Новые данные об эволюции возбудителя чумы
Возбудитель чумы, Yersinia pestis, существует с эпохи неолита — древнейшие находки в человеческих костях имеют возраст около 5000 лет. В истории выделяются позднеантичная Юстинианова чума (VI век) и пандемия «Черной смерти» в позднем Средневековье, которые, по оценкам, уничтожили до половины населения в некоторых частях Европы. Третья пандемия произошла с середины XIX до начала XX века, в основном затронув Азию (особенно Индию), а затем распространившись по миру. С ~15 млн подтвержденных смертей она является одной из самых смертоносных в истории. Чума встречается и сегодня, почти всегда приводя к летальному исходу без быстрого лечения антибиотиками.
Y. pestis эволюционировала тысячелетиями, приобретая и теряя гены. Международная группа исследователей из Кильского университета и Института эволюционной биологии Макса Планка в Плёне изучила древние и современные геномы Y. pestis от неолита до современной пандемии. Они выяснили, что между Средневековьем и современной пандемией Y. pestis приобрела новый генетический элемент — пропрофаг YpfΦ, который связан с вирулентностью (болезнетворным эффектом) патогена.
Новые генетические элементы повысили вирулентность патогена
Ученые исследовали останки 42 человек, похороненных в XI–XVI веках на двух датских приходских кладбищах, и сравнили их генетическую информацию с другими опубликованными геномами. Ранее было показано, что у ранних штаммов не было генов для эффективной передачи через блох, характерной для бубонной чумы. В ходе эволюции Y. pestis приобрела высокую вирулентность.
«В нашем исследовании мы показываем, что все известные штаммы Y. pestis до XIX века не имели определенного генетического элемента — пропрофага YpfΦ», — говорит первый автор работы Джоанна Бончаровска.
Пропрофаг, вероятно, был получен из окружающей среды посредством горизонтального переноса генов. Штаммы Y. pestis, имеющие этот пропрофаг, требуют значительно более низкой летальной дозы для заражения по сравнению с теми, у которых его нет. Это приобретение могло дать Y. pestis преимущество во время современной пандемии чумы.
Как возникла повышенная вирулентность со Средних веков?
Механизмы, с помощью которых пропрофаг способствует повышенной вирулентности, еще не до конца изучены. Исследователи обнаружили, что один из белков, кодируемых новой ДНК, очень похож на токсин, известный у других патогенов.
«Этот белок схож по структуре с токсином zonula occludens (ZOT), который облегчает обмен вредными веществами между инфицированными клетками и повреждает слизистые и эпителий. Эта связь была впервые обнаружена у возбудителя холеры, где она вызывает типичные симптомы гастроэнтерита», — объясняет Бончаровска.
Этот ZOT-подобный белок у Y. pestis может объяснить повышенную вирулентность чумного патогена в недавнем прошлом и настоящем.
Дальнейшие исследования эволюции чумы и других патогенов
Быстрая эволюция Y. pestis увеличивает угрозу новых пандемий.
«Приобретение новых генетических элементов может привести к новым симптомам инфекции. Эти вводящие в заблуждение признаки болезни могут затруднить своевременную диагностику чумы и, следовательно, отсрочить быстрое лечение, которое необходимо для выживания», — подчеркивает доктор Даниэль Унтервегер.
Кроме того, некоторые штаммы уже проявляют устойчивость к различным антибиотикам. Генетические элементы, очень похожие на YpfΦ, также были обнаружены у других бактерий, что дает ключ к пониманию их возможной эволюции в сторону повышенной вирулентности.
Изучение эволюции исторических болезней с помощью древней ДНК (aDNA) дает важные знания для современной науки и медицины.
«Понимание того, как патоген в прошлом мог повысить свою вредоносность, иногда скачкообразно, поможет нам обнаруживать новые формы заболевания и предотвращать будущие пандемии», — резюмирует профессор Бен Краузе-Кёра.