Эволюция одного гена позволила чуме адаптироваться, продлив пандемию

Фото из открытых источников

Ученые задокументировали, как один ген в бактерии, вызывающей бубонную чуму, Yersinia pestis, позволил ей выживать сотни лет, регулируя свою вирулентность и продолжительность времени, необходимого для уничтожения ее жертв, но эти формы чумы в конечном итоге вымерли.

Исследование, проведенное учеными из Университета Макмастера и Института Пастера во Франции и опубликованное в журнале Science, затрагивает некоторые фундаментальные вопросы, связанные с пандемиями: как они проникают в человеческие популяции, вызывают тяжелые заболевания и развивают различные уровни вирулентности, чтобы сохраняться в популяциях?

Черная смерть остается самой смертоносной пандемией в истории человечества, убив по оценкам 30–50% населения Европы, Западной Азии и Африки, когда она прошла через эти регионы. Появившись в XIV веке, она волнами возвращалась в течение более 500 лет, сохраняясь до 1840 года.

Черная смерть была вызвана той же бактерией, которая вызвала Чуму Юстиниана, первую пандемию чумы, которая разразилась в середине 500-х годов. Третья пандемия чумы началась в Китае в 1855 году и продолжается по сей день. Ее смертельные последствия теперь лучше контролируются антибиотиками, но все еще ощущаются в таких регионах, как Мадагаскар и Демократическая Республика Конго, где регулярно регистрируются случаи заболевания.

«Это одно из первых исследований, в котором напрямую изучаются изменения древнего патогена, который мы наблюдаем и сегодня, в попытке понять, что движет вирулентностью, стойкостью и/или возможным исчезновением пандемий», — говорит соавтор исследования Хендрик Пойнар, директор Центра древней ДНК Макмастера и заведующий кафедрой генетической антропологии имени Майкла Г. ДеГроота.

Штаммы чумы Юстиниана вымерли после 300 лет опустошения европейских и ближневосточных популяций. Штаммы второй пандемии появились из инфицированных популяций грызунов, вызвав Черную смерть, прежде чем разделиться на две основные линии. Одна из этих двух линий является предком всех современных штаммов. Другая возрождалась в течение столетий в Европе и в конечном итоге вымерла к началу 19 века.

Используя сотни образцов, взятых у древних и современных жертв чумы, команда провела скрининг на наличие гена, известного как pla, высококопийного компонента Y. pestis, который помогает ему незаметно проникать через иммунную систему в лимфатические узлы, прежде чем распространиться по всему организму.

Обширный генетический анализ показал, что число копий, или общее число генов pla, обнаруженных в бактерии, уменьшилось в более поздних вспышках заболевания, что, в свою очередь, снизило смертность на 20% и увеличило продолжительность инфекции, то есть хозяева жили дольше, прежде чем умереть. Эти исследования проводились на моделях бубонной чумы у мышей.

И наоборот, когда ген pla находился в исходном, высоком числе копий, болезнь была гораздо более вирулентной и убивала каждого из своих хозяев, причем делала это гораздо быстрее.

Ученые также выявили поразительное сходство между траекториями современных и древних штаммов, которые независимо друг от друга демонстрировали схожее снижение pla на поздних стадиях первой и второй пандемии, а также в трех образцах из третьей пандемии, обнаруженных сегодня во Вьетнаме.

В обоих случаях, Юстиниановой и Черной смерти, эволюционные изменения произошли примерно через 100 лет после первых вспышек. Ученые предполагают, что когда число копий генов снизилось и инфицированные крысы стали жить дольше, они смогли распространить инфекцию дальше, обеспечив репродуктивный успех патогена.

«Сокращение pla может отражать изменение размера и плотности популяций грызунов и людей», — объясняет Пойнар. «Важно помнить, что чума была эпидемией крыс, которые были движущей силой эпидемий и пандемий. Люди были случайными жертвами».

Черные крысы в городах, вероятно, действовали как «хозяева амплификации» из-за их большой численности и близости к людям. Поскольку черные крысы очень восприимчивы к Y. pestis, патогену требовалось, чтобы популяции крыс оставались достаточно высокими, чтобы поставлять новых хозяев для сохранения Y. pestis и продолжения цикла пандемии.

Однако штаммы с пониженным содержанием пла в конечном итоге вымерли, что, вероятно, отражает очередной сдвиг в отношениях хозяина и патогена в их среде обитания.

Когда исследователи искали признаки истощения в большом наборе образцов третьей пандемии, хранящихся в коллекции Института Пастера, они обнаружили три современных штамма с истощением pla.

«Благодаря нашим международным коллегам, которые отслеживают локальные эпидемии чумы по всему миру, нам удалось найти уникальные образцы бактерий, использованные для этого проекта, что сродни поиску трех редких иголок в стоге сена», — говорит соавтор исследования Хавьер Писарро-Серда из Центра сотрудничества ВОЗ по борьбе с чумой при Институте Пастера.

Соавтор исследования Гиллем Мас Фиоль добавляет, что в институте хранится одна из самых богатых в мире коллекций современных изолятов Y. pestis.

«Одним из самых интересных аспектов нашего исследования стала возможность изучить особенность, впервые обнаруженную у вымерших штаммов чумы, которую впервые можно было экспериментально проверить на живых современных штаммах бактерий», — говорит он.

«Хотя наше исследование проливает свет на интересную закономерность в эволюционной истории чумы, большинство штаммов, которые продолжают циркулировать сегодня в Африке, Южной Америке и Индии, являются наиболее вирулентными, теми, которые ранее были ответственны за массовую смертность», — говорит соавтор исследования Равнит Сидху из Центра древней ДНК Макмастера.