В бронзовом веке чума была вполне обычным явлением, хотя в то время чумная бацилла еще не научилась передаваться с блохами и не могла вызывать самую опасную разновидность болезни – бубонную чуму. То и другое она освоила около 3000 лет назад. Время возникновения Yersinia pestis и ее этапы на пути превращения в возбудителя смертельной болезни – все это ученые выяснили, прочитав геномы бактерий из древних останков.

В образцах древних костей и зубов иногда сохраняется ДНК не только человека, но и его непрошенных сожителей – паразитов, в том числе возбудителей заболеваний. И по этой бактериальной ДНК можно также узнать много интересного о жизни наших предков. Так, исследование большого коллектива генетиков под руководством Эске Виллерслева (Eske Willerslev), опубликованное в журнале Cell , посвящено генетическому анализу древних бактерий – возбудителей чумы Yersinia pestis. Авторам удалось прочитать геном чумной бациллы из останков бронзового века и сделать интересные выводы о том, как развивались взаимоотношения патогена и человека. Они впервые получили прямые доказательства того, что жители Евразии бронзового века заражались чумой, но в то время болезнь была далеко не так смертоносна, как впоследствии.

Первая исторически зафиксированная пандемия чумы – это «Юстинианова чума», которая началась в 541-544 гг н.э. в Египте и продолжалась более ста лет, опустошив страны Средиземноморья. Вторая пандемия — «Черная смерть» в 1347-1351 гг. пришла из Азии и косой прошлась по Европе (ее жертвами стали 25 млн. человек). Она же отозвалась волной пандемии в 1665-1666 гг. Третья пандемия началась в Китае в 1850 г. и распространялась по миру в виде серии эпидемий вплоть до середины ХХ века. Самые же ранние свидетельства смертельной болезни – чума в Афинах (430-427 до н.э.) и чума Антонина (165-180 н.э.) – исторически зафиксированы, но при этом нет доказательств, что эпидемии были вызваны именно бактерией Y. pestis.

На демографию пандемии чумы оказали драматические последствия. Черная смерть выкосила 30-50% населения Европы и привела к экономическому и политическому коллапсу. Юстинианова чума сыграла главную роль в ослаблении Византийской империи, а более ранние вспышки чумы связывают с упадком в античной Греции и ослаблением римской армии.

Ранее ученые уже установили, что Yersinia pestis эволюционировала из гораздо менее патогенной Yersinia pseudotuberculosis, а время этого события они помещали в очень большой интервал времени – от 2 600 до 28 000 лет назад. Доподлинно известно, что человек встречался с чумной бациллой раньше, чем зафиксированы первые исторические эпидемии — ДНК бактерии была найдена в скелетах людей возрастом более 1500 лет. Теперь же исследователям удалось заглянуть в прошлое гораздо глубже.

Евразийцам бронзового века поставили диагноз

Авторы исследовали древние образцы (ткань зубов) из древних останков 101 индивида, обнаруженных в разных регионах Европы и Азии, и в 8 образцах из 101 нашли ДНК бактерии Yersinia. Сравнение с референсными бактериальными геномами показало, что в 7 образцах содержится ДНК именно бактерии Yersinia pestis (но не Yersinia pseudotuberculosis). Поскольку восьмой образец был сомнительным, его исключили из анализа. Для решения вопроса о том, что обнаруженная ДНК Y. pestis в 7 образцах принадлежала именно возбудителю чумы в организме данного человека, исследователи по степени деградации доказали одинаковый возраст человеческой и бактериальной ДНК.

Итак, первый результат продемонстрировал, что в период позднего неолита и бронзового века заражение чумой происходило не так уже редко – 7 случаев на 101 образец – значительная величина! Носители чумной бациллы принадлежали к следующим культурам: афанасьевская на Алтае и в Сибири, культура шнуровой керамики в Эстонии, синташтинская культура на Урале, унетицкая культура (Польша), андроновская культура (Алтай, Сибирь) и ранний железный век (Армения).

А. Географическое расположение мест находок ДНК Y. Рestis в древних образцах с указанием радиоуглеродной датировки возраста и принадлежности к археологическим культурам. В. Захоронение в Буланово (Россия).

Табл.1. Данные об образцах, в которых была найдена ДНК Yersinia pestis

Исследователи секвенировали геном бактерии Y. pestis, состоящий из кольцевой хромосомы и плазмид pCD1, pMT1, и pPCP1. Плазмиды содержат внехромосомную ДНК, которая играет важную роль в патогенных характеристиках бациллы чумы; а плазмиды pMT1, и pPCP1 имеют ключевое значение для различения Y. pestis и его очень похожего предшественника Y. pseudotuberculosis. Величина покрытия, с которым секвенировали хромосому, составила от 0.14Х до 29.5Х.

Древняя чума была менее вирулентна

В геноме древних штаммов Y. pestis авторы проанализировали 55 генов, которые связаны с вирулентностью. Оказалось, что все вирулентные гены в древних штаммах не отличаются от таковых в современных штаммах, кроме гена ymt (Yersinia murine toxin) на плазмиде pMT1. Этот ген играет ключевую роль в жизненном цикле бактерии чумы, он позволяет ей использовать блох как вектор передачи. Природным резервуаром Y. pestis служат суслики и другие грызуны, а в антропогенной среде – крысы. Животные или человек заражаются при укусе блохи, в пищеводе которой бактерии размножаются и образуют так называемый «чумной блок». Ген ymt кодирует фосфолипазу D, которая защищает бактерию в кишечнике блохи и таким образом обеспечивает вектор передачи инфекции.

В плазмиде pMT1 имеется участок длиной 19 kb, но оказалось, что он отсутствуету всех древних штаммов за исключением самого молодого из них (RISE397, 951 тыс лет до н.э.). Именно в этом участке и содержится ген ymt. Авторы проверили опубликованную базу данных и убедились, что этот участок есть у всех известных современных и древних штаммов за исключением трех, у которых полностью отсутствует плазмида pMT1.

Из полученных результатов авторы сделали вывод, что ген ymt отсутствовал у бактерии Y. pestis вплоть до 1680 лет до н.э. А начиная со времени 950 лет до н.э. он имеется у 97,8% штаммов. По-видимому, этот ген стал поздним приобретением бактерии, но оказался столь полезным, что был подхвачен отбором и быстро распространился. Этот вывод опровергает бывшее до сих пор представление о раннем приобретении гена ymt как исключительно важного для жизненного цикла.

Интересно, что на концах новоприобретенного участка в 19 kb исследователи обнаружили два транспозона (мобильных элемента, способных перемещаться по ДНК). Поэтому они предположили, что ген ymt был приобретен в результате горизонтального переноса от другой бактерии.

Кроме того, выяснилось, что древние штаммы Y. pestis в трех других генах — pde2, pde3, и rcsA – не имеют мутаций, ключевых для передачи бактерии с блохами.

Так что в комбинации эти результаты говорят о том, что только 3000 лет назад бактерия чумной палочки приобрела способность передаваться с блохами. Так что вопрос, как получали инфекцию более древние жители Евразии, пока остается открытым.

Схема хромосомы (СО92) Y. Pestis и трех плазмид: pCD1, pMT1, и pPCP1. Внешнее серое кольцо обозначает карту генов. RISE505 и RISE509 – голубые кольца; возбудитель Юстиниановой чумы – оранжевое кольцо; возбудитель Черной смерти – сиреневое кольцо; современный штамм Y. Pestis D1982001 – зеленое кольцо; Y. Pseudotuberculosis – внутреннее красное кольцо. Стрелки обозначают: 1 – ген ymt; 2 и 3 – транспозоны в начале и в конце участка pM1, отсутствующего у древних штаммов; 4 – ген pla; 5 – регион гена флагеллина, отсутствующий у древних штаммов.

Древняя чума была не так смертельна

Авторы изучили еще один маркер патогенности Y. pestis — ген pla, расположенный на плазмиде pPCP1. Мутация гена pla I259T (которая в белке Рla превращает изолейцин в треонин) облегчает глубокое проникновение бактерии в ткани, что необходимо для развития бубонной формы чумы. Эта мутация была обнаружена только в образцах после 1690 лет до н.э. Таким образом, можно заключить, что в бронзовом веке чумная бацилла не могла вызывать бубонную чуму – самую опасную и смертельную.

А вот регион DFR4, содержащий несколько генов, потенциально важных для вирулентности бактерии, был найден во всех семи древних образцах. Известно, что этот регион имелся у возбудителей Юстиниановой чумы и Черной смерти, но вот в позднейших штаммах (в том числе у референсного штамма CO92, возбудителя третьей пандемии) его уже не было.

Наконец, известная способность чумной бациллы ускользать из-под действия иммунной системы, по-видимому, развилась после 2750 лет до н.э. В это время возникают мутации в бактериальном гене флагеллина (flhD), которые приводят к тому, что система врожденного иммунитета перестает реагировать на белки Y. pestis.

Чума на филогенетических деревьях

Обратившись к филогении чумной бациллы, исследователи определили позицию двух древних штаммов Y. pestis : RISE505 (андроновская культура, 1690 лет до н.э.) и RISE509 (афанасьевская культура, 2750 лет до н.э.). Эти штаммы образуют кластер на дереве Y. pestis . В то же время сама Y. pestis представляет собой монофилетичную группу (ветвь) на дереве своего родоначальника Y. pseudotuberculosis.

Для оценки времени жизни последнего общего предка (MRCA) Y. pestis и Y. pseudotuberculosis авторы использовали подход Bayesian Markov Chain Monte Carlo и получили, что он жил в среднем 55 000 лет назад (в интервале 34,659–78,803 лет назад). Таким образом, он оказался намного старше, чем вычисляли ранее (2,600–28,000 лет назад). А время жизни общего предка всех линий Y. pestis авторы оценили в 5,800 лет назад, отодвинув его на 2 тысячи лет по сравнению с предыдущими данными (3340 лет назад). Таким образом, они удревнили как происхождение Y. pestis   из Y. pseudotuberculosis, так и ее ветвление.

А – филогенетическое дерево, показывающее связь Y. Pseudotuberculosis (голубой цвет) и Y. Pestis (розовый цвет). В – филогенентическое дерево Y. Pestis . Обозначечно положение возбудителя Юстиниановой чумы, Черной смерти, и древние образцы RISE505 и RISE509.

Авторы подчеркивают, что им удалось получить временной срез событий, в течение которого Y. pestis   приобретала средства все большей патогенности и ускользания от иммунной системы. В результате эволюционировав от умеренно вирулентного и не слишком опасного возбудителя псевдотуберкулеза до возбудителя самой опасной болезни, с которой когда-либо сталкивался человек.

По-видимому, в конце 4-го тысячелетия до н.э. и по крайней мере в начале 3-го тысячелетия до н.э. Y. pestis была широко распространена в Евразии. Присутствие возбудителя в 7 образцах из 101 доказывает, что чума была довольно обычной инфекцией, по крайней мере, на 3000 лет раньше исторических сведений о ней. Древние штаммы были менее вирулентными и не могли вызывать бубонную чуму, только легочную и септическую. Хотя и эти две формы чумы могли повлиять на сокращение численности популяций в конце 4-го – начале 3-го тысячелетия до н.э. , пишут авторы.

Они упоминают о недавних исследованиях, в которых по древним геномам было показано, что бронзовый век в Европе и Азии характеризовался масштабными миграциями, смешением и замещением популяций (http://генофонд.рф/?page_id=3877). Возможно, рассуждают авторы, вспышки чумы могли быть связаны  с этой мобильностью населения. Но бактерия только с начала 1-го тыс. до н.э. приобрела способность переноситься блохами и постепенно наращивала свои патогенные свойства, так что ко времени исторических пандемий чумы она стала крайне вирулентным и смертельно опасным агентом.

Выводы

Схема эволюции чумной бациллы от древних форм до возбудителя пандемий

Основные выводы исследования авторы статьи формулируют так:

— Y. pestis была широко распространена в Евразии в бронзовом веке;

— Время жизни общего предка всех линий Y. pestis —  в среднем 5 800 лет назад;

— Способность передаваться с блохами (ген ymt) бактерия приобрела около 1000 лет до н.э.;

— Y. pestis бронзового века не могла вызывать бубонную чуму.

Источник:

Early Divergent Strains ofYersinia pestisin Eurasia 5,000 Years Ago

Simon Rasmussen, Morten Erik Allen, Kasper Nielsen, …, Rasmus Nielsen, Kristian Kristiansen, Eske Willerslev

Rasmussen et al., 2015, Cell163, 571–582

October 22, http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.10.009

Полный текст статьи можно скачать здесь  Rasmussen_BronzeAgePlague_Cell_2015_main_supp