NOBELPRISET I FYSIOLOGI ELLER MEDICIN 2022

Nobelpriset i fysiologi eller medicin år 2022

Nobelpriset i fysiologi eller medicin år 2022 tilldelas Svante Pääbo för hans upptäckter rörande utdöda homininers arvsmassa och människans evolution.

Mänskligheten har under alla tider fascinerats av sitt ursprung. Var kommer vi ifrån och hur ser vårt släktskap ut med människoformer som kom före oss?

Vad gör oss, Homo sapiens, annorlunda jämfört med andra homininer?

Genom banbrytande forskning åstadkom Svante Pääbo vad ingen trodde var möjligt: kartläggning av arvsmassan från Neandertalare, en utdöd släkting till nu levande människor. Han gjorde även den sensationella upptäckten av en tidigare okänd hominin, Denisova.

Pääbo gjorde också det viktiga fyndet att korsningar mellan Homo sapiens och våra utdöda släktingar skett efter migrationen ut ur Afrika för omkring 70 000 år sedan. Genflödet från utdöda människoformer som lämnat spår hos nu levande människor utanför Afrika har visats ha fysiologisk betydelse, bland annat för människors försvar mot infektioner.

Pääbos banbrytande upptäckter har skapat ett helt nytt forskningsfält, paleogenomik. Hans kartläggning av arvsmassa från utdöda Neandertalare och Denisova har gett oss helt nya förutsättningar för att förstå den genetiska grunden för vad som gör oss alla unikt mänskliga.

Var kommer vi ifrån?

Frågan om människans ursprung och vad som gör oss unika har intresserat mänskligheten sedan urminnes tider. Paleontologi och arkeologi är viktiga för att studera människans evolution. Forskningen har visat att den anatomiskt moderna människan, Homo sapiens, uppstod i Afrika för omkring 300 000 år sedan medan våra närmaste kända släktingar, Neandertalarna, utvecklades utanför Afrika och befolkade Europa och västra Asien under minst 400 000 år fram till för 30 000 år sedan. För omkring 70 000 år sedan utvandrade grupper av Homo sapiens från Afrika till Mellanöstern varifrån de sedan spreds till resten av världen. Under tiotusentals år levde därför Homo sapiens och Neandertalare samtidigt i stora delar av Eurasien. Men vad känner vi till om vårt genetiska släktskap med de utdöda Neandertalarna? Genetisk information kan ge ledtrådar. I slutet av 1990- talet hade nästan hela människans arvsmassa sekvenserats. Det var ett betydande framsteg som innebar att genetiskt släktskap mellan olika befolkningsgrupper kunde studeras och ge kunskap om människans evolution. Men att utreda nutida människors släktskap med de utdöda Neandertalarna var en mycket stor utmaning.

En till synes omöjlig uppgift

Svante Pääbo var tidigt fascinerad av möjligheterna att använda moderna genetiska metoder för att studera Neandertalarnas DNA. Han insåg snart de stora utmaningarna. Eftersom DNA med tiden förändras och bryts ner till allt kortare fragment finns ytterst lite kvar i mänskliga rester efter tusentals år (Figur 1). De små mängderna är dessutom uppblandade med stora mängder DNA från bakterier och nutida människor. Som postdoktor hos Allan Wilson, en framstående evolutionsbiolog, påbörjade Pääbo vad som skulle bli ett flera decennier långt arbete med att utveckla metoder för att möjliggöra analys av DNA från Neandertalare. 1990 rekryterades Pääbo till Münchens universitet där han som nybliven professor fortsatte arbetet med att lösa den till synes omöjliga uppgiften. Han bestämde sig för att först analysera arkaiskt DNA från Neandertalares mitokondrier, en organell i cellen som innehåller eget DNA. Mitokondriens arvsmassa innehåller en mycket liten andel av cellens genetiska information, men finns i tusentals kopior vilket ökar chansen att lyckas. Med sina förfinade metoder lyckades Pääbo sekvensera en region av mitokon

Alfred Nobel

Nobelförsamlingen, som består av 50 professorer vid Karolinska Institutet, utser Nobelpristagare i fysiologi eller medicin. Utredningsarbetet genomförs av dess Nobelkommitté. Nobelpriset har sedan 1901 belönat de forskare som gjort de viktigaste upptäckterna till mänsklighetens nytta. Nobelpriset® är Nobelstiftelsens registrerade varumärke.

Figur 1. Två olika platser i cellen innehåller DNA. Cellkärnans DNA innehåller merparten av vår arvsmassa men mitokondriernas lilla arvsmassa finns i tusentals kopior. Efter döden bryts DNA ner och med tiden finns mycket lite kvar. Då är det uppblandat med DNA, från exempelvis bakterier och nutida människor.

Figur 4. Pääbos banbrytande arbete har skapat en grund för att förklara vad som gör oss unikt mänskliga.

driens DNA från en 40 000 år gammal benbit. Nu hade man för första gången en sekvens från vår närmaste kända utdöda släkting. Jämförande DNA-analyser visade att Neandertalare tydligt skilde sig från nu levande människor.

Neandertalarens hela arvsmassa kartläggs

Eftersom mitokondriegenomet innehåller mycket lite genetisk information, tog sig Pääbo nu an den gigantiska utmaningen att sekvensera Neandertalares arvsmassa från cellkärnan. Vid den här tiden fick han erbjudandet att grunda ett Max Planckinstitut i Leipzig, Tyskland. Vid det nya institutet kunde Pääbo och hans grupp steg för steg förbättra metoderna för att isolera och analysera DNA från mycket gamla benfynd. Helt nya tekniska landvinningar som gjorde sekvensering av DNA betydligt mer effektiv var också avgörande och han inledde flera viktiga samarbeten, bland annat med populationsgenetiker och experter på avancerad sekvensanalys. Ansträngningarna gav resultat. 2010 publicerade Pääbo arbetet som beskrev det till synes omöjliga: Neandertalarnas DNA-sekvens hade kartlagts. Jämförande analyser visade att den senaste gemensamma föregångaren till Neandertalare och till den nutida människan levde för ungefär 800 000 år sedan.

Nu kunde Pääbo och hans medarbetare i detalj analysera vårt släktskap med Neandertalare. Den kartlagda Neandertalsekvensen jämfördes med sekvenser från nutida människor från olika delar av världen. Resultaten var tydliga: Neandertalsekvensen var mer lik sekvenser från nutida människor i Europa och Asien jämfört med människor i Afrika. Detta visade att Neandertalare och Homo sapiens fick barn med varandra under de tiotusentals år då de var samtida. Hos nutida människor med europeiskt eller asiatiskt ursprung fann han att i genomsnitt 1-4% av arvsmassan kommer från Neandertalare

En sensationell upptäckt:

Denisova 2008 upptäcktes en omkring 40 000 år gammal benbit i Denisovagrottan i södra Sibirien. Det var ett mänskligt lillfingerben som befanns innehålla förvånansvärt välbevarat DNA. Pääbos forskargrupp analyserade arvsmassan och gjorde en sensationell upptäckt: DNA-sekvensen var unik jämfört med kända sekvenser från Neandertalare och Homo sapiens. Pääbo hade upptäckt en tidigare okänd människotyp som fick namnet Denisova. Jämförelser med sekvenser från nu levande människor från olika delar av världen visade att genetiskt utbyte skett även mellan Denisova och Homo sapiens, ett släktskap som först kunde ses bland folkgrupper i Melanesien och Sydostasien, där nutida människor bär på upp till 6% Denisova-DNA (Figur 2). Pääbos upptäckter har gett oss en ny förståelse för vår evolutionära historia. Vid tiden för Homo sapiens migration ut ur Afrika levde åtminstone två nu utdöda homininer i Eurasien. Neandertalare levde huvudsakligen i västra Eurasien, medan Denisova levde i de östra delarna av kontinenten. Under expansionen utanför Afrika korsades Homo sapiens med Neandertalare och under

Figur 2. A. Pääbo utvann DNA från benbitar från utdöda homininer. Först användes ett ben från Neandertal i Tyskland, platsen som gett namn åt Neandertalarna. I ett senare arbete analyserade han DNA från ett fingerben från Denisovagrottan i södra Sibirien, platsen som gav namn åt Denisovamänniskan. B. Stamträd som visar Homo sapiens och de utdöda homininernas utveckling och släktskap. Stamträdet illustrerar också de genflöden som Pääbo upptäckte.

Figur 3. Pääbos upptäckter har lärt oss hur världen var befolkad vid den tidpunkt då grupper av Homo sapiens lämnade Afrika och spred sig över världen. Neandertalare levde i väster och Denisova i öster på den Eurasiatiska kontinenten. När Homo sapiens spred sig över kontinenten skedde möten som än idag kan spåras i vårt DNA.

vandringen vidare österut, även med Denisova (Figur 3). Paleogenomik och dess betydelse Med sina banbrytande studier har Svante Pääbo etablerat ett nytt forskningsfält, paleogenomik. Efter de inledande upptäckterna har hans grupp kartlagt ett flertal genom från de utdöda homininerna. Den omfattande kartläggningen utgör en unik resurs som används intensivt av forskare i jämförande studier för att förstå människans evolution och migration. Med kraftfulla metoder för dataanalys har man kunnat se tecken på att arkaiska människoformer har blandat sig med Homo sapiens även i Afrika. Dock har DNA från utdöda homininer ännu inte påvisats i Afrika, eftersom betingelserna för att bevara DNA är sämre i tropiska klimat.

Tack vare Svante Pääbos upptäckter förstår vi nu att arkaiska sekvenser från våra utdöda släktingar påverkar vår fysiologi. Ett exempel är en Denisova-version av genen EPAS1, som ger en fördel vid vistelse på hög höjd och som är vanlig hos nu levande människor i Tibet. Andra exempel är gener från Neandertalare som påverkar immunförsvaret vid olika typer av infektioner.

Vad gör oss unikt mänskliga?

Homo sapiens är unik genom sin komplexa kultur, innovationsförmåga, skapandet av figurativ konst och sin förmåga att korsa öppet vatten och sprida sig till alla beboeliga delar av vår planet (Figure 4). Även Neandertalare levde i grupper och hade stora hjärnor. De använde också verktyg, men dessa utvecklades mycket lite under hundratusentals år. De genetiska olikheterna mellan Homo sapiens och våra närmaste utdöda släktingar var okända tills de identifierades genom Pääbos banbrytande upptäckter. Intensiv forskning inriktar sig nu på att förstå den funktionella betydelsen av dessa olikheter med det slutgiltiga målet att förklara vad som gör oss unikt mänskliga.

Källa: Nobelförsamlingen och Karolinska Institutet www.nobelprizemedicine.org

Nobelförsamlingen, som består av 50 professorer vid Karolinska Institutet, utser Nobelpristagare I fysiologi eller medicin. Utredningsarbetet genomförs av dess Nobelkommitté. Nobelpriset har sedan 1901 belönat de forskare som gjort de viktigaste upptäckterna till mänsklighetens nytta.

Nyckelpublikationer:

Krings M, Stone A, Schmitz RW, Krainitzki H, Stoneking M, Pääbo S. Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans. Cell. 1997:90:19-30. Green RE, Krause J, Briggs AW, Maricic T, Stenzel U, Kircher M, Patterson N, Li H, Zhai W, Fritz MH, Hansen NF, Durand EY, Malaspinas AS, Jensen JD, Marques-Bonet T, Alkan C, Prüfer K, Meyer M, Burbano HA, Good JM, Schultz R, Aximu-Petri A, Butthof A, Höber B, Höffner B, Siegemund M, Weihmann A, Nusbaum C, Lander ES, Russ C, Novod N, Affourtit J, Egholm M, Verna C, Rudan P, Brajkovic D, Kucan Ž, Gušic I, Doronichev VB, Golovanova LV, Lalueza-Fox C, de la Rasilla M, Fortea J, Rosas A, Schmitz RW, Johnson PLF, Eichler EE, Falush D, Birney E, Mullikin JC, Slatkin M, Nielsen R, Kelso J, Lachmann M, Reich D, Pääbo S. A draft sequence of the Neandertal genome. Science. 2010:328:710- 722. Krause J, Fu Q, Good JM, Viola B, Shunkov MV, Derevianko AP, Pääbo S. The complete mitochondrial DNA genome of an unknown hominin from southern Siberia. Nature. 2010:464:894-897. Reich D, Green RE, Kircher M, Krause J, Patterson N, Durand EY, Viola B, Briggs AW, Stenzel U, Johnson PL, Maricic T, Good JM, Marques-Bonet T, Alkan C, Fu Q, Mallick S, Li H, Meyer M, Eichler EE, Stoneking M, Richards M, Talamo S, Shunkov MV, Derevianko AP, Hublin JJ, Kelso J, Slatkin M, Pääbo S. Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia. Nature. 2010:468:1053-1060. Meyer M, Kircher M, Gansauge MT, Li H, Racimo F, Mallick S, Schraiber JG, Jay F, Prüfer K, de Filippo C, Sudmant PH, Alkan C, Fu Q, Do R, Rohland N, Tandon A, Siebauer M, Green RE, Bryc K, Briggs AW, Stenzel U, Dabney J, Shendure J, Kitzman J, Hammer MF, Shunkov MV, Derevianko AP, Patterson N, Andrés AM, Eichler EE, Slatkin M, Reich D, Kelso J, Pääbo S. A high-coverage genome sequence from an archaic Denisovan individual. Science. 2012:338:222-226. Prüfer K, Racimo F, Patterson N, Jay F, Sankararaman S, Sawyer S, Heinze A, Renaud G, Sudmant PH, de Filippo C, Li H, Mallick S, Dannemann M, Fu Q, Kircher M, Kuhlwilm M, Lachmann M, Meyer M, Ongyerth M, Siebauer M, Theunert C, Tandon A, Moorjani P, Pickrell J, Mullikin JC, Vohr SH, Green RE, Hellmann I, Johnson PL, Blanche H, Cann H, Kitzman JO, Shendure J, Eichler EE, Lein ES, Bakken TE, Golovanova LV, Doronichev VB, Shunkov MV, Derevianko AP, Viola B, Slatkin M, Reich D, Kelso J, Pääbo S. The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains. Nature. 2014:505: 43-49.

KAN MAN DÖ AV GLÄDJE?

Alla har väl någon gång läst om människor, ofta unga kvinnor, som grips av andningssvårigheter, svår ångest och värk i bröstet, och som faller i vanmakt när de konfronteras med en katastrofal händelse, t.ex. en fars, mors eller ett barns olycka och död. Kanske kvicknar de till en kort stund eller några dagar för att sedan dö, men ofta kvicknar de till igen och blir friska. Ibland kan de misstas för döda och t.o.m. begravas.

I inledningen till En herrgårdssägen av Selma Lagerlöf berättas om Ingrid, en fosterdotter i en prästfamilj som ”lockades av synernas och inbillningarnas rike” och kunde sjunka ner i en dröm. Hon önskade sig bort från verkligheten och bad ivrigt till Vår Herre att hon skulle slippa leva. En natt blev hon alldeles stel och kall och tänkte att hon måste vara död.

Det trodde också omgivningen, och hon blev begraven, men hon kände ingen fruktan, utan hon var mest rädd för att de friska skulle upptäcka att hon endast var skendöd. Hur berättelsen sedan utvecklar sig överlåter jag åt läsaren att själv utforska i originalet. Vad jag tänker om hennes tillstånd rent medicinskt är, att det skulle kunna ha rört sig om samma slags åkomma som jag beskrev i inledningen, och som man på senare tid har börjat förstå bättre ur medicinsk synpunkt.

KAN DET VARA HJÄRTINFARKT?

Vid akuta insjuknanden liknar symptomen nästan helt de som ses vid hjärtinfarkt, men den diagnosen verkar mycket osannolik om det drabbar unga människor, i synnerhet kvinnor. De har så gott som aldrig atherosklerotisk hjärtsjukdom (”åderförkalkning i hjärtat”, populärt). Men på senare år har intresset växt för en snarlik sjukdom, som karakteriseras av att hjärtats vänsterkammare blåser upp sig som en ballong och kontraherar sig nästan inte utan blir som bedövad (”stunned” på engelska). Karakteristiskt för det som kommit att kallas Takotsubo-syndromet (TTS) är fem kriterier, som anges i figur 1.1

TTS är alltså en stressinducerad kardiomyopati med symptom som liknar hjärtinfarkt men som inte beror på stopp i hjärtats kranskärl. De vanliga biomarkörerna för akut hjärtinfarkt (AMI) är förhöjda även vid TTS, men troponin är oproportionerligt lågt i förhållande till natriuretisk peptid (BNP) eller NT-proBNP. Stresshormonerna adrenalin och noradrenalin är ofta kraftigt förhöjda. Figur 2 ger en schematisk översikt av stressens inverkan på hormonerna och effekten på hjärtats kammare (vanligtvis vänster, men även höger kammare kan påverkas). Det framgår av figur 3, där olika varianter av hur uppblåsningen av kammaren sker visas. Att resultatet kan bli olika kan sannolikt bero på att fördelning av beta-1- och beta-2-receptorer i hjärtat kan vara individuellt olika.

VILKEN SORTS STRESSREAKTION KAN FRAMKALLA TTS?

Stressreaktioner förknippas vanligtvis med svåra akuta händelser, såsom olycksfall, sorg över avlidna, plötsliga dödsfall, ohyggliga scener eller att man utsätts för våld eller psykisk terror. Men överväldigande glädje kan också ge stimulering av stresshormonerna, och frågan är om de kan uppnå sådan höjd att TTS kan framkallas. Redan 2015 publicerades en sammanställning från The International Takotsubo Registry2, som startade 2011 i Zürich

Figur 1. Kliniska karakteristika för Takotsubo-syndromet (TTS)

1. TTS föregås av stark emotionell stress i 1/3 av fallen med symptom som liknar hjärtinfarkt. 2. 90 procent av fallen sker hos kvinnor före menopausen. 3. Akut mortalitet i form av hjärtruptur, maligna arytmier kardiogen shock eller tromboembolisk stroke förekommer i 4-5 procent av fallen. 4. 15-20 procent får kvarstående hjärtproblem såsom bröstsmärtor, arytmier, (både förmaks- och kammararytmier) och minskad arbetsförmåga. 5. 10 procent får flera episoder av TTS. Mellan episoderna kan de vara symptomfria

Figur 2.

Nuvarande gängse uppfattning om patofysiologin vid Takotsubo. Stress orsakar ökning av noradrenalin från sympatiska nervtrådar och adrenalin från binjurarna. Hjärtats beta1receptorer binder huvudsakligen noradrenalin och förmedlar en ökning av hjärtmuskelns kontraktion, medan hjärtats beta2receptorer under inverkan av superhöga halter av adrenalin däremot minskar kontraktionskraften och gör att kammaren blir slapp och ”ballonerar”. Kranskärlen går också i spasm, drar ihop sig och minskar blodtillförseln (endotelin hjälper till) och bidrar till att hjärtat blir bedövat (”stunned”).

”Stressreaktioner förknippas vanligtvis med svåra akuta händelser, såsom olycksfall, sorg över avlidna, plötsliga dödsfall, ohyggliga scener eller att man utsätts för våld eller psykisk terror. Men överväldigande glädje kan också ge stimulering av stresshormonerna, och frågan är om de kan uppnå sådan höjd att TTS kan framkallas.” Foto: Canstock

Figur 3.

Olika typer av ”ballonering” som förekommer: I är apikal (rör spetsregionen) och är vanligast, II angriper mellanregionen och III hjärtats basregion. IV visar en ofullständig apikal variant, och V visar att bägge kamrarna kan angripas, eller t.o.m. endast höger kammare.

och omfattar fall från 8 europeiska länder (däribland EJ Italien och Spanien). Av 1750 fall av TTS befanns 485 ha en emotionell stressreaktion som orsak, och av dem var 20 (4,1 procent) orsakade av positiva och glada händelser. I den studien såg man att det var huvudsakligen mittdelen av kammaren (variant II i figur 3) som vidgades, i motsatts till fallen med negativ stress, med i övrigt mycket snarlik symptombild.

Den studie jag vill referera3 är från ett liknande register, kallat GEIST (German-Italian-Spanish Takotsubo). Här redovisas 2482 patienter från 3 tyska, 8 italienska och 38 spanska centra som bidrog med resp. 488, 971 och 1033 patienter. Rekrytering skedde från 2015, huvudsakligen med European Society of Cardiology fastställda kriterier.

Utlösande faktor klassificerades såsom fysisk (arbete), emotionell och osäker. Ungefär 1/3 av patienterna föll i var och en av dessa kategorier. Av de med emotionell bakgrund (ålder 61-78 år) var även här 4,1 % utlösta av lyckliga händelser. Dessa beskrivs i detalj av originaltabellen i artikeln (figur 4). Vad gäller kliniska karakteristika var det få skillnader mellan ”happy” och ”broken” hearts. Som huvudsaklig slutsats angavs att upp till 5 procent av emotionellt utlöst TTS kan orsakas av lyckliga händelser, och detta är vanligare hos män som uppvisar mer atypisk (ej vid spetsen) uppblåsning jämfört med sorglig TTS. Sjukdomsförlopp såväl på sjukhus som efteråt skiljer sig inte signifikant mellan de två typerna av emotionell TTS. Även långtidsdödligheten upp till 5 år skiljer sig inte mellan grupperna.

KOMMENTAR

Man skall alltså inte negligera hjärtbesvär och infarktliknande symptom, inte ens om de uppkommer hos unga människor, när de uppträder under lyckliga omständigheter. För att återknyta till En Herrgårdssägen: en ung flicka som kanske extatiskt ser syner och fantasier, skulle kunna få sådan påverkan att hon påverkas av stresshormoner så till den grad att hon svimmar och ter sig nästan död. Man måste fråga sig om det är möjligt att cirkulationen kan hållas igång, kanske på en minimal men ändå tillräcklig nivå, i ett sådant tillstånd, där hjärtat slagvolym, på grund av att myokardiet är förlamat och vidgat, är nära noll.

Med den gängse synen på hjärtats funktion som en tryckpump som är nödvändig för att skjuta på blodet runt cirkulationen borde det inte vara möjligt någon längre tid. Men om man istället ser cirkulationen som genererad i periferin (av hittills inte utredda mekanismer) och hjärtat som en pulsgivande motståndsregulator i enlighet med de teorier som Branko Furst har framfört, så kan det vara möjligt4,5,6. Vi vet att beta-2-receptorer är mest känsliga för adrenalin, och med väldigt höga Adrenalinvärden i blodet kan det tänkas att det sker en så kraftig vidgning av arteriolerna, att det skulle underlätta blodet att rinna ”av sig självt” och därmed uppehålla fr.a. hjärnan till dess hjärtkammarens förlamning släppt. Givetvis är detta rent spekulativt når det gäller nuvarande kunskaper. Man kan önska att mikrocirkulationen utforskas betydligt bättre vid TTS än vad som hittills gjorts. Själv är jag övertygad om att Fursts sätt att se på cirkulationen är den rätta, men experimentella bevis för att energin till flödet i cirkulationen huvudsakligen kommer från periferin saknas ännu.

GUNNAR NYBERG

Docent. Specialist invärtes medicin, Mölndal kgfnyberg@gmail.com

REFERENSER

1. Omerovic E, Citro R, Bossone E et al. Pathophysiology of Takotsubo syndrome. Part 1: overview and the central role for catecholamine and sympathetic nervous system. Eur J Cardiol 2022. DOI: 10.1002/ejhf.2400 2. Ghadri JR, Sarcon A, DiekmannJ et al. Happy heart syndrome: role of positive emotional stress in Takotsubo syndrome. Eur

Heart J 2016;37:2823-29 3. Stiermaier T, Walliser A, El-Battrawy I et al. Happy heart syndrome. Frequency, characteristics, and outcome of Takotsubo syndrome triggered by positive life events. J Am Coll Cardiol HF 2022;10:459-66 4. Furst B. The Heart and Circulation. 2nd edition. Springer Nature Switzerland 2020. ISBN 978-3-030-25061-4 5. Nyberg G. Hjärtat är en tryckpump som driver blodet genom cirkulationen – det vet väl alla? Medicinsk Access 8/9 2017, sid. 6–11. 6. Nyberg G. Vad driver blodets cirkulation? Medicinsk Access 4/5 2022, sid. 14-17.