В истории чумы выделяются позднеантичная Юстинианова чума VI века и так называемая Черная смерть позднего Средневековья.
Очевидно, они были вызваны Y. pestis и, по оценкам, уничтожили до половины населения в некоторых частях Европы. В то время как небольшие региональные вспышки неоднократно происходили на протяжении веков на разных континентах, третья пандемия чумы произошла с середины 19-го до начала 20-го века.
Сначала возбудитель в основном затронул Азию с упором на Индию, а затем распространился по всему миру. Около 15 миллионов подтвержденных смертей — это одна из самых смертоносных пандемий в истории человечества. Чума продолжает возникать в регионах и в наши дни и почти всегда приводит к летальному исходу, если не лечить быстро антибиотиками, пишет PHYS.
За тысячи лет Y. pestis превратился в многочисленные штаммы как за счет приобретения, так и за счет потери генов. Исследователи во всем мире изучают эволюцию Y. pestis, чтобы узнать больше о причинах исторических пандемий и опасностях, которые чума продолжает представлять.
В частности, они изучают генетические характеристики возбудителя, которые, среди прочего, ответственны за передачу, географическое распространение и тяжесть заболевания. В новом исследовании исследовательская группа из Кильского университета и Института эволюционной биологии им. Макса Планка в Плене (MPI-EB) изучила древние и современные геномы Y. pestis, начиная с эпохи неолита и заканчивая современной пандемией.
Исследователи во главе с доктором Даниэлем Унтервегером, руководителем исследовательской группы MPI-EB и Кильского университета, и профессорами Альмутом Небелем и Беном Краузе-Киора из Института клинической молекулярной биологии (IKMB) Кильского университета узнали, что Y. pestis должен был принять новый генетический элемент, известный как профаг YpfΦ, между средневековьем и современной пандемией, что связано с вирулентностью возбудителя, т. е. с его болезнетворным действием.
Профаг продуцирует белок, сильно напоминающий некоторые токсины других патогенов, например возбудителя холеры.
Новые генетические элементы повысили вирулентность возбудителя
Исследовательская группа Киля получила генетические образцы благодаря сотрудничеству с Департаментом судебной медицины SDU, который управляет скелетными материалами из различных датских музеев. В этом конкретном случае ученые исследовали скелетные останки 42 человек, похороненных на двух датских приходских кладбищах между 11 и 16 веками.
Генетическая информация, содержащаяся в образцах, была секвенирована, и содержащиеся в них гены Y. pestis сравнивались с другими опубликованными геномами, датируемыми периодами неолита, средневековья и современности.
«Предыдущие исследования показали, что в начале своей эволюции патогену не хватало генетической структуры, необходимой для эффективной передачи через блох, что типично для современной бубонной чумы. В ходе своей эволюции Y. pestis приобрел значительный уровень вирулентности, который способствовал более поздним вспышкам некоторых из самых смертоносных пандемий в истории человечества», — говорит доктор Джоанна Бончаровска, первый автор статьи.
«В нашем исследовании мы показываем, что всем известным штаммам Y. pestis до 19 века не хватало определенного генетического элемента, профага YpfΦ», — добавляет Бончаровска.
Профаг, вероятно, попал из окружающей среды в результате латерального переноса генов. Эта генетическая информация влияет на вирулентность возбудителя, т. е. на тяжесть заболевания, возникающего в результате инфекции. Было показано, что штаммы Y. pestis, имеющие профаг, требуют значительно более низкой летальной дозы по сравнению со штаммами без YpfΦ. Таким образом, это поглощение новых генетических элементов может дать Y. pestis преимущество во время современной пандемии чумы.
Как возникла повышенная вирулентность со времен Средневековья?
Механизмы, с помощью которых профаг способствует повышению вирулентности современного возбудителя чумы, еще подробно не исследованы. Предыдущие исследования предполагают, что такая новая генетическая информация может помочь патогену заразить ткани организма вдали от исходного очага инфекции. В поисках такого механизма исследователи из Киля изучили все белки, кодируемые рассматриваемой новой ДНК. Они обнаружили, что один из этих белков очень похож на токсин, известный из других патогенов.
«Этот белок по структуре подобен токсину zonula occludens (ZOT), который способствует обмену вредными веществами между зараженными клетками и оказывает повреждающее действие на слизистую оболочку и эпителий. Впервые эта связь была обнаружена у возбудителя холеры, где он вызывает типичные симптомы гастроэнтерита», — объясняет Бончаровска.
Поэтому исследователи из Киля хотят более тщательно изучить этот ZOT-подобный белок у Y. pestis в будущем, поскольку он предлагает правдоподобное объяснение повышенной вирулентности возбудителя чумы в настоящем и недавнем прошлом.
Дальнейшие исследования эволюции чумы и других патогенов
Такая быстрая эволюция Y. pestis усугубляет угрозу пандемии, которую он продолжает представлять.
«Приобретение новых генетических элементов может вызвать новые симптомы инфекции. Эти вводящие в заблуждение признаки болезни могут затруднить своевременную диагностику чумы и, таким образом, задержать быстрое лечение, которое необходимо для выживания», — подчеркивает Унтервегер. «Кроме того, некоторые штаммы возбудителя чумы уже проявляют устойчивость к различным антибиотикам, что еще больше способствует большой потенциальной опасности этого заболевания».
Важным аспектом работы также являются недавно обнаруженные параллели с другими видами бактерий, поскольку генетические элементы, очень похожие на YpfΦ, были обнаружены и у других бактерий. Эти результаты дают ключ к разгадке их будущей эволюции в направлении повышенной вирулентности.
В целом, результаты исследования подчеркивают, что для современной науки и медицины необходимо получить большой объем знаний при изучении исторической эволюции болезней с использованием аДНК, которая насчитывает сотни или даже тысячи лет.
«Понимание того, как патоген мог увеличивать свою вредоносность в прошлом, иногда путем скачкообразной эволюции, поможет нам обнаружить новые формы болезни и предотвратить новые пандемии в будущем», — резюмирует Краузе-Киора.
