Piotr Gąsiorowski w swoim doskonałym cyklu na temat ewolucji napisał o mutacjach ograniczających podatność na malarię, takich jak np. niedokrwistość sierpowatokrwinkowa. Choroba ta jest wynikiem mutacji w genie kodujących hemoglobinę β. Na obszarach endemicznych dla malarii co czwarty człowiek jest nosicielem takiego genu; osoby takie są oporne na malarię. Obecność dwóch alleli z mutacją (w Afryce Zachodniej jest 3% takich osób) powoduje, że krwinki czerwone mają sierpowaty kształt (stąd nazwa), co podwyższa ich skłonność do rozpadu czyli hemolizy. Takie osoby chorują na anemię i mają inne komplikacje zdrowotne. Nosiciele (czyli osoby, którzy mają jeden zmutowany allel) nie mają poważnych dolegliwości, chociaż mogą mieć problemy z nerkami. Można więc powiedzieć, że 3% objawowych homozygot (czyli osób z dwoma zmutowanymi allelami) które chorują na anemię to koszt dostosowania się do środowiska, w którym malaria jest stale obecna.
Piotr Gąsiorowski wspomniał o jeszcze jednej mutacji, która ogranicza podatność na malarię. Jest nią mutacja w genie kodującym antygen Duffy. Czym jest to białko? O tym w poniższym wpisie.
Grupy krwi Duffy a i Duffy b
Jak już pisałem w moim wpisie o grupach krwi, podział krwi na grupy jest metodą klasyfikacji krwinek czerwonych na podstawie obecności na ich powierzchni cząsteczek zwanych antygenami grupowymi, które mogą być wykrywane przez przeciwciała. Przeciwciała takie mogą spowodować aglutynację (czyli zlepianie się) krwinek; jeżeli osobie, która ma takie przeciwciała, przetoczy się krwinki przez nie rozpoznawane, to może nastąpić tzw. ostra reakcja poprzetoczeniowa grożąca śmiercią. Tak więc jeżeli osoby mają tę samą grupę krwi, to znaczy, że na ich krwinkach są takie same antygeny. Antygeny te na podstawie podobieństwa sklasyfikowane są w grupach, nazywanych układami grupowymi. U człowieka znanych jest obecnie (2024 r.) 45 układów grupowych zawierających 362 antygeny. Są wśród nich dobrze znane, jak ABO czy Rh, ale też rzadziej wspominane, jak właśnie Duffy. Antygeny tego układu znajdują się na białku Duffy obecnym na komórkach śródbłonka, który „wyściela” nasze naczynia krwionośne. To samo białko jest też na krwinkach czerwonych. Jaka jest jego rola?
Duffy czyli DARC
Białko Duffy, znane też jako DARC (Duffy Antigen Receptor for Chemokines, czyli receptor dla chemokin z antygenem Duffy) składa się z 336 reszt aminokwasowych. Przebija błonę komórkową 7 razy i ma 3 łańcuchy cukrowe (Ryc. 1). Jest kodowane przez gen ACKR1 znajdujący się na chromosomie 1.
Ryc. 1. Struktura białka Duffy (DARC). DARC składa się z 336 reszt aminokwasowych (oznaczonych jednoliterowymi symbolami). Polimorfizm Fya/Fyb to glicyna (G)/kwas asparaginowy (D) w pozycji 42. Pokazano też polimorfizmy w pozycjach 89 i 100: zastąpienie cysteiny (C) przez argininę (R) oraz alaniny (A) przez treoninę (T) powoduje powstanie fenotypu Fyx. CHO to łańcuchy cukrowe przyłączone do reszt 16, 27 i 33. Zaznaczono też immunogenny fragment białka o nazwie Fy6.
Według: Łukasik E. i Waśniowska K., Post. Hig. Med. Dośw. 2016, 70:143-171. Licencja CC BY 4.0.
Z białkiem Duffy związane są dwa antygeny grupowe o nazwach Duffy a i Duffy b (w skrócie Fya i Fyb). Przyczyną ich powstania jest różnica w sekwencji aminokwasowej: w pozycji 42 łańcucha polipeptydowego jest glicyna w Fya i kwas asparaginowy w Fyb. Kodowane są przez dwa allele o nazwach FY*A i FY*B. Jeżeli oba allele są obecne, to mamy fenotyp Fy(a+b+). Jeżeli tylko jeden, to Fy(a+b-) lub Fy(a-b+). U osób o fenotypie Fy(a+b+) połowa antygenów Duffy stanowią cząsteczki Fya (czyli z glicyną w pozycji 42), a połowę – Fyb (z kwasem asparaginowym w tej pozycji). W przypadku osób o fenotypie Fy(a+b-) i Fy(a-b+), 100% cząsteczek białka Duffy to odpowiednio białka typu Fya i Fyb.
Około 1% ludzi ma allel FY*B. Koduje on białko, w którym reszty aminokwasowe w pozycjach 89 i 100 są zastąpione innymi resztami (wyjaśnione na Ryc. 1). Obecność dwóch takich alleli powoduje powstanie fenotypu Fyx znanego też jako Fyweak: białko Duffy jest wprawdzie obecne, ale w bardzo niewielkiej ilości.
W przeciwieństwie do grup A/B/O, większość ludzi nie ma przeciwciał rozpoznających antygeny Duffy. Przeciwciała takie mogą być jednak obecne u osób, którym wielokrotnie przetaczano krew. Jest tak dlatego, że nasz układ odpornościowy może rozpoznać antygen Duffy, którego nie mamy, jako coś obcego. Tak właśnie było w przypadku Richarda Duffy (zmarł w 1956 r.), który chorował na hemofilię, miał grupę Fy(a-b+) i w wyniku wielokrotnych transfuzji wytworzył przeciwciała anty-Fya. Od jego nazwiska pochodzi nazwa całego układu grupowego.
Antygen Fya występuje trochę częściej u mieszkańców Azji (ma go 99% mieszkańców), a antygen Fyb u mieszkańców Europy (83% mieszkańców). W Afryce jest ciekawa sytuacja: większość jej mieszkańców nie ma ani antygenu Fya ani Fyb, co jest wynikiem obecności częstego w Afryce allelu FY*BES (Ryc. 2). Fenotyp taki nazywany jest Fy(a-b-). Jaka jest przyczyna tego zjawiska? Żeby to wyjaśnić, trzeba opisać funkcję pełnioną w naszym organizmie przez białko Duffy.
Ryc. 2. Częstość występowania alleli FY*A, FY*B i FY*BES. Źródło: Howes R.E. et al., Nat. Commun. 2010, 2:266. Licencja CC BY 4.0.
Duffy i chemokiny
Białko Duffy jest receptorem dla chemokin, czyli niewielkich białek (masa cząsteczkowa 8-12 kDa) produkowanych przez komórki naszego organizmu w sytuacjach stresowych. Chemokiny należą do rodziny cytokin, czyli białek regulujących odpowiedź odpornościową organizmu. Ich rola jest szczególna: odpowiadają za chemotaksję, czyli reakcję ruchową na bodźce chemiczne. Większość receptorów dla chemokin to białka związane z białkiem G (pisałem o tym białku we wpisie o receptorach smaku). Po związaniu chemokin białka te przesyłają sygnał do komórki, zmuszając ją do reakcji (w tym przypadku ruchu). Znanych jest ponad 50 rodzajów chemokin i ponad 20 rodzajów receptorów, które je rozpoznają.
Chemokiny wiążą się do receptorów na powierzchni komórek i powodują, że komórki te przemieszczają się w stronę wyższego stężenia chemokin. Ma to wielkie znaczenie dla obrony naszego organizmu przez patogenami. Przykładowo, jeżeli skaleczymy się w rękę, bakterie wnikają do rany i zaczynają się namnażać. W odpowiedzi na obecność bakterii, komórki skóry bądź nabłonka wytwarzają cytokiny, których zadaniem jest informowanie komórek układu odpornościowego (takich jak leukocyty, makrofagi czy granulocyty) o obecności bakterii. Te same komórki wytwarzają też chemokiny, które stanowią coś w rodzaju drogowskazów dla komórek układu odpornościowego. Obecność chemokin to sygnał dla tych komórek, że mają przemieszczać się w kierunku, gdzie chemokiny powstają.
Białko Duffy nie jest typowym receptorem dla chemokin, ponieważ nie tworzy kompleksu z białkiem G i nie może przesyłać sygnału do komórki. Dlatego jest nazywane „receptorem zlewowym” (sink receptor). Jego rola to wiązanie chemokin na powierzchni komórek, co powoduje obniżenie stężenia chemokin w osoczu. Ponieważ krwinki czerwone to najliczniejsze komórki w naszym organizmie (jest ich 29 x 1012 wobec 7 x 1012 wszystkich pozostałych komórek), białko Duffy na czerwonych krwinkach pełni rolę „magazynu” chemokin.
No dobrze, ale co to ma wspólnego z malarią?
Duffy i malaria
Malaria jest zakaźną chorobą przenoszoną przez komary, a powodowaną przez pasożytnicze protisty z rodzaju Plasmodium (polska nazwa: zarodźce). Człowiek jest żywicielem pośrednim dla pięciu gatunków, z których najgroźniejsze są dwa: Plasmodium falciparum, czyli zarodziec sierpowaty, i Plasmodium vivax, czyli zarodziec ruchliwy. Ok. 260 milionów ludzi zapada rocznie na malarię, z czego ok. 600 000 (w większości dzieci) umiera. Większość zachorowań jest powodowana przez P. vivax, ale 90% ofiar śmiertelnych powoduje P. falciparum.
Zakażenie rozpoczyna się, gdy samica komara przekłuwa skórę, wstrzykując zakaźne formy zarodźca nazywane sporozoitami. Trafiają one do wątroby, gdzie w ciągu kilku dni przekształcają się w merozoity, które infekują krwinki czerwone (Ryc. 3).
Ryc. 3. Cykl życiowy zarodźca malarii. Według: Wikimedia Commons. Licencja CC BY 4.0.
Merozoity namnażając się w krwinkach czerwonych i co 48 godzin rozrywają je, co powoduje ataki gorączki. Podatność na malarię zależy od wielu czynników, w tym m.in. od grup krwi układu ABO. Osoby o grupie krwi O są nieco bardziej oporne na malarię powodowaną przez P. falciparum, dlatego wśród mieszkańców terenów endemicznych dla malarii przeważają osoby z grupą O.
Ale ten mechanizm nie działa w przypadku P. vivax, dlatego ewolucja zastosowała tu inny wybieg. Białko Duffy jest jednym z dwóch receptorów dla merozoitów P. vivax (drugim jest receptor dla transferyny). Znaczy to, że zarodziec może infekować krwinki tylko wtedy, gdy te mają na powierzchni białko Duffy. Jak wspomniałem, istnieją dwie grupy krwi, Fya i Fyb, przy czym antygen Fya jest trochę gorzej rozpoznawany przez merozoity P. vivax. Dlatego osoby o fenotypie Fy(a+b-) są nieco bardziej oporne na zakażenia tym pasożytem. Ale naprawdę dużą oporność wykazują osoby, u których białko Duffy w ogóle nie występuje na powierzchni krwinek. Takie osoby mają fenotyp Fy(a-b-), który jest wynikiem obecności dwóch alleli o nazwie FY*BES. Allele te kodują prawidłowe białko Duffy, które ulega ekspresji wyłącznie na komórkach śródbłonka, natomiast nie ma go na powierzchni krwinek czerwonych. Jest to wynik punktowej mutacji w promotorze tego genu, czyli we fragmencie genu odpowiadającym za uruchomienie transkrypcji (czyli przepisania sekwencji DNA na mRNA). Zamiana jednego nukleotydu (tyminy na cytozynę) w pozycji -67 sekwencji nukleotydowej allelu FY*B powoduje, że erytroidalny czynnik transkrypcyjny GATA-1, który odpowiada za ekspresję białka Duffy na krwinkach czerwonych oraz ich prekursorach nie może się przyłączyć do odpowiedniego fragmentu w promotorze. Skutkiem jest nieobecność białka Duffy na krwinkach. Allel z taką mutacją to właśnie FY*BES (od ES czyli erythroid silent, nieobecny na komórkach erytroidalnych). Częstość tego allelu to 90% u rdzennych mieszkańców Afryki i 68% u Afro-Amerykanów.
Osoby z dwoma takimi allelami mają prawie 100% oporność na zakażenia P. vivax. Prawie, bo zahamowanie ekspresji białka Duffy na krwinkach czerwonych nie jest jednak całkowite i na niedojrzałych krwinkach występuje niewielka ilość tego białka. Takie młode krwinki mogą być „tylnymi drzwiami”, przez które zarodziec wnika powodując malarię. Ochrona jest jednak znacząca, i prawdopodobnie dlatego częstość fenotypu Fy(a-b-) w Afryce wynosi od 8% w Sudanie do 86% w Botswanie (Ryc. 2). Uważa się, że mutacja powodująca powstanie allelu FY*BES pojawiła się w Afryce ok. 60 000 – 30 000 lat temu i rozpowszechniła się w wyniku presji ze strony zarodźca P. vivax.
Co ciekawe, w Europie Środkowej (Polska, wschodnie Niemcy) kilka do kilkunastu procent ludzi jest nosicielami allelu FY*BES (Ryc. 2). Może to powodować pewne problemy w transfuzjologii, bo osoby o fenotypie Fy(a-b-), którym przetoczy się krwinki Fy-dodatnie, mogą wytworzyć przeciwciała anty-Duffy. Jeszcze do lat 50. ubiegłego wieku malaria powodowana przez P. vivax była obecna w Europie, i być może to spowodowało rozpowszechnienie się tego allelu?
Czy fenotyp Fy(a-b-) to same zalety?
Tak jak w przypadku anemii sierpowatokrwinkowej, fenotyp Fy (a-b-) też może powodować pewne negatywne skutki. Ponieważ białko Duffy stanowi „podręczny magazyn” chemokin, a najwięcej jest go na krwinkach czerwonych, to brak tego białka na krwinkach powoduje podwyższenie stężenia chemokin w osoczu. Może mieć to szczególne znaczenie w przypadku chemokin angiogennych, czyli stymulujących powstawanie nowych naczyń krwionośnych. Guzy nowotworowe potrzebują naczyń krwionośnych do rozwoju, dlatego podwyższone stężenie takich chemokin może stymulować ich rozwój. Przekłada się na wyższą częstość niektórych chorób nowotworowych, zwłaszcza raka prostaty (drugi co do częstości nowotwór u mężczyzn). U Afro-Amerykanów, wśród których większość stanowią osoby o fenotypie Fy(a-b-), zachorowalność na raka prostaty w porównaniu do osób o pochodzeniu europejskim jest wyższa o ponad 60%, a śmiertelność o 100%.
Literatura dodatkowa
Podstawowe wiadomości o białku Duffy
https://phmd.pl/api/files/view/116837.pdf
Białko Duffy i malaria
http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.102014
Fenotyp Duffy-ujemny i zakażenia P. vivax
