. Dieses wird verglichen mit einer zeitstellungsnahen und ortsgleichen Serie als nicht-epidemiologischer Kontrolle. Eine ältere Kontrolle, und damit präepidemisch, ist der bronzezeitliche Fundkomplex der Lichtensteinhöhle bei Dorste (Harz), die moderne Bevölkerung wird als postepidemische Kontrolle herangezogen. Die Studie umfaßt damit einen Zeitrahmen von 3000 Jahren Infektionsgeschichte, von der Bronzezeit bis zur Moderne. Erwartet wurde der Nachweis einer Selektion der proinflammatorischen Allele in Zeiten bedeutender epidemischer Ereignisse, wie z. B. des Schwarzen Todes . Damit sollte eine Zunahme der Frequenz der proinflammatorischen Allele bis zur Moderne einhergehen.Aus den Ergebnissen gehen geringe Abweichungen der Allelfrequenzen zwischen damals und heute hervor. Obwohl Trends beobachtbar sind, bestehen nur zwischen einzelnen historischen und der modernen Bevölkerung signifikante Abweichungen. Auffallend ist die hohe Frequenz der antiinflammatorischen Allele der Marker IL6, IL10 und IL4Ra in allen Zeitstellungen. Sie wird als Hinweis auf eine Bedeutung antiinflammatorischer Eigenschaften in historischen Bevölkerungen gewertet. In der Pestserie unterscheiden sich die Verteilungen der Allele des TLR4 D299G und des IL10 G-1087A von der der modernen Bevölkerung. Eine Selektion durch die Pestepidemie wird diskutiert. Die Frequenz des minor alleles 753Q des TLR2 ist in beiden mittelalterlichen Serien höher als in der modernen Bevölkerung. Eine Selektion durch die Pest ist daher unwahrscheinlich, jedoch ist anzunehmen, daß eine Selek- tion mit Reduktion der Allelfrequenz des minor alleles zwischen Mittelalter und Neuzeit stattfand. Der SNP G-2849A des Markers IL10 zeigt eine signifikante Abweichung aller historischen Stichproben zur modernen Bevölkerung. Das heute seltenere proinflammatorische Allel überwiegt in den historischen Serien. Kontinuierliche Veränderungen der Frequenzen zu Gunsten proinflammatorischer Allele über alle Serien wurden nicht beobachtet.Der Einfluß der Epidemiologie der letzten 3000 Jahre, insbesondere der Pest, ist damit geringer als erwartet. Zu überdenken ist damit die Bedeutung der Infektionsgeschichte für die rezente Variabilität. Unklar bleibt aber auch die Eignung rezenter industrieller Bevölkerungen als postepidemische Kontrolle. Abzuklären ist der Einfluß der modernen Medizin und Ernährung. Die Untersuchung einer frühneuzeitlichen Population als postepidemischer Kontrolle bietet sich hier an.Diese Studie zeigt die Möglichkeiten eines Screenings historischer Populationen über mehrere Marker. Dabei kam die Methode der single-base-extension-Reaktion (SBE), auch Minisequencing oder SNaPshot genannt, zum Einsatz, die eine simultane Analyse aller Marker ermöglichte. Sie wurde mit der Analyse von STR des genetischen Fingerabdrucks kombiniert, die den direkten Nachweis der Authentizität der Ergebnisse erlaubt.
Schlagwörter: ancient DNA; aDNA; Immungenetische Marker; TLR; Interleukin; historische Bevölkerungen; Infektionsgeschichte; Pest; Der Schwarze Tod