Nhiều người châu Âu mang đột biến gene của tổ tiên đã bảo vệ họ khỏi bệnh dịch hạch, các nhà khoa học đưa tin hôm 19/10 trên tạp chí Nature. Khi "cái chết đen" tấn công châu Âu vào năm 1348, nó đã giết chết hàng loạt người trên khắp lục địa, thúc đẩy sự chọn lọc tự nhiên mạnh mẽ nhất từ trước đến nay ở con người.

Theo nghiên cứu, một số biến thể di truyền nhất định giúp con người tăng khả năng sống sót sau bệnh dịch. Nhưng sự bảo vệ này có cái giá của nó: Những người thừa hưởng các đột biến kháng bệnh dịch hạch có nguy cơ cao bị rối loạn miễn dịch như bệnh Crohn.

Đột biến gene từ "cái chết đen"

Hendrik Poinar, nhà di truyền học tại Đại học McMaster ở Canada và là tác giả của nghiên cứu mới, cho biết: “Đây là những tác dụng phụ đáng tiếc của chọn lọc tự nhiên”.

Bệnh dịch hạch Yersinia Pestis do một loài vi khuẩn có ở bọ chét gây ra. Tuy bệnh dịch đã xuất hiện ở người từ hàng nghìn năm trước nhưng thời kỳ Trung cổ ở châu Âu là giai đoạn bùng phát mạnh mẽ nhất. Điều này khiến các nhà khoa học tự hỏi liệu "cái chết đen" đã làm thay đổi cấu trúc gene của châu Âu.

Tiến sĩ Poinar nói: “Chúng tôi mong đợi sẽ thấy một sự thay đổi lớn”.

Ý tưởng này có ý nghĩa tiến hóa cơ bản: Khi nhiều sinh vật chết đi, chúng sẽ truyền lại các đột biến để bảo vệ những sinh vật còn sống sót khỏi cái chết. Ví dụ, trong cuộc Cách mạng Công nghiệp, những con bướm đêm đã thay đổi từ màu lốm đốm sáng sang màu tối. Sự thay đổi đó được thúc đẩy bởi khói than phủ đen những tán cây, nơi những con bướm đêm nghỉ ngơi. Chúng có khả năng ẩn nấp khỏi các loài chim tốt hơn và sống sót để truyền lại gene của mình.

Tầm quan trọng của đột biến gene mới

Khi "cái chết đen" xảy ra, không có nhà sinh học tiến hóa nào ghi nhận tác động của nó. Vào những năm 1990, một số nhà khoa học đã tìm kiếm manh mối bằng cách nghiên cứu DNA của những người châu Âu còn sống. Đột biến ở một gene, được gọi là CCR5, có ở 10% người châu Âu nhưng hiếm ở những người khác. Năm 1998, các nhà nghiên cứu đề xuất rằng gene này có thể bảo vệ cơ thể khỏi "cái chết đen".

Nhưng nghiên cứu sau đó cho thấy không thể loại trừ khả năng đột biến CCR5 lây lan để phản ứng với căn bệnh khác vào một thời điểm khác trong lịch sử. Luis Barreiro, nhà di truyền học dân số tại Đại học Chicago và là tác giả của nghiên cứu mới, cho biết: “Đó là điều mà nhiều người nói đến nhưng rất khó để chứng minh”.

Thay vì nghiên cứu người sống, tiến sĩ Barreiro, tiến sĩ Poinar và các đồng nghiệp của họ đã kiểm tra DNA của những người sống cách đây nhiều thế kỷ, trích xuất vật liệu di truyền từ hài cốt được chôn cất tại ba nghĩa trang ở London. Họ tìm thấy các đoạn DNA trong 318 bộ xương sống từ năm 1000 đến năm 1500. Phần còn lại bao gồm 42 nạn nhân của " cái chết đen".

So sánh các xương trước và sau khi bệnh dịch xảy ra, các nhà khoa học nhận thấy sự khác biệt nổi bật trong DNA: Hàng trăm đột biến trong các gene liên quan đến khả năng miễn dịch trở nên phổ biến hơn sau đại dịch.

Sự thay đổi này tự nó không phải là bằng chứng rằng các đột biến mang lại một số lợi thế tiến hóa. Từ lâu, các nhà sinh vật học đã biết đột biến có thể trở nên phổ biến hơn trong một quần thể nhờ vào những biến động của lịch sử - quá trình được gọi là sự trôi dạt di truyền.

Đây là thách thức để xác định xem đột biến phổ biến xảy ra là do di truyền gene hay do chọn lọc tự nhiên. Một cách để phân biệt sự khác biệt là tốc độ: Trong những điều kiện khắc nghiệt, chọn lọc tự nhiên có thể làm cho đột biến lây lan nhanh hơn nhiều so với khả năng di truyền.

Để so sánh giữa chọn lọc tự nhiên và sự trôi dạt di truyền, tiến sĩ Berreiro và các đồng nghiệp của ông đã quay trở lại DNA của người London để có một cái nhìn khác. Họ đã tận dụng thực tế là các đoạn DNA lớn của chúng ta không chứa gene hoạt động. Các đột biến tấn công những vết rạn đó không có khả năng gây ra bất kỳ tác hại nào. Chúng cũng không có khả năng mang lại bất kỳ lợi ích nào. Chúng chỉ lây lan nhờ sự trôi dạt di truyền.

Tiến sĩ Barreiro và các đồng nghiệp của ông phát hiện ra rằng một số đột biến trung tính này trở nên phổ biến hơn sau "cái chết đen". Nhưng 35 đột biến trong gene miễn dịch lây lan nhanh hơn nhiều so với đột biến gene trung tính - nhanh đến mức chỉ có chọn lọc tự nhiên mới có thể tạo nên thành công của chúng.

Đối với một thử nghiệm khác, các nhà khoa học lặp lại thí nghiệm của họ, lần này là ở Đan Mạch.

Họ tìm thấy DNA trong bộ xương của 198 người Đan Mạch sống từ năm 850 đến năm 1800. Các đột biến trong gene miễn dịch cũng nhanh chóng lây lan ở Đan Mạch sau "cái chết đen". Khi các nhà khoa học sắp xếp các đột biến từ các mẫu ở London và Đan Mạch, họ tìm thấy 4 đột biến đã lây lan trong cả hai quần thể. Bốn đột biến này lây lan nhanh chóng ở London và Đan Mạch đến nỗi chúng hẳn đã cung cấp một hàng rào bảo vệ ấn tượng chống lại bệnh dịch.

Các nhà nghiên cứu phát hiện việc mang hai phiên bản bảo vệ của gene có tên là ERAP2 chẳng hạn, khiến con người có khả năng sống sót sau "cái chết đen" cao hơn 40% - “tiến hóa có lợi lớn nhất từng được tìm thấy ở người” - tiến sĩ Barreiro nói.

David Enard, nhà sinh vật học tiến hóa tại Đại học Arizona, người không tham gia vào nghiên cứu mới, cho biết: “Nó thực sự gây sốc". Ông cho biết nghiên cứu đặc biệt hấp dẫn nhờ vào cách các nhà khoa học loại trừ sự trôi dạt di truyền. “Điều thực sự mang lại cho nghiên cứu này sức mạnh là sự liên quan của nó đến toàn bộ cách tiếp cận thiết kế so sánh cẩn thận này”, David Enard chia sẻ.

ERAP2 tạo ra một loại protein có liên quan đến phản ứng miễn dịch chống lại vi khuẩn và vi rút xâm nhập. Khi một tế bào miễn dịch nuốt phải mầm bệnh, nó sẽ xuất hiện các protein từ kẻ xâm lược trên bề mặt của nó. Chúng đóng vai trò như báo động cho phần còn lại của hệ thống miễn dịch. Công việc của ERAP2 là cắt bỏ các bit của protein lạ để hiển thị chúng.

Hàng tỷ người có một phiên bản của gene ERAP2 bị đột biến khiến các tế bào không thể tạo ra protein của nó. Nhưng những người có phiên bản gene này không bị tổn hại nhiều. Điều đó rất có thể là do con người có nhiều gene khác giúp hiện diện các protein lạ trong hệ thống miễn dịch.

Trong "cái chết đen", tiến sĩ Barreiro và các đồng nghiệp của ông nhận thấy, chọn lọc tự nhiên đã ưu ái cho phiên bản hoạt động của ERAP2. Để hiểu rõ hơn tại sao, họ đã trộn vi khuẩn Yersinia với các tế bào miễn dịch của những người có cả hai phiên bản của gene này.

Các nhà nghiên cứu phát hiện hai bản sao ERAP2 đang hoạt động cho phép các tế bào miễn dịch quét sạch vi khuẩn. Nếu không có nó, các tế bào sẽ hoạt động kém đi khá nhiều.

Nhưng phiên bản gene đó cũng làm tăng nguy cơ mắc bệnh Crohn, một chứng rối loạn trong đó hệ thống miễn dịch tấn công các vi khuẩn thân thiện trong đường ruột và gây ra tình trạng viêm nhiễm. Tiến sĩ Berreiro cho biết có thể ERAP2 đã làm quá tốt công việc của nó, gây ra tiếng chuông cảnh báo cho vi khuẩn có lợi cũng như có hại xung quanh. Các đột biến khác mà ông và các đồng nghiệp xác định được từ DNA cổ đại cũng liên quan đến các rối loạn miễn dịch.

Tiến sĩ Berreiro và các đồng nghiệp của ông đang tiếp tục nghiên cứu các gene trong quá trình tiến hóa của "cái chết đen", không chỉ để hiểu chương đó trong lịch sử mà còn hiểu chính các gene đó. Thực tế là chúng đã trải qua quá trình chọn lọc tự nhiên mạnh mẽ như vậy rất có thể chúng rất quan trọng trong cuộc chiến chống lại bệnh tật - và có lẽ không chỉ là bệnh dịch.

Tiến sĩ Berreiro nói: “Trước đây nó rất quan trọng và rất có thể ngày nay nó sẽ càng quan trọng hơn".