Изучение эволюции по древней ДНК патогенов

Современные технологии позволяют ученым секвенировать геномы древних патогенов из хорошо сохранившихся образцов. Сравнивая их с современными геномами, можно понять, как патогены эволюционировали и адаптировались на протяжении истории.

Реконструкция древних геномов стала возможна в последние десятилетия благодаря развитию методов, таких как высокопроизводительное секвенирование ДНК. Ключевая сложность — повреждения ДНК, накапливающиеся за сотни лет (фрагментация и изменения нуклеотидов), но состояние образцов может сильно варьироваться.

Пример Mycobacterium leprae

Изучение древней ДНК возбудителя проказы, Mycobacterium leprae, дало важные результаты:

• Анализ ДНК из средневековых скелетов (Великобритания, Дания, Швеция) показал, что древние штаммы генетически очень похожи на современные.
• Наиболее изменился ген ML0411, кодирующий поверхностный антиген, — возможно, для уклонения от иммунного ответа.
• Снижение заболеваемости проказой в Европе в XVI веке, вероятно, связано не с потерей вирулентности патогена (штаммы схожи), а с внешними факторами, такими как улучшение гигиены после других пандемий (холера, туберкулез).
• Исследование 2021 года, включавшее геномы из лепрозория в Барселоне, выявило множество штаммов M. leprae, что указывает на роль миграции в распространении болезни. Биоинформатический анализ связал демографический рост M. leprae около 250 г. н.э. с экспансией Римской империи.

Установление причин исторических эпидемий

Секвенирование древней ДНК помогает идентифицировать патогены, вызвавшие массовые смертности.

• Причина эпидемии коколицтли (юг Мексики, 1545–1550 гг.) оставалась загадкой 500 лет.
• В 2018 году в зубах 10 жертв из подтвержденного захоронения того периода была обнаружена ДНК Salmonella enterica Paratyphi C — бактерии, вызывающей брюшной тиф.
• Это свидетельствует, что S. Paratyphi C циркулировала во время эпидемии и, вероятно, способствовала катастрофическому сокращению населения.
• Происхождение штамма неясно: он был найден и в останках норвежской женщины (ок. 1200 г.), но гипотеза о завозе европейцами в Мезоамерику остается основной.

Изучение оппортунистических патогенов

Целью реконструкции могут быть не только печально известные патогены. В 2022 году был реконструирован геном Escherichia coli XVI века из мумифицированного желчного камня итальянского дворянина.

• Этот штамм был оппортунистическим патогеном, агентом, вызывающим заболевание при ослаблении хозяина.
• Для аутентификации таких находок используют характерные признаки древней ДНК, например, деградацию на концах фрагментов.
• В геноме были гены вирулентности, в том числе несколько копий генов системы секреции VI типа (T6SS), вероятно, приобретенных от Klebsiella aerogenes.
• Однако большинство этих генов есть и у безвредного лабораторного штамма E. coli K12, а реконструированный штамм не смог заразить мышей. Это подтверждает его первичную роль комменсала, становящегося патогенным лишь при определенных условиях.

Заключение

Геномы древних патогенов — «ископаемые микробного мира» — в сочетании с данными археологии и истории помогают понять эволюцию и эпидемиологию инфекций. Дальнейшее развитие технологий секвенирования и анализа ДНК расширяет возможности для таких исследований.