Из Азии в Европу и обратно: степной коридор для чумы
Исследуя геномы чумной палочки из древних человеческих останков, генетики проследили, как бактерия эволюционировала (становясь всё более заразной и опасной) и какими путями она распространялась по Евразии.
Благодаря палеогенетике мы уже многое узнали о том, как наши предки расселялись по планете, осваивали новые территории, перенимали друг у друга технологические навыки, развивали общественные отношения и т. д. Но древняя ДНК может рассказать не только про людей, но и про их постоянных спутников — микроорганизмы, ДНК которых тысячелетиями сохраняется в костных останках. В том числе про бактерии, вызывающие заболевания.
Среди всех болезней, с которыми сталкивалось человечество, самую зловещую репутацию имеет чума. Пандемии чумы, о которых нам известно, заметно сокращали численность населения в разные исторические периоды. Недавно вышла очередная статья, в которой авторы реконструируют эволюцию возбудителя чумы — бактерии Yersinia pestis — и пути ее распространения по Евразии.
Напомним, что исторически зарегистрировано несколько пандемий чумы. Юстинианова чума возникла во время правления византийского императора Юстиниана I, в 540–541 годы н. э. она охватила Северную Африку, Европу, Ближний Восток, Центральную и Южную Азию и продолжалась в течение двух веков. Число жертв пандемии — предположительно более 100 млн человек. Хотя известны и более ранние эпидемии — чума в Афинах (430–427 годы до н. э.) и чума Антонина (165–180 годы н. э.), — нет доказательств, что они были вызваны именно бактерией Y. pestis. Самая известная пандемия — средневековая «черная смерть» (1346–1353) — началась в Азии и прошлась косой по Европе и Северной Африке. Считается, что за два десятилетия от нее погибло не менее 60 млн человек, в том числе в Европе от 30 до 50% населения. Третья пандемия, 1855 года, охватила в основном Китай и Индию, затронула Южную Америку и в виде серии эпидемий напоминала о себе до середины XX века.
Возбудитель болезни — чумная палочка (Yersinia pestis) — в природных очагах сохраняется в колониях сусликов и других грызунов. В городской среде сусликов заменяют крысы. Передается эта зараза блохами, которые служат для нее промежуточными хозяевами, бактерия успешно размножается в их кишечнике и с укусом блохи заражает человека. Смертельно опасная Y. pestis в эволюции возникла из умеренно патогенной Y. pseudotuberculosis. Высокая вирулентность и патогенность, т. е. способность эффективно передаваться и поражать организм человека, развилась у нее постепенно. Если раньше специалисты пытались реконструировать историю бактерии по современным ее формам, то с недавних пор они получили возможность исследовать древнюю бактериальную ДНК.
В бронзовом веке чума встречалась нередко
Одна из первых таких работ была проделана в 2015 году группой всемирно известного специалиста по древней ДНК Эске Виллерлева, профессора Копенгагенского университета. Статья [1] опубликована в журнале Cell. Исследователям впервые удалось прочитать геном чумной палочки из останков людей бронзового и железного веков (2900–885 годы до н. э.). ДНК Y. pestis нашли в ткани зубов 7 из 101 индивида, при этом степень деградации человеческой и бактериальной ДНК показала, что бактерия обитала в организме данного человека при его жизни.
Первый вывод из этой работы: чума существовала в бронзовом веке, причем была не такой уж редкой болезнью. 7 зараженных из 101 — немалая доля. Носители чумной бациллы найдены в географически разных точках и принадлежали к разным археологическим культурам: это афанасьевская и более поздняя андроновская культуры на Алтае и в Сибири, синташтинская на Урале, культура шнуровой керамики в Эстонии, унетицкая в Польше и культура раннего железного века в Армении.
Древняя чума была не такой заразной
Исследователи секвенировали геном бактерии Y. pestis, состоящий из закольцованной хромосомы и трех, тоже кольцевых, внехромосомных плазмид. ДНК плазмид играет важную роль в патогенных свойствах бактерии — именно плазмиды pMT1 и pPCP1 отличают Y. pestis от предшественника — Y. pseudotuberculosis. В геноме древних изолятов чумной палочки авторы изучили 55 генов, которые связаны с вирулентностью. Оказалось, что все эти гены в древних штаммах не отличаются от таковых в современных, кроме гена ymt в плазмиде pMT1. Этот ген позволяет бактерии заселять кишечник блохи, он кодирует фермент фосфолипазу D, которая защищает бактерию в кишечнике насекомого. С приобретением этого полезного приспособления Y. pestis стала использовать блох для передачи инфекции. Блохи кусают и заражают как грызунов, так и человека.
Рис. 1. Схема плазмиды pMT1 (кольцевая внехромосомная ДНК) в разных штаммах Y. pestis. Кольца разных цветов обозначают разные штаммы: голубые — RISE505 и RISE509 бронзового века; оранжевое — возбудитель Юстиниановой чумы; сиреневое — возбудитель «черной смерти»; зеленое — современные штаммы. Стрелка 1 указывает на положение гена ymt, стрелки 2 и 3 обозначают начало и конец участка, отсутствующего у бактерий бронзового века [1]
Ген ymt был найден только в одном древнем штамме, самом молодом, относящемся к железному веку (RISE397, 951 год до н. э.). Он же имеется в геномах возбудителей Юстиниановой чумы и «черной смерти». А вот в бактериальных геномах бронзового века его нет, точнее, нет целого фрагмента длиной 19 kb (килобаз, тыс. пар оснований), в котором этот ген и размещается. Это показано на рис. 1, где схематично изображена плазмида pMT1 и положение участка с геном ymt в геномах Y. pestis разных исторических эпох. Из штаммов бронзового века на схеме присутствуют два — RISE509 (афанасьевская культура, 2750 лет до н. э.) и RISE505 (андроновская культура, 1690 лет до н. э.). В дальнейшем анализе авторы используют именно их, так как эти геномы удалось секвенировать наиболее полно.
Так что в бронзовом веке (по крайней мере за 1690 лет до н. э.) чумная палочка еще не приобрела ген ymt и способность передаваться с блохами, а значит, чума не была настолько заразной, как в дальнейшем. С этим способом передачи связывают самую распространенную — бубонную форму чумы. Ну а когда ген ymt появился, он оказался чрезвычайно полезен для бактерии, был немедленно подхвачен отбором и быстро распространился. Кстати, исследователи даже сделали предположение, что этот ген чумная палочка позаимствовала от другой бактерии путем горизонтального переноса (об этом говорят два мобильных элемента — транспозона — на концах новоприобретенного участка). При ключевом значении гена ymt в механизме передачи с блохами участвуют и три других гена, но для этого в них должны возникнуть необходимые мутации; так вот, этих мутаций, опять же, не обнаружено в древних штаммах.
В итоге авторы статьи приходят к выводу, что, хотя население Евразии бронзового века заболевало чумой, чумная палочка в то время еще не умела передаваться с блохами. Как люди заражались, еще не вполне понятно. Кроме того, по-видимому, древняя чума была не столь смертельно опасной, как в последующие времена. Авторы изучили еще один ген pla, расположенный на плазмиде pPCP1, важный для патогенных свойств бактерии. Мутация гена pla I259T (которая в белке Рla превращает аминокислоту изолейцин в треонин) облегчает глубокое проникновение бактерии в ткани, что необходимо для развития бубонной и легочной форм чумы. Эта мутация была обнаружена только в образцах после 1690 года до н. э.
В этой же работе исследователи на основе всех секвенированных штаммов построили филогенетическое дерево (дерево родства) Y. pestis и определили время жизни общего предка Y. pestis и Y. pseudotuberculosis. Общий предок оказался намного старше, чем считали ранее, — он существовал около 55 тыс. лет назад. А общий корень всех линий Y. pestis авторы датировали временем 5800 лет назад.
Пути чумной палочки по Евразии
Последующие работы по исследованию эволюции чумы связаны с группой палеогенетиков Института изучения истории человечества Общества Макса Планка в Йене (Германия). Их руководитель — профессор Йоханнес Краузе — снискал себе в мире репутацию главного эксперта по древней чуме. В 2017 году статья этого коллектива была опубликована в журнале Current Biology [2]. В этой работе авторы основное внимание уделили изучению распространения чумы по Евразии в прошлые исторические эпохи. Они секвенировали еще шесть геномов Y рestis из останков периода позднего неолита — бронзового века (4800–3700 лет назад) на территории Европы (Литва, Эстония, Германия). В этом анализе используются два секвенированных генома из работы [1], о которой мы писали выше.
Снова строится филогенетическое дерево и вычисляется время жизни общего предка всех древних и современных штаммов Y. pestis — авторы получают цифру 6078 лет назад (что почти совпадает с предыдущей оценкой). А вот датировка отделения ее от Y. pseudotuberculosis у них получилась чуть ли не вдвое меньше — около 28 тыс. лет назад. С учетом большего числа секвенированных геномов в этой работе, эта датировка заслуживает большего доверия.
Далее, сопоставляя разные геномы Y. pestis и их географическое расположение, авторы пытаются реконструировать пути чумной палочки по Евразии. Самый древний из имеющихся в их распоряжении — геном с Алтая (афанасьевская культура, 4836–4625 лет назад; в отличие от предыдущих авторов, они используют другое представление датировки), описанный в статье [1], и геном из степей на юге России (RK100, 4828–4622 лет назад). Беря их за стартовые точки, генетики предполагают, что исходно чума в человеческих популяциях возникла в довольно обширном регионе Центральной Евразии. Оттуда возбудитель инфекции попал в Европу, произошло это в позднем неолите — раннем бронзовом веке, когда радикально увеличилась мобильность населения и число контактов между отдельными группами. На карте этот путь в Европу отмечен зелеными стрелками.
Центральную роль в распространении чумной палочки в Европу авторы отводят массовой миграции в позднем бронзовом веке (около 4500 лет назад) из причерноморско-каспийских степей; предположительно, это была миграция степных кочевников — носителей ямной культуры. Эта миграция постоянно на слуху в течение последних лет, с ней палеогенетики связывают изменение генофонда европейцев. Предполагают, что ямники принесли в Европу генетический компонент, который был обнаружен в образцах европейской поздненеолитической культуры шнуровой керамики. При том, что генетическое влияние степной миграции остается дискуссионным вопросом и не всеми специалистами поддерживается, Йоханнес Краузе и Вольфганг Хаак (ведущие авторы данной статьи) являются убежденными сторонниками этой гипотезы. По их мнению, носители ямной культуры мигрировали не только на запад, но и на восток, в Южную Сибирь.
И именно степной миграции авторы отводят решающую роль в распространении возбудителя чумы, как видно из карты А. Они подкрепляют свою гипотезу такими фактами. Y. pestis из Хорватии (GEN72), близкая по возрасту к «степному» образцу, имеет общие корни с ним и алтайским образцом. Y. pestis из балтийского неолита (Литва и Эстония) была найдена у индивидов культуры шнуровой керамики (с предполагаемым степным генетическим компонентом). Самый молодой европейский образец Y. pestis, из Германии (Augsburg, 3957–3832 лет назад), происходит от балтийских штаммов и найден у индивида комплекса колоковидной керамики (у которых также ранее был обнаружен степной генетический компонент). По мнению авторов, это отражает циркуляцию возбудителя чумы в популяциях Европы.
Карта предполагаемых передвижений бактерии Y. pestis по Евразии
А. Путь Y. pestis из Центральной Евразии в Европу (зеленые стрелки), предположительно с миграцией степных кочевников ямной культуры. Белыми стрелками обозначена степная миграция в Европу и на восток. Ареал ямной культуры обозначен желтым цветом; розовым — ареал культуры шнуровой керамики; сиреневым — ареал культуры колоковидных кубков; зеленым — ареал афанасьевской культуры; оранжевым — вучедольская, Хорватия.
В. Предположительный обратный путь Y. pestis из Европы в Южную Сибирь (зеленаястрелка). Белой стрелкой обозначен генетический поток от европейских земледельцев в Центральную Азию. Бежевым цветом обозначен ареал андроновской культуры; светло-коричневым — ареал синташкинской культуры [2]
Следующее звено в рассуждениях генетиков связано с тем, что самый молодой южносибирский образец Y. pestis (RISE505, 3694–3575 лет назад), найденный на Алтае у индивида андроновского комплекса культур, генетически близок образцу из Германии. Из этого авторы сделали вывод, что существовал и обратный путь переноса чумной бактерии — из Европы в Южную Сибирь (карта В). В подтверждение они приводят данные палеогенетики о наличии у индивидов сибирских археологических культур генетических компонентов европейской природы — а значит, существовал поток генов из Европы в Центральную Азию.
Так что степи, которые служили естественным связующим коридором между Европой и Азией, были коридором с двусторонним движением. И не только для людей и скота, но и для чумы.
Две формы бактерии — два пути переноса?
Следующая статья того же коллектива, под руководством Йоханнеса Краузе, вышла совсем недавно в журнале Nature Communication [3]. В этой работе генетики обнаружили ДНК Y. pestis в останках двух индивидов в парном захоронении срубной археологической культуры в Самарской области, датировка — около 3800 лет назад. Бактериальный геном из одного образца (RT5) удалось секвенировать с очень высоким качеством.
Рис. 2. Парное захоронение, относящееся к срубной археологической культуре в Самарской области, в котором была обнаружена чумная палочка [3]
Самое главное открытие в данной работе состоит в том, что в изученных образцах (RT5 и RT6) позднего бронзового века (3800 лет назад) найден вышеописанный ген ymt, который обеспечивает передачу бактерий с блохами и радикально повышает ее вирулентность. Именно с этим вектором передачи связывают бубонную форму чумы. Молекулярная датировка показала, что Y. pestis приобрела ген ymt около 4 тыс. лет назад, вслед за чем численность ее популяции резко увеличилась. Этот вывод примерно на тысячу лет удревняет данное эволюционное событие, так как в статье [1] было сделано предположение, что это случилось не ранее, чем 3 тыс. лет назад. Что касается места этих событий, то авторы считают, что их можно привязать к месту образца RT5, т. е. к западноевразийской степи.
Однако у RT5 еще не было другого важного для вирулентности гена — гена pla, содержащегося в плазмиде pPCP1. Так что, по-видимому, в позднем бронзовом веке чумная палочка передавалась всё же не так эффективно, как в эпохи Античности и Средневековья.
Итак, судя по последним данным, бубонная чума уже существовала среди населения Евразии около 4 тыс. лет назад, хотя и в более слабой форме. Однако авторы не отвергают данные [1], которые не нашли гена ymt в геномах чумной палочки бронзового века. Они предполагают, что в это время могли одновременно сосуществовать бактерии с разными способами передачи и с разным потенциалом вирулентности. В дальнейшем линия Y. pestis, способная к передаче через блох, получила конкурентное преимущество и широко распространилась. Возбудители Юстиниановой чумы и «черной смерти», а также современные штаммы чумы продолжили эту линию из бронзового века до наших дней.
- Rasmussen S., Allen M. E., Nielsen K. et al. Early Divergent Strains of Yersinia pestisin Eurasia 5,000 Years Ago // Cell, Volume 163, Issue 3, 571–582, DOI:dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.10.009.
2. Valtueña A. A., Mittnik A., Massy K. et al. The Stone Age Plague and Its Persistence in Eurasia // Cell, Volume 27, Issue 23, p. 3683–3691. e8, 4 December 2017, DOI:dx.doi.org/10.1016/j.cub.2017.10.025.
3. Spyrou M. A., Tukhbatova R. I., Wang C. -C. et al. Analysis of 3800-year-old Yersinia pestis genomes suggests Bronze Age origin for bubonic plague // Nature Communications, volume 9, Article number: 2234 (2018), DOI: 10.1038/s41467-018-04550-9.
4. Эволюция чумы
5. О роли степной миграции в распространении чумы
6. Бубонная чума могла существовать еще в бронзовом веке
Источник: Надежда Маркина
«Троицкий вариант» №13(257), 03 июля 2018 года