Emberi populációk genetikai összetételének meghatározása szennyvízből
A kutatók a COMPARE Global Sewage Surveillance Project keretében 2016 óta a világ 60 országából, 79 városból gyűjtöttek városi szennyvízmintát, melyből DNS-izolálást követően metagenomikai szekvenálást hajtottak végre. A kutatás eredeti célja az egyes földrajzi helyeken előforduló baktériumpopulációk összetételének vizsgálata volt, illetve a különböző antibiotikumokra rezisztens törzsek feltárása. A nemzetközi együttműködésben résztvevő magyar kutatók felvetették, hogy
az így gyűjtött minta nyomokban emberi DNS-t is tartalmazhat, amely genetikai információt hordozhat a szennyvíztelep környékén élő népességről.
Mivel a mintagyűjtési és elemzési protokoll bakteriális DNS-re volt optimalizálva, a véletlenül elcsípett, kis mennyiségű (0,2%) emberi DNS nem alkalmas a teljes genom változatosságának vizsgálatára, ezértaz elemzések célpontja a mitokondriális haplocsoportok eloszlása volt.
A sejtek „erőműve” a mitokondrium, egy önálló sejtszervecske, mely az energiaellátásáért felel (ATP-t termel). Minden eukarióta sejtben megtalálható, általában több példányban is, és saját genetikai állománnyal (DNS) rendelkezik. A mitokondriális DNS viszonylag rövid (kb. 16 ezer bázispár, míg a teljes emberi genom 3 milliárd bázispár hosszú) és kizárólag a petesejten keresztül, anyai ágon öröklődik, rekombináció nélkül. Ha nagy ritkán mutáció történik a szekvenciájában, az továbbadódik az utódoknak, ezáltal evolúciós leszármazások is könnyen nyomon követhetők segítségével. Az emberi mitokondrium evolúciós leszármazását bemutató törzsfán (az ún. filogenetikai fán) a végpontokat (leveleket) hívjuk mitokondriális haplotípusoknak, amelyek egymáshoz viszonyított hasonlóságuk alapján haplocsoportokba sorolhatók.
Az emberi mitokondriális DNS haplocsoportok régóta a kutatások fókuszában vannak, hogy segítségükkel az egyes népcsoportok genetikai eredetét meghatározzák. A leszármazások alapján definiálhatunk különböző földrajzi helyekről származó csoportokat, így például kelet-afrikai, nyugat-ázsiai vagy európai haplocsoportokat. Ma már számos cég kínál mindenki számára elérhető módon olyan többé-kevésbé pontos szolgáltatást, ahol DNS vizsgálat alapján az egyén szintjére lebontva ad információkat a genetikai eredetről. Ezen tesztek nagy részét is a mitokondriális haplocsoportok teszik ki. A téma jelentőségét tovább növeli, hogy a mitokondriális DNS haplocsoportok összefüggésbe hozhatók különböző betegségek (pl. szív-érrendszeri betegségek, Alzheimer-kór, valamint számos daganat) megjelenésével, lefolyásával, továbbá bizonyos fertőző betegségekre máshogy reagálnak egyes népcsoportok.
A magyar kutatók hipotézise az volt, hogy a szennyvízmintákból is kiszűrhetőek az emberi mitokondriális DNS fragmentumok. A minták gyűjtését koordináló dán kutatók először lehetetlennek tartották, hogy az emberi DNS jelenléte egyáltalán kimutatható lenne ilyen módon gyűjtött és bakteriális vizsgálat céljára feldolgozott anyagból, de az ELTE kutatói sikeresen bizonyították, hogy nem csak a kimutatás lehetséges, hanem
a DNS szekvenciák elemzésével az adott környékre jellemző haplocsoport-eloszlás is rekonstruálható.
A nagyon alacsony emberi DNS-tartalom megkívánta azt, hogy az egy helyszínről, különböző időpontokban gyűjtött mintákat együtt kezeljék. Ezután a kutatók egy, a várható értéket maximalizáló algoritmus (expectation maximization) segítségével határozták meg a haplocsoportok eloszlását. A kapott eredményt összehasonlítva az irodalomban fellelhető, direkt vizsgálatokon alapuló adatokkal, nagyfokú egyezést találtak, megerősítve azt, hogy a módszer alkalmas precíz, reprodukálható módon az emberi mitokondriális DNS haplocsoportok eloszlásának meghatározására.
Az ilyen jellegű, akár napi szinten kiértékelt, valós idejű információ számos előnnyel járhat a jövőben. Segíthet az egészségügyi szűrőprogramok tervezésénél, a megfelelő kezelések megtalálásában, ha ismerjük a környékre jellemző genetikai variánsok előfordulásának arányát. Ezen felül a járványok terjedésének megakadályozásában is nagy jelentősége lehet, hiszen a betegségekben való érintettség és lefolyás is függhet a mitokondriális haplocsoportoktól. Demográfiai elemzésekhez is fontos, ha a helyi etnikai összetételről úgy tudunk naprakész információt gyűjteni, hogy az adatgyűjtés kevert, természeténél fogva anonim jellege miatt érzékeny etikai kérdések nem lépnek fel. A tanulmány ugyanakkor felhívja arra is a figyelmet, hogy tudtunk nélkül is mindenhol nyomokat hagyunk, amelyeket az egyre hatékonyabbá váló technikák egyre pontosabban képesek elemezni. Annak megválaszolása, hogy milyen hatása lesz ennek az egyén és a társadalom számára, túlmutat egy-egy szűkebb szaktudomány keretein.
A tanulmány a Scientific Reports folyóiratban jelent meg.