Международной группе исследователей удалось полностью восстановить геном возбудителя чумы, который вызвал одну из самых масштабных эпидемий в истории человечества, известную как "Черная смерть". Ранее полностью реконструировать геном какого-либо древнего микроба не удавалось.
Эпидемия "Черной смерти" произошла в XIV веке. До недавнего времени вопрос о том, какая именно инфекция стала ее причиной, оставался предметом дебатов. Однако генетические исследования, опубликованные в 2010 году, подтвердили господствовавшую до этого точку зрения, согласно которой катастрофу вызвала палочка чумы – Yersinia pestis.
Предполагается, что этот микроб в первой половине XIV века проник с территории современного Китая в Европу по Великому шелковому пути, в 1346 году достигнув Крыма. Оттуда крысы, обитавшие на торговых судах и служащие резервуаром инфекции, быстро разнесли чуму по всей Европе.
География распространения "Черной смерти". Иллюстрация исследователей.
Разыгравшаяся в результате этого эпидемия "Черной смерти", пик которой пришелся на 1348-1350 годы, унесла жизни от 30 до 60 процентов населения Европы, уменьшив население Земли с примерно 450 миллионов до 350-375 миллионов и значительно повлияв на ход мировой истории.
Неудивительно, что конкретный штамм и особенности возбудителя этой эпидемии давно интересовали ученых самого разного профиля – от инфекционистов до историков.
В 1980-х годах сотрудники Лондонского музея провели раскопки захоронения примерно 2,4 тысяч жертв "Черной смерти" в Ист-Смитфилде неподалеку от лондонского Тауэра. Группа исследователей под руководством Кирстен Бос (Kirsten Bos) из канадского университета Макмастера и Йоханнеса Краузе (Johannes Krause) из немецкого Университета Тюбингена использовали в исследовании зубы четырех эксгумированных черепов, находящихся на хранении в музее.
Как следует из отчета, опубликованного в Nature, из этих зубов ученые выделили миллионы фрагментов ДНК, принадлежащих Y.pestis, а также умершим людям и бактериям, разложившим тела после смерти.
Для выделения и реконструкции генома возбудителя исследователи воспользовались тем, что нуклеотиды (четыре структурные единицы ДНК, или "буквы" генетического кода), расположены в двух цепочках молекулы ДНК комплементарно, то есть в четком соответствии друг с другом (аденин одной цепочки соединяется с тимином другой, а гуанин, соответственно, с цитозином).
Флюоресцентная микрофотография Y.pestis. Иллюстрация CDC.
Выделив ДНК современных палочек чумы, ученые использовали их для подбора и выделения комплементарных фрагментов генома древнего возбудителя. После удаления дублирующихся последовательностей нуклеотидов и фильтрации в их распоряжении оказался генетический материал, содержащий в сумме 2366647 "букв". Средняя длина фрагментов этого материала составила 55,53 азотистых основания.
Затем, опять воспользовавшись геномом современных Y.pestis, исследователи собрали эти фрагменты в целостную двухцепочечную ДНК, состоящую из примерно 4,6 миллиона нуклеотидов. Задача несколько упрощалась тем, что генетический материал бактерий содержится в единственной хромосоме (за исключением трех плазмид – дополнительных молекул ДНК, не кодирующих структурные белки микроба. Плазмиды возбудителя "Черной смерти" были реконструированы тем же способом, что и хромосомная ДНК).
Как отмечают исследователи, разработанная технология может применяться для расшифровки генома любого древнего микроба, представляющего научный интерес. "Это существенный технологический шаг вперед, значительно продвигающий всю область исследований ДНК и патогенов", - отметил эксперт по древним эпидемиям чумы из Университетского колледжа Корка в Ирландии Марк Эктман (Mark Achtman), ранее открывший китайское происхождение чумы и не принимавший участия в настоящем исследовании.
Проанализировав геном возбудителя "Черной смерти", исследователи обнаружили, что, во-первых, за прошедшие с эпидемии 660 лет у бактерии изменилась структура лишь 12 генов, а во-вторых, все известные сейчас штаммы чумной палочки являются потомками восстановленной Y.pestis. Каждый из эволюционировавших генов планируется тщательно исследовать, чтобы выяснить, как они влияют на вирулентность микроба.
Учитывая такое сходство древнего возбудителя с современными (которые даже в районах, где лечение труднодоступно, не вызывают масштабных эпидемий), ученые предположили, что основной причиной "Черной смерти" стала не высокая агрессивность иерсинии, а условия, в которых жили европейцы в XIV веке.
Это вполне соответствует существующим гипотезам об эпидемии. Перед ее возникновением в Европе, где постоянно росло население, началось похолодание климата. В результате этого значительно снизились урожаи, и большинство европейцев жило впроголодь (что подтверждают и археологические раскопки, показавшие, что многие жившие тогда люди были истощены и подвержены различным заболеваниям). Обстановку усугубляла начавшаяся в 1337 году Столетняя война. В таких условиях люди становились более восприимчивыми к инфекции, а низкая санитария и миграции населения способствовали быстрому распространению заболевания.
Анализ ДНК возбудителя "Черной смерти" и ее "родственных связей" с современными палочками чумы позволил построить "генеалогическое дерево" иерсиний. Бос и Краузе пришли к выводу, что древняя бактерия находится около самых корней этого дерева, то есть стала патогенной для людей незадолго до эпидемии XIV века. Следовательно, заключили они, "Юстинианова чума" VI века, не говоря уже о предполагаемых более ранних эпидемий, чумой быть не может.
Упомянутый выше ирландский эксперт Эктман с этим выводом в корне не согласен. По его словам, коллектив Краузе не принял во внимание несколько известных случаев чумы, которые продлевают генеалогическое дерево возбудителя значительно дальше в прошлое. Сам Краузе счел эти случаи недостаточно достоверными.
Одним из доводов, подтверждающих мнение Эктмана, может стать то, что, хотя структурные изменения генов иерсинии происходят крайне медленно, порядок их расположения в геноме меняется довольно быстро. По мнению ряда экспертов, этот порядок может существенно влиять на вирулентность бактерии и, следовательно, являться важным фактором ее эволюции. А поскольку Бос и Краузе собирали ДНК Y.pestis из небольших фрагментов, как раз этот фактор они учесть не могли.
Возможно, ответ на этот и многие другие вопросы найдется, когда возбудитель "Черной смерти" будет воссоздан по полученному геному – именно этим исследователи намерены заняться в дальнейшем. Хотя эта идея на первый взгляд кажется устрашающей, реальная опасность от нее крайне низка. Во-первых, все работы подобного рода проводятся только в учреждениях со всеми мыслимыми мерами биологической защиты, а во-вторых, древний возбудитель явно не имеет устойчивости к современным антибиотикам.
В заключение остается лишь добавить, что зубы, ставшие источником генетического материала, ученые дисциплинированно вернули на место.
Источник: MedPortal, Олег Лищук
