Палеомикробиология и изучение эволюции бактерий на основе древней ДНКПалеомикробиология и изучение эволюции бактерий на основе древней ДНК
Сколько существует человек, столько существуют и болезнетворные микроорганизмы, вызывающие наши заболевания.
Некоторые из них стали печально известны в истории человечества - например, бубонная чума или оспа. Благодаря современным технологиям ученые могут путешествовать во времени, чтобы узнать, какими были бактерии, вызывавшие эти заболевания, и как они эволюционировали. Если повезет, то геномы патогенных микроорганизмов из прошлого можно будет секвенировать из хорошо сохранившихся образцов. Сравнивая эти геномы с геномами современных патогенов, ученые могут лучше понять, как они развивались и адаптировались на протяжении истории.
Реконструировать древние геномы непросто, и это стало возможным только в последние несколько десятилетий благодаря достижениям молекулярных технологий, таких как высокопроизводительное секвенирование ДНК. Одним из главных препятствий является повреждение, которое ДНК накапливает за сотни лет. Время и воздействие внешних факторов могут фрагментировать ДНК и привести к изменениям в основаниях, составляющих молекулу, что, в свою очередь, может привести к изменению самой последовательности. Однако условия, в которых находятся древние образцы, сильно варьируют, поэтому в некоторых случаях даже очень старые образцы могут относительно хорошо сохраниться.
Одна из самых ранних задокументированных болезней, проказа, и ее возбудитель Mycobacterium leprae, хорошо изучены с точки зрения древней ДНК. Хотя после XVI века эта болезнь стала менее распространенной в Европе, она по-прежнему эндемична по всему миру, и в 2020 году было зарегистрировано почти 128 000 новых случаев заболевания. Еще в 2013 году исследователи проанализировали ДНК M. leprae из британских, датских и шведских скелетов, относящихся к средневековым временам, и обнаружили, что их последовательности удивительно похожи на последовательности современных штаммов. Наибольшим изменениям подвергся ген ML0411, возможно, в попытке M. leprae обойти иммунные реакции, поскольку ML0411 кодирует поверхностный антиген, который наша иммунная система может использовать для распознавания патогена.
Сравнивая древние и современные последовательности ДНК, исследователи также могут получить некоторое представление о том, почему заболеваемость проказой внезапно снизилась в Европе в XVI веке. В исследовании 2018 года 10 древних геномов M. leprae из Великобритании они предположили, что потеря вирулентности вероятно, не была тому виной, поскольку древние и современные штаммы генетически схожи. Напротив, внешние факторы, такие как улучшение гигиенической практики после других пандемий того времени, таких как холера и туберкулез, возможно, способствовали снижению заболеваемости, поскольку M. leprae распространяется преимущественно капельным путем при повторяющемся тесном контакте.
Mycobacterium leprae (розовая) вызывает проказу у людей по крайней мере с 2000 года до нашей эры. Источник: Chaurasiya A.K./Wikipedia
В другом исследовании 2021 года ученые уделили особое внимание малоизученным регионам Европы и проанализировали ДНК 11 более древних геномов M. leprae. Они проанализировали несколько образцов из лепрозория, где содержались инфицированные люди, в Барселоне. Там они обнаружили целый зверинец штаммов M. leprae, что говорит о том, что лепрозорий не только обслуживал местное население, но и принимал людей из-за рубежа, носителей различных штаммов M. leprae. Это также подняло вопрос о важности миграции в распространении болезни.
Используя методы биоинформатики, исследователи смогли связать историческое расширение популяций M. leprae с важными событиями в истории человечества, продемонстрировав силу человеческого перемещения и связей, влияющих на динамику инфекционных заболеваний. Например, продолжающееся расширение Римской империи совпало с бумом популяции M. leprae около 250 года нашей эры. Исследователи предположили, что, мигрируя, люди могли занести M. leprae в ранее незараженные группы населения, которые могли быть более восприимчивы к этому заболеванию. Это объясняет рост заболеваемости, так как M. leprae могла сравнительно легко инфицировать людей, не подвергавшихся ранее заражению.
Помимо пролития света на эволюцию патогенов, секвенирование древней ДНК может также помочь установить патогены, ответственные за события массовой гибели людей, когда другие исторические свидетельства скудны. Например, причина эпидемии коколицтли, охватившей большую часть территории нынешней южной Мексики в период с 1545 по 1550 год, оставалась загадкой более 500 лет. Сохранившиеся описания симптомов неспецифичны, включая рвоту и красные пятна на коже, поэтому трудно сделать вывод о том, что могло вызвать эпидемию.
Однако в 2018 году группа исследователей выявила Salmonella enterica Paratyphi C, бактерию, вызывающую потенциально смертельную энтеральную лихорадку, в зубах 10 тел, раскопанных на единственном подтвержденном кладбище эпохи коколицтли в Мексике. Используя самые современные инструменты анализа для поиска ДНК древних патогенов, исследователи смогли предоставить доказательства того, что S. Paratyphi C циркулировала во время эпидемии и могла вызвать или, по крайней мере, способствовать катастрофическому сокращению популяции, связанному с коколицтли.
Хотя идентичность бактерии была установлена, ее происхождение все еще остается туманным. Учитывая бедствия, которые вызвал коколицтли, ведущей гипотезой является то, что бактерия была занесена европейцами коренному населению Мезоамерики без существовавшего ранее иммунитета. Геном S. Paratyphi C был также обнаружен в останках норвежской женщины, умершей в 1200 году, что свидетельствует о том, что бактерия присутствовала в Европе до контакта с коренным населением Мезоамерики. Тем не менее, исследователи не могут с уверенностью сказать, откуда взялся обнаруженный ими S. Paratyphi C.
Несмотря на историческую известность и важность, не все объекты реконструкции древних геномов являются неприятными патогенами. В начале этого года группа исследователей из Канады, Италии, Австралии и Франции реконструировала геном Escherichia coli 16 века из мумифицированного желчного камня итальянского дворянина. Однако особенность этой бактерии в том, что она не была ответственна за масштабные события, связанные со смертями, такие как бубонная чума или коколицтли. Вместо этого она существовала как оппортунистический патоген - тот, который атакует только тогда, когда его хозяин уже ослаблен.
Такие патогены труднее идентифицировать из-за того, что авторы исследования называют "бременем аутентификации", поскольку они также могли быть занесены в качестве экзогенных контаминантов из окружающей среды или во время раскопок и обработки образцов. В этих случаях повреждения ДНК могут быть полезны, так как ученые могут отличить древние геномы от потенциальных современных контаминантов путем поиска характерных молекулярных признаков. К ним относится деградация концов фрагментов ДНК, при которой составляющие ДНК основания теряют ключевые функциональные группы, изменяя свою химическую структуру.
Древний геном E. coli включал гены вирулентности, которые способствуют ее способности вызывать заболевания. Например, несколько копий генов, кодирующих систему секреции VI типа (T6SS), которая позволяет бактериям напрямую вводить белки, такие как токсины, в своих соседей, указывают на возможный обмен этими генами с другими бактериями. Действительно, кассета генов T6SS, как оказалось, была приобретена у Klebsiella aerogenes, условно-патогенной бактерии, которая совместно с E. coli встречается при некоторых видах инфекций. Однако большинство генов вирулентности, выявленных исследователями, также переносятся E. coli K12, безобидным лабораторным штаммом. Более того, когда исследователи использовали штамм с геномом, похожим на древнюю реконструкцию, они обнаружили, что он не может успешно инфицировать мышей. В целом, эти доказательства подтверждают основную роль этого штамма как комменсальной бактерии, которая становится патогенной только тогда, когда появляется такая возможность.
"Окаменелости" микробного мира, геномы древних патогенов, могут многое рассказать нам о прошлом и настоящем того, как микробы вызывают у нас заболевания. Молекулярные доказательства в сочетании с информацией из других областей исследований, включая археологию и историю, могут помочь нам лучше понять эволюцию и эпидемиологию инфекций прошлого. По мере технического прогресса в области секвенирования и анализа ДНК расширяется окно возможностей для секвенирования и изучения всех видов древней ДНК.
