От безобидной бактерии к чумной палочке: новое исследование объясняет быструю эволюцию чумы
За очень короткий по эволюционным меркам срок бактерия, вызывающая лёгкое желудочное расстройство, превратилась в смертоносного убийцу, ответственного за самые опустошительные пандемии в истории человечества. Как безобидная Yersinia pseudotuberculosis стала Yersinia pestis, более известной как чумная палочка?
Учёные из Медицинской школы Файнберга Северо-Западного университета, используя новые методы секвенирования ДНК, представили долгожданные доказательства того, как два патогена с практически идентичным генетическим материалом могут вызывать столь разные болезни. Команда выявила неожиданный источник этих различий, который может помочь объяснить быструю эволюцию чумы.
Результаты, которые будут опубликованы 29 августа в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, показывают, как новые технологии могут помочь в разработке методов борьбы со смертельными заболеваниями, включая чуму.
«Большинство людей считает чуму исторической болезнью, но она по-прежнему остаётся проблемой общественного здравоохранения сегодня как среди людей, так и среди животных», — говорит ведущий автор исследования Уиндем Лэтем. — «Она чрезвычайно опасна и высоковирулентна. Без лечения от заражения до смерти может пройти всего от трёх до пяти дней».
По данным ВОЗ, в мире ежегодно регистрируется от 1000 до 3000 случаев чумы, а Y. pestis существует на всех континентах, кроме Антарктиды. Министерство внутренней безопасности США классифицирует Y. pestis как биологический агент категории А, в которую также входят сибирская язва, оспа и вирус Эбола.
Предок чумной палочки, Y. pseudotuberculosis, всё ещё существует и заражает людей, но вызывает лишь лёгкое желудочно-кишечное заболевание, и у большинства людей симптомы не проявляются.
Лэтем и его коллеги обнаружили, что различия в тяжести заболеваний между этими двумя подвидами могли возникнуть из-за изменений в малых некодирующих РНК (sRNAs) — сложных молекулах, участвующих в контроле многих клеточных процессов.
Команда из Северо-Западного университета впервые показала, что sRNAs у иерсиний влияют на вирулентность. Это открытие предполагает, что эволюция патогенов может происходить и на уровне изменений в РНК, и в способе регуляции кодирующих белки генов.
Лэтем использовал передовую технологию секвенирования ДНК — высокопроизводительное секвенирование (high-throughput sequencing) — чтобы идентифицировать полный набор sRNAs, производимых Y. pseudotuberculosis. Эта технология позволила его команде впервые изучить заболевания на более глубоком генетическом уровне.
«Эта техника позволяет нам по-настоящему разобраться в том, как эволюционируют патогены и как разные виды бактерий способны вызывать разные типы заболеваний», — говорит Лэтем. — «Это выходит за рамки изучения того, какие белки производятся бактериями. Это дополнительный уровень эволюционного анализа».
Эта детективная работа важна, потому что если исследователи смогут идентифицировать уникальные характеристики смертоносных видов, таких как Y. pestis, они смогут создать новые или адаптировать существующие методы лечения.
В отличие от традиционной матричной РНК (mRNA), которая копируется с ДНК для создания белков и хорошо изучена учёными, эти некодирующие молекулы sRNA никогда не переводятся в белки. Сотни молекул некодирующей РНК существуют внутри бактериальных клеток, но до недавнего времени учёные не определяли функцию многих из них.
«Как только мы идентифицировали полный набор sRNAs для Y. pseudotuberculosis, дальнейший анализ позволил сделать ряд удивительных открытий об их функции», — отмечает Лэтем.
Среди этих открытий команда Лэтема идентифицировала 150 sRNAs, большинство из которых специфичны для видов Yersinia, и шесть sRNAs, уникальных для Y. pseudotuberculosis. Эти шесть sRNAs отсутствуют у Y. pestis, вероятно, утеряны в ходе её быстрой эволюции (где-то между 1500 и 20 000 лет назад), и, таким образом, потенциально ответственны за вирулентность чумы. Команда Лэтема пришла к такому выводу, потому что смогла точно определить, какие гены контролируют эти sRNAs.
«Важный урок заключается в том, что небольшие изменения могут оказывать большое влияние на функции sRNAs», — отмечает первый автор статьи Джованка Ку. — «Они могут влиять на время экспрессии или производства РНК, на способ её складывания (folding) и на способность этой РНК влиять на регулируемую кодирующую белок РНК». Со временем эти небольшие изменения могут стать разницей между лёгким и смертельным заболеванием.