Геномика древних патогенов - Ancient pathogen genomics

Древний возбудитель геномика это научная область связанных с изучением возбудитель геномы выздоровел от древний человек, останки растений или животных.[1] Древние патогены микроорганизмы, ныне вымершие, что в прошлые века вызвало несколько эпидемии и смерти во всем мире. Их геном, которую мы назвали древняя ДНК (аДНК), выделен из останков (костей и зубов) жертв пандемии вызванные этими патогенами.

Анализ геномных особенностей геномов древних патогенов позволяет исследователям понять эволюцию современных штаммов микробов, которые гипотетически могут вызывать новые пандемии или вспышки. Анализ аДНК проводят биоинформатический инструменты и молекулярная биология методы сравнения древних патогенов с современными потомками. Сравнение также дает филогенетический информация об этих штаммах.[2]

Реконструкция геномов древних патогенов с помощью технологий NGS

Обнаружение патогенной ДНК в древних останках может быть достигнуто с помощью лабораторных или компьютерных методов. В обоих случаях процедура начинается с извлечение ДНК с древних образцов. Лабораторные методы основаны на построении NGS библиотеки и последующий скрининг на основе захвата. Вычислительные инструменты используются для сопоставления считываний, полученных NGS, с эталоном одного или нескольких геномов (целевой подход); альтернативно, метагеномный профилирование или таксономический назначение методов чтения NGS дробовика может быть применено (широкий подход).[1]

Выделение древней ДНК

Ограниченная сохранность и, как следствие, низкая численность, сильно фрагментированное и поврежденное состояние и наличие современного загрязнения ДНК и экологического фона ДНК делают восстановление древней ДНК (АДНК ) сложная процедура.

Чтобы эффективно восстанавливать аДНК, ДНК обычно выделяют из тканей, содержащих большое количество аДНК, таких как кости и зубы, которых много в археологических записях.[1] Сохранение патогенов в различных анатомических элементах очень сильно зависит от типа патогена и его тканевого тропизма, пути его проникновения в организм и возникающего в результате заболевания. Патогены, вызывающие хронические инфекции у их хозяев, обычно вызывают диагностические изменения костей, в отличие от острых инфекций, передающихся через кровь.[1] Следовательно, для тех инфекций, которые привели к смерти хозяина в острой фазе, предпочтительным материалом для отбора проб является внутренняя камера зубов.[1][3] поскольку это ткань, которая в течение жизни сильно васкуляризована.[4]

аДНК характеризуется повреждениями, которые накапливаются с течением времени: оценка «паттерна повреждений» ДНК с помощью вычислительных инструментов полезна для аутентификации ДНК древнего патогена, поскольку такой паттерн не встречается в современных загрязнителях.[5]

Наиболее распространенным химическим повреждением, которое влияет на вскрытие ДНК, является гидролитический дезаминирование цитозинов, превращая их в урацилы, которые затем читаются как тимины. Из-за этой реакции древняя ДНК содержит неожиданное соотношение цитозина к тимину. переходы, в частности, на концах молекул.[6] Другими распространенными модификациями ДНК, помимо дезаминирования цитозина в тимин (это происходит, когда цитозины были метилированы), является присутствие базовые сайты и однонитевые разрывы.[5]

аДНК сильно фрагментирована (большинство фрагментов имеют длину менее 100 пар оснований): эту тенденцию можно использовать как количественную меру аутентичности, поскольку современные молекулы примесей, как ожидается, будут длиннее.[4] Чтобы использовать эту характерную особенность древней ДНК, улучшенные протоколы экстракции на основе диоксида кремния с измененным объемом и составом ДНК-связывания. буфер были представлены.[5]

Создание библиотек ДНК

Для секвенирования с помощью методов секвенирования второго поколения необходимо модифицировать молекулы-матрицы путем лигирования адаптеров.[7] И этапы построения библиотеки, и ПЦР последующее усиление подвержено ошибкам. В частности, могут возникать ошибки связывания адаптера, и относительная эффективность ферментов ПЦР при амплификации конструкции может быть переменной.[5]

Есть три наиболее распространенных типа библиотеки aDNA. Библиотека двухцепочечной ДНК использует матрицы двухцепочечной ДНК и, во-первых, требует шага для восстановления концов фрагментов аДНК. Затем фрагменты лигируют с двухцепочечными адаптерами и полученный зарубки заполнены. Этот метод имеет некоторые ограничения, такие как наличие части конструкций, не содержащих одновременно различных адаптеров и возможное образование димеров адаптеров.[5]

Чтобы преодолеть эту последнюю проблему, был разработан метод построения библиотеки с A-хвостом. В этом методе аДНК ремонтируется по концам, а затем к 3'-концам цепей добавляется остаток аденина, что может облегчить лигирование матрицы с адаптерами, содержащими особый тимин. Кроме того, использование этих T-образных адаптеров предотвращает образование димеров адаптера. Тип адаптера, который обычно используется, является двухцепочечным и имеет Y-образную форму, что означает, что у него есть область, расположенная на конце с T-образным хвостом, где он является комплементарным, и область на другом конце, где он не является комплементарным. Использование этого типа адаптеров позволяет сгенерировать матрицу аДНК, фланкированную различными некомплементарными последовательностями адаптеров на каждом конце, которые полезны для однонаправленного секвенирования.[5]

Другая стратегия основана на использовании библиотек одноцепочечной ДНК. В этом методе ДНК сначала денатурируется с образованием одноцепочечной цепи под действием тепла, а затем лигируется с одноцепочечной биотинилированный адаптер. Затем нить ДНК используется в качестве матрицы ДНК-полимераза который производит дополнительную нить. Впоследствии второй адаптер лигируется на 3'-конце комплементарной цепи, и полная конструкция амплифицируется с помощью ПЦР, а затем секвенируется. Этап очистки выполняется с использованием стрептавидин парамагнитные шарики с покрытием, которые позволяют минимизировать потерю ДНК на этом этапе процедуры.[5]

Расширение библиотек для аДНК

Различные методы (так называемые методы обогащения) были разработаны для улучшения доступа к эндогенной ДНК в древних останках. Эти подходы в основном можно разделить на три типа: те, которые используются во время конструирования библиотеки, путем предпочтительного включения фрагментов аДНК, характеризующихся высоким уровнем повреждения, те, которые применяются после конструирования библиотеки, путем разделения экзогенных и эндогенных фракций посредством отжига с заранее определенными наборами зондов. (в растворе или на микрочипы ), или те, которые основаны на целенаправленном переваривании микробной ДНК окружающей среды с использованием рестрикционные ферменты и захват удлинения праймера (PEC).[5]

Селективное обогащение урацилом

Во время конструирования библиотеки фрагменты оцДНК связываются через биотинилированный адаптер с гранулами, покрытыми стрептавидином. На этапе удлинения полимеразы создается цепь ДНК, комплементарная исходной матрице. При таком обогащении конструкции претерпевают фосфорилирование на 5'-конце, чтобы обеспечить лигирование нефосфорилированного адаптера (лигирование между 3'-концом адаптера и 5'-концом вновь синтезированной цепи). Затем ДНК обрабатывают урацил ДНК гликозилаза (UDG) и эндонуклеаза VIII (смесь USER): UDG генерирует абазические сайты в цитозине, которые были дезаминированы в урацилы посмертно, эндо VIII разрезается в образовавшихся абазических сайтах. Это расщепление генерирует новые 3'-концы, которые затем дефосфорилируются, в результате чего образуются 3'-концы, которые можно использовать в качестве отправных точек для новой стадии удлинения. Это приводит к удлинению поврежденной нити от поврежденной области к связанной бусине: пока синтезируется новая молекула ДНК, исходный фрагмент смещается. В результате вновь образованные молекулы дцДНК больше не содержат адаптер, связанный с шариками, оставляя в супернатанте библиотеку дцДНК из цепей, которые первоначально содержали дезаминированные цитозины, доступные для дальнейшей амплификации и секвенирования. Неповрежденная фракция матрицы ДНК остается прикрепленной к парамагнитным шарикам.[8]

Обогащение цели без расширения в растворе

В основе этого подхода лежит в решении цель-зонд гибридизация для скрининга только одного микроорганизма после создания библиотеки. Это видоспецифический анализ, который требует тепловой денатурации библиотек ДНК и создания библиотеки ДНК-зондов с использованием ПЦР на больших расстояниях, если доступен свежий ДНК-материал от близкородственных видов, или путем индивидуального проектирования и синтеза олигонуклеотиды.[5] Этот метод полезен, когда мишень для микроорганизма известна, например, когда существует гипотеза о возбудителе эпидемии или при наличии поражений скелета у исследуемых лиц.[1]

Обогащение твердофазной мишени

Другая стратегия обогащения, применяемая после создания библиотеки, - это прямое применение микрочипы. Они применяются для широкого лабораторного скрининга патогенов, который одновременно ищет различные патогенные микроорганизмы. Такой подход благоприятен для тех патогенов, которые не оставляют физических признаков скелета и присутствие которых трудно предположить. априори. Зонды предназначены для представления консервативных или уникальных участков ряда патогенных вирусов, паразитов или бактерий.[5]

Поскольку микроматрицы содержат последовательности, полученные из современных штаммов древних патогенов, ограничениями этого метода являются плохое обнаружение наиболее дивергентных геномных областей и отсутствие областей с важными геномными перестройками или неизвестными дополнительными плазмиды.[5]

Обогащение всего генома

Захват всего генома в растворе (WISC) позволяет охарактеризовать всю последовательность генома древних людей. Этот метод основан на использовании полногеномной библиотеки биотинилированных РНК-зондов, созданной с помощью in vitro транскрипция свежих современных экстрактов ДНК видов, тесно связанных с образцом целевой аДНК. Затем денатурированную нагреванием библиотеку аДНК отжигают с зондами РНК. Для повышения строгости и уменьшения обогащения для очень повторяющихся областей добавляются олигонуклеотиды ДНК низкой сложности и блокирующая адаптер РНК. Затем представляющую интерес фракцию библиотеки выделяют путем элюирования с парамагнитных шариков, покрытых стрептавидином (с которыми связаны зонды РНК).[9]

Вычислительный анализ

Анализ данных о последовательностях, полученных NGS, основан на тех же вычислительных подходах, которые используются для современной ДНК, с некоторыми особенностями. Широко используемым инструментом для сопоставления считываний аДНК с эталонными геномами является пакет PALEOMIX, который может количественно определять уровни повреждения ДНК с помощью mapDamage2 и выполнять филогеномный и метагеномный анализ. Важно учитывать, что при выравнивании всегда будут обнаруживаться существенные доли несовпадающих нуклеотидов, которые возникают не из-за ошибок секвенирования или полиморфизма, а из-за наличия поврежденных оснований. По этой причине порог приемлемости для расстояния редактирования от чтения до ссылки следует выбирать в соответствии с филогенетическим расстоянием до эталонного генома. Вероятностные выравниватели, которые учитывают характер повреждения аДНК, были разработаны для улучшения выравнивания.[5]

СОЛОД

Изучение древней ДНК патогенов ограничивается коллекциями скелетов, которые меняют свой внешний вид в результате инфекций. Патоген, связанный с известным эпидемиологическим контекстом, идентифицируется путем скрининга без предварительного уведомления о его присутствии. Методы включают молекулярные подходы широкого спектра, сфокусированные на обнаружении патогенов с помощью технологии микрочипов на основе флуоресцентной гибридизации, идентификации посредством обогащения ДНК определенных микробных областей или компьютерного скрининга данных необогащенных последовательностей относительно человеческий микробиом наборы данных. Эти подходы предлагают улучшения, но остаются предвзятыми в отношении бактериальных таксонов, используемых для определения видового уровня.[10]

MEGAN alignment tool (MALT) - это новая программа для быстрого выравнивания и таксономического метода идентификации древней ДНК. MALT похож на ВЗРЫВ поскольку он вычисляет локальные выравнивания между высококонсервативными последовательностями и ссылками. MALT также может вычислять полуглобальное выравнивание, при котором чтения выравниваются от конца до конца. Все ссылки, полные бактериальные геномы, содержатся в базе данных под названием Национальный центр биотехнологической информации (NCBI) RefSeq. MALT состоит из двух программ: накопления солода и прогона солода. Malt-build используется для построения индекса для данной базы данных ссылочных последовательностей. Вместо этого солодовый прогон используется для выравнивания набора последовательностей запросов по справочной базе данных. Затем программа вычисляет битовую оценку и ожидаемое значение (E-значение) выравнивания и решает, сохранить или отклонить выравнивание в зависимости от заданных пользователем пороговых значений для битовой оценки, E-значения или процентной идентичности. Битовая оценка - это требуемый размер базы данных последовательностей, в которой текущее совпадение может быть найдено случайно. Чем выше битовая оценка, тем лучше сходство последовательностей. E-value - это количество ожидаемых совпадений аналогичного качества (оценки), которые могут быть обнаружены случайно. Чем меньше значение E, тем лучше соответствие.[10]

MALT позволяет проводить скрининг данных о необогащенных последовательностях в поисках неизвестных кандидатных бактериальных патогенов, которые участвуют в прошлых вспышках болезней, и для исключения бактериального фона окружающей среды. MALT очень важен, потому что он предлагает преимущество скрининга на уровне генома без выбора конкретного организма-мишени, избегая ошибок, которые являются общими для других подходов к скринингу. Для аутентификации таксономических назначений кандидатов необходимы полные выравнивания, но целевая ДНК часто присутствует в небольшом количестве, поэтому небольшого количества отмеченных участков может быть недостаточно для идентификации. Этот подход может обнаруживать только бактериальную ДНК и вирусную ДНК, поэтому невозможно идентифицировать другие инфекционные агенты, которые могут присутствовать в популяции. Этот метод полезен для исследований, связанных с идентификацией патогенов, ответственных за древние и современные заболевания, особенно в случаях, когда организмы-кандидаты неизвестны. априори.[10]

Приложения

Геномика древних патогенов как инструмент против будущих эпидемий

Одно интересное применение различных методов секвенирования, доступных в настоящее время, - это исследование исторических вспышек болезней, чтобы дать ответ на важные и давние вопросы эпидемиологии, эволюции патогенов, а также истории человечества.[2]

Таким образом, прилагается много усилий, чтобы найти все больше и больше информации об этиологии инфекционных заболеваний, имеющих историческое значение, таких как чума и Cocoliztli эпидемия, чтобы описать географическое распространение вирусов и попытаться определить патогенетический механизм этих инфекционных агентов, которые фактически являются активными элементами эволюционного процесса. сегодня Y.pestis и S. enterica кажутся так далеко от нас и совсем не опасны, но ученые по-прежнему заинтересованы в долгосрочном отслеживании генетической адаптации этих бактерий и точной количественной оценке темпов их эволюционных изменений. Это потому, что они могут извлечь из этого знания прошлого правильные идеи для разработки стратегии борьбы с будущими эпидемиями.[2]

Прекрасно осознавая тот факт, что бактерии и вирусы являются одним из наиболее изменчивых элементов в природе, подверженных неограниченному количеству мутаций, и принимая как должное, что невозможно управлять всеми внешними факторами, которые могут повлиять на развитие патогенного вируса, никто говорит о борьбе с новой возможной вспышкой чумы или любого другого инфекционного агента в прошлом: здесь цель состоит в том, чтобы определить стратегию, «ориентир», чтобы быть более подготовленными к появлению нового опасного патогена. Вклад окружающей среды в распространение инфекций должен быть определен, и такие факторы, как миграция людей, изменение климата, перенаселенность в городах или одомашнивание животных, являются одними из основных причин, способствующих возникновению и распространению болезней. Конечно, эти факторы непредсказуемы, и это причина, по которой исследователи пытаются извлечь актуальную информацию из прошлого, которая может быть полезной сегодня и завтра. Хотя они продолжают разрабатывать стратегии по борьбе с возникающими угрозами с использованием диагностических, молекулярных и современных инструментов, они все еще оглядываются на то, как древние патогены эволюционировали и адаптировались в ходе исторических событий. Чем больше известно о геномной основе вирулентности исторических заболеваний, тем лучше можно понять возникновение и повторное возникновение инфекционных заболеваний сегодня и в будущем.[2]

Древние инфекции и эволюция человека

Анализ филогенных взаимоотношений между человеком-хозяином и вирусными патогенами позволяет предположить, что многие заболевания были совместное развитие с людьми на протяжении тысячелетий, с самого начала человеческой истории в Африке.

В частности, долгосрочное взаимодействие с патогенами считается отбором, который может быть очень сильным, поскольку не все люди могли выжить в контакте со всеми инфекционными агентами, с которыми они встречались на протяжении многих лет: естественный отбор патогенами участвует в эволюции видов. Это взаимодействие уже использовалось для отслеживания перемещений населения и реконструкции потоков миграции внутри и из Африки.[11]

Довольно новое применение и интерпретация этой функции - использование ДНК для лучшего понимания эволюции человека. Многие тропические инфекции, вероятно, сыграли значительную роль в процессе эволюции человека. Корреляцию между людьми и вирусами можно понять, если рассматривать ее как «борьбу», которая продолжается тысячелетия и в которой до сих пор никто не выиграл: когда вирусы изменили свои характеристики, чтобы заразить других «борцов», людей пришлось найти стратегию, чтобы улучшить свою физическую форму и выжить среди перемен.[11]

В этой постоянной проблеме на протяжении многих лет, наряду с инфекционными заболеваниями и другими болезнями, поражающими современное человеческое общество, рак в последнее время представляет собой одну из самых загадочных болезней. Ученые исследуют, ограничены ли неопластические заболевания постиндустриальным человеческим обществом или их происхождение можно найти в далеком прошлом, возможно, в доисторических временах. Трудность состоит в том, что рак, смертельный и быстрый, оставляет очень мало признаков в скелетах в тех случаях, когда они быстро умирают, и даже не оставляет никаких признаков существования в случае экстраскелетных опухолей. В любом случае, сведения об этиологии рака неполны, и микроорганизмы принимают на себя роль их инфекции: миграционные потоки в прошлом могли принести с собой вирусы, которые, возможно, являлись резервуаром тропических болезней, а также предрасположенностью к раку. По этой причине молекулярные аналитические методы применяются к археологическим останкам для изучения эволюции гомининов, а также для улучшения исследования в понимании эпидемиология и этиология опухолей. Информация, полученная из аДНК, может быть использована для закрепления мутаций патогенов и восстановления эволюционного процесса на основе присутствия микроорганизмов, она может быть полезна для разработки новых вакцин или обнаружения возможных будущих патогенных угроз.[11]

Прошлые пандемии - это гораздо больше, чем просто древняя история

То, что произошло в прошлом, - это не вся история, есть что-то скрытое, что все еще может управлять генетическим разнообразием человека и естественным отбором, что-то, что соприкасалось с человечеством сотни лет назад, но все еще может оказывать влияние на здоровье людей во всем мире. Поскольку эпидемии являются одним из наиболее частых явлений, которые затрагивают и потенциально разрушают человеческие популяции, важно обнаруживать, предотвращать и контролировать потенциальные инфекционные агенты. В конце концов, археологи, генетики и ученые-медики заинтересованы в изучении влияния патогенов, которые могут способствовать, угрожать или улучшать здоровье и долголетие человека.[11]

Эволюция и филогенез Yersinia pestis

Yersinia pestis является грамотрицательной бактерией и принадлежит к семейству Enterobatteriaceae. Его ближайшие родственники - Иерсиний псевдотуберкулез и Yersinia enterocolitica, которые являются экологическими видами.

Y. pestis палочка.

Все они обладают плазмидой pCD1, которая кодирует секреторную систему типа III. Среди генов, кодирующих хромосомные белки, их нуклеотидная геномная идентичность составляет 97%. Они разные по своей вирулентности и механизмам передачи.[12]

Y. pestis не адаптированы к человеку. Его основными резервуарами являются грызуны (например, сурки, мыши, песчанки, полевки и луговые собачки), и он передается людям через блоха. Одним из наиболее изученных переносчиков этого возбудителя является Xenopsylla cheopis.

После укуса инфицированной блохи бактерии попадают в организм хозяина и перемещаются к ближайшему лимфатическому узлу, где бактерии размножаются, вызывая большие опухоли, называемые бубонами. Бактерии также могут распространяться в кровоток (вызывая сепсис) и легкие (вызывая пневмонию). Легочная болезнь напрямую передается от человека к человеку.[13]

Было установлено, что Y. pestis стал таким опасным из-за приобретения ymt (мышиный токсин yersina). Этот ген присутствует в плазмиде pMT1 и обеспечивает выживание бактерии в векторе от блох и способствует колонизации средней кишки у членистоногих, что приводит к крупномасштабным пандемиям прошлого тысячелетия.[13]

Ранняя эволюция и отклонение от Иерсиний псевдотуберкулез

Y. pestis отличается от двух других видов из-за его патогенности и механизма передачи. Эти различия обусловлены двумя плазмидами: pPCP1, которая придает бактерии ее инвазивные свойства у людей, и pMT1, которая участвует в колонизации блох (наряду с некоторыми Потеря функции по бактериальным хромосомным генам).

Образцы, датируемые поздним неолитом и бронзовым веком, позволили выявить первое генетическое расхождение между Ю. псевдотуберкулез и Y. pestis предки. Характеристики, которые придают Y. pestis его вирулентность отсутствовала у этих штаммов: у них отсутствует ymtген, необходимый для колонизации вектора; также они представили активную форму генов, необходимых для биопленка образование (неактивное у возбудителя Y. pestis) и активный флагеллин ген, являющийся индуктором иммунного ответа (является псевдоген в Y. pestis).[1]

Сравнение черновика генома и двух плазмид (pCD1 и pMT1) с образцами жертв Черной смерти (1348-1349) в могильнике Ист-Смитфилд подчеркнуло очень высокую генетическую сохранность последовательности: всего 97 однонуклеотидных различий. более 660 лет.[14]

Y. pestis микроэволюция

Индивидуальный штамм London 6330 обладает мутациями, отсутствующими в других изолятах того же периода (1348-1350): причиной может быть либо наличие нескольких штаммов, циркулирующих в Европе одновременно, либо микроэволюция одного штамма во время пандемии.[14]

Три основных вспышки чумы

Имеются три пандемических вспышки Ю. Пестис:

  1. Первая известна как чума Юстиниана, она впервые произошла в Египте в 541-543 годах, а затем распространилась на Константинополь и соседние регионы. Вспышки болезни наблюдались в Европе до 750 г. н.э. Филогенетический анализ показал, что оба генома принадлежат к вымершей на сегодняшний день линии, которая тесно связана с пятнами из современного Китая, что предполагает возможность восточноазиатского происхождения первой пандемии.
  2. Вторая пандемия известна как Черная смерть или как Великая Чума. Это произошло в 1346–1352 годах в Европе и сопровождалось множеством повторений чумы, продолжавшейся до 18 века. Возможно, в этой пандемии было два разных штамма Y. pestis которые пришли на континент разными импульсами.
  3. Третья пандемия началась в Китае в 1860 году. Она быстро распространилась на другие страны из-за использования железных дорог и пароходов.

Штаммы, связанные с Юстиниановой чумой, появляются на новой ветви, которая филогенетически отличается от второй и третьей пандемий чумы. Первый штамм Y. pestis обнаруженный во время второй вспышки, выживает и дает современные штаммы ветви 1, связанные с третьей пандемической вспышкой.

Первые бактерии чумы, а также второй и третий штаммы чумы имеют общего предка.[2]

Связь между второй и третьей пандемиями

В недавнем исследовании[15] геномы Y. pestis из трех образцов, возобновленных в Барселона (умер 1300-1420), Эльванген (1486-1627 гг.) и г. Болгар (1298-1388 гг.). Дата смерти проанализированных лиц была определена благодаря радиоуглеродные даты; последнее было подтверждено наличием монеты, произведенной только после 1362 года. Из 223 образцов, полученных от 178 человек, только один для каждого участка имел подходящее количество ДНК и был окончательно выбран для секвенирования всего генома бациллы (посредством анализ захвата генома, используя в качестве черновика Ю. псевдотуберкулез геном и pMT1 и pCD1 из Y. pestis).

Выравнивание с Y. pestis филогенетическое древо, созданное с использованием ранее известных древних геномов, показало увеличение генетического разнообразия за пределами Китая по сравнению с тем, что считалось ранее; все три новых генома отображены в ветви 1 и обладают двумя SNP связанных с Черной смертью (все геномы Y. pestis датируется картой Черной смерти в Ветке 1).[14] Сорт Barcelona не отличается от сорта London; два человека, от которых был получен геном, умерли от чумы с промежутком в несколько месяцев (весна и осень 1348 г.[16][17]), подчеркивая присутствие в Европе единственной волны чумы с низким генетическим разнообразием. Штамм Ellwangen картируется в подветви ветви 1 и является предком ранее секвенированного штамма (L'Observance).[18] он происходит от того, который циркулировал в Лондоне и Барселоне во время Черной смерти, но также имеет дополнительные мутации. Поэтому считается, что линия произошла от ветви 1 до 16 века (вспышка болезни Эльвангена) и не имела известных современных потомков.[15]

По сравнению с изолятами от Black Death штамм Bolgar city представляет:

  • p3 и p4, общие для "лондонского индивидуума 6330";
  • p6, общий со всеми современными штаммами Branch 1;
  • p7, уникальный для этого штамма;

Штамм Bolgar City имеет SNP, связанные с Черной смертью, и может свидетельствовать о движении чумы на восток; Эти результаты подтверждают одну из моделей, которые пытаются объяснить связь между 2-й и 3-й пандемией: в этом сценарии был единственный выход чумы в Европу (вызывающий Черную смерть), который после радиационного события двинулся на восток, чтобы установить в бывшем советском союзе и в Азии, откуда он распространился в 18 веке, вызвав 3-ю пандемию.[15]

Другая гипотеза заключается в том, что линия 3-й пандемии могла быть вызвана ранее существовавшей генетической изменчивостью в Y. pestis штаммы в Китае: эта гипотеза фактически подтверждается корреляцией между последующими волнами пандемии в Европе и климатическими колебаниями, которые позволили бы ее распространению на континенте. Эта модель не может объяснить генетическое разнообразие Черной Смерти (по крайней мере, четыре разных линии, которые потребовали бы введения из Азии четырех разных штаммов).[19]

Опять же, есть две модели, которые пытаются объяснить множественные вспышки чумы в Европе после черной смерти:

  • Неоднократный завоз чумы из Азии. Этот сценарий совместим со второй теорией, рассмотренной ранее, которая видит генетическая изменчивость из Y. pestis в Китае;[20]
  • Наличие в Европе резервуар (ныне вымершие), которые вызывали вспышки до 18 века;

Обе модели могут быть действительными, и в настоящее время мы не можем продемонстрировать одну над другой. Однако геном штамма Эльванген, секвенированный в этом исследовании, может считаться доказательством второй гипотезы из-за географического положения города, которое имеет тенденцию исключать возможность заноса чумы с востока.[15]

Современный Y. pestis напряжения

Последовательность Y. pestis геномы позволили обнаружить событие вариации, предшествовавшее Черной смерти, которое дало начало многим штаммам, циркулирующим сегодня.[15]

Salmonella enterica анализ геномов

В 16-м году в Мексике произошла эпидемия, которая вызвала высокую смертность среди коренного населения Америки. Такая высокая смертность является следствием влияния демографического коллапса многих коренных народов. Эта эпидемия получила название "Cocoliztli "аборигенами ацтеков из-за симптомов, в частности высокой температуры и кровотечения.[21]

Эта эпидемия считается одной из самых страшных эпидемий в истории Мексики, и причина ее вспышек остается загадкой на протяжении более 500 лет.

Группа ученых из Гарвард и Институт Макса Планка опубликовал исследование в журнале Природа, экология и эволюция, и они предлагают Сальмонелла Enterica как хороший кандидат на случай сильной эпидемии в Мексике в 16 веке.[10] Многие исследования предполагают, что эта бактерия была занесена европейцами в коренное население.

Группа ученых проанализировала аДНК, извлеченную из зубов 24 скелетов, захороненных на кладбище в городе Тепосколула-Юкундаа, и обнаружила в 10 из 24 скелетов следы аДНК Salmonella enterica. Кроме того, чтобы продемонстрировать, что бактерия была завезена в Мексику европейцами, они проанализировали пять особей, которые были похоронены до притока европейцев. Результаты показали, что не было никаких доказательств Salmonella enterica в доконтактная эпоха.[10]

Анализ Salmonella enterica геномы

Ученые извлекли аДНК из зубов 24 останков коренных жителей с эпидемического кладбища эпохи контактов и 5 человек, захороненных на кладбище доконтактной эпохи. Экстракцию проводили согласно протоколу выделения аДНК. Группа исследователей параллельно изучила также образец почвы кладбища, чтобы получить представление о микроорганизмах окружающей среды, которые могли проникнуть в образцы.

После экстракции геномы секвенировали с помощью анализатора генома Illumina. Затем, используя биоинформатический инструмент под названием MALT, исследователи провели анализ метагеномный данные последовательности. Эта программа позволяет исследователям выровнять извлеченные последовательности с эталоном без указания точной цели. Исследователи выполнили анализ MALT два раза: один раз с использованием полных бактериальных геномов, которые были доступны через NCBI (Национальный центр биотехнологической информации) RefSeq в качестве ссылки, а второй запуск был проведен с использованием полной базы данных нуклеотидов NCBI для скрининга вирусной ДНК.

Результат процесса скрининга был положительным на наличие Salmonella enterica ДНК в 10 последовательностях до 24, собранных из образцов и трех образцов зубов, имела большое количество считываний, приписываемых S. Enterica. В частности, основные S. enterica В образцах присутствует штамм S. Paratyphi C. Этот штамм вызывает кишечную лихорадку у людей. В образцах доконтактной эпохи они не обнаружили никаких доказательств существования S. Enterica, подтверждая гипотезу о том, что S. enterica не было местных бактерий.

Дальнейший анализ был проведен для определения классической картины повреждения аДНК в трех положительных образцах зубов, и это было проведено путем сопоставления наборов данных с С. Ссылка на геном Paratyphy C. Результаты оказались положительными и подтвердили тезис S.enterica как причина коколитцли.

Чтобы углубиться в анализ и подтвердить тезис, исследователи провели дальнейшие эксперименты и вычислительный анализ. Они выполнили полногеномный целевой массив и гибридизационный захват в растворе с использованием зондов, которые включают современные S. enterica геномные различия и использование S. Paratyphi C в качестве ссылки. Гибридизация была успешной для десяти положительных образцов, в то время как другие образцы дали отрицательный результат на древнюю ДНК.[10]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c d е ж г Spyrou, Maria A .; Bos, Кирстен I .; Хербиг, Александр; Краузе, Йоханнес (05.04.2019). «Геномика древних патогенов как новый инструмент для исследования инфекционных заболеваний». Природа Обзоры Генетика. 20 (6): 323–340. Дои:10.1038 / s41576-019-0119-1. ISSN  1471-0056. ЧВК  7097038. PMID  30953039.
  2. ^ а б c d е Андам, Шерил П .; Уорби, Колин Дж .; Чанг, Цючжи; Кампана, Майкл Г. (декабрь 2016 г.). «Микробная геномика древних эпидемий и эпидемий». Тенденции в микробиологии. 24 (12): 978–990. Дои:10.1016 / j.tim.2016.08.004. ISSN  1878-4380. PMID  27618404.
  3. ^ Маргарян, Ашот; Hansen, Henrik B .; Расмуссен, Саймон; Сикора, Мартин; Моисеев, Вячеслав; Хоклов, Александр; Епимахов Андрей; Епископосян, Левон; Крийска, Айвар; Варул, Лийви; Сааг, Лехти (26 февраля 2018 г.). «ДНК древнего патогена в человеческих зубах и каменных костях». Экология и эволюция. 8 (6): 3534–3542. Дои:10.1002 / ece3.3924. ISSN  2045-7758. PMID  29607044.
  4. ^ а б Ки, Феликс М .; Пост, Козимо; Краузе, Йоханнес; Хербиг, Александр; Бос, Кирстен И. (август 2017 г.). «Наборы метагеномных данных для добычи древней ДНК: рекомендуемые протоколы для аутентификации». Тенденции в генетике. 33 (8): 508–520. Дои:10.1016 / j.tig.2017.05.005. ISSN  0168-9525. PMID  28688671.
  5. ^ а б c d е ж г час я j k л Орландо, Людовик; Гилберт, М. Томас П .; Виллерслев, Эске (2015-06-09). «Реконструкция древних геномов и эпигеномов». Природа Обзоры Генетика. 16 (7): 395–408. Дои:10.1038 / nrg3935. ISSN  1471-0056. PMID  26055157.
  6. ^ Gilbert, M. T. P .; Binladen, J .; Miller, W .; Wiuf, C .; Willerslev, E .; Пойнар, H .; Карлсон, Дж. Э .; Leebens-Mack, J. H .; Шустер, С. К. (07.12.2006). «Повторная характеристика древних повреждений, вызванных неправильным кодированием ДНК: идеи в эпоху секвенирования путем синтеза». Исследования нуклеиновых кислот. 35 (1): 1–10. Дои:10.1093 / нар / gkl483. ISSN  0305-1048. PMID  16920744.
  7. ^ Гудвин, Сара; Макферсон, Джон Д .; Маккомби, У. Ричард (17 мая 2016 г.). «Достигнув совершеннолетия: десять лет технологий секвенирования следующего поколения». Природа Обзоры Генетика. 17 (6): 333–351. Дои:10.1038 / nrg.2016.49. ISSN  1471-0056. PMID  27184599.
  8. ^ Гансож, Мари-Терес; Мейер, Маттиас (сентябрь 2014 г.). «Селективное обогащение поврежденных молекул ДНК для секвенирования древнего генома». Геномные исследования. 24 (9): 1543–1549. Дои:10.1101 / гр.174201.114. ISSN  1088-9051. ЧВК  4158764. PMID  25081630.
  9. ^ Карпентер, Мередит Л. Буэнростро, Джейсон Д. Вальдиосера Моралес, Кристина Шредер, Ханнес Аллентофт, Мортен Эрик Сикора, Мартин Расмуссен, Мортен Гравель, Саймон Гильен, Соня Нехризова, Георги Лештаков, Красимир Димитрова, Дайана Теодосиева, Дайана Теодорова Доната Сандовал, Карла Морено-Эстрада, Андрес Ли, Инжруи Ван, Джун Гилберт, Том Виллерслев, Эске Гринлиф, Уильям Дж. Бустаманте, Карлос Д. (2013-11-07). Извлечение 1%: захват всего генома для целевого обогащения древних библиотек секвенирования ДНК. OCLC  1035205487.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  10. ^ а б c d е ж Vågene, Åshild J .; Хербиг, Александр; Кампана, Майкл Дж .; Роблес Гарсия, Нелли М .; Уорнер, Кристина; Сабин, Сюзанна; Spyrou, Maria A .; Андрадес Вальтуенья, Аида; Хьюсон, Дэниел; Туросс, Норин; Бос, Кирстен И. (март 2018 г.). «Геномы Salmonella enterica от жертв крупной эпидемии шестнадцатого века в Мексике». Природа Экология и эволюция. 2 (3): 520–528. Дои:10.1038 / s41559-017-0446-6. ISSN  2397-334X. PMID  29335577.
  11. ^ а б c d Rifkin, Riaan F .; Потгитер, Марни; Рамон, Жан-Батист; Коуэн, Дон А. (декабрь 2017 г.). «Древний онкогенез, инфекции и эволюция человека». Эволюционные приложения. 10 (10): 949–964. Дои:10.1111 / eva.12497. ISSN  1752-4571. ЧВК  5680625. PMID  29151852.
  12. ^ Chain, P. S. G .; Carniel, E .; Larimer, F. W .; Lamerdin, J .; Stoutland, P.O .; Regala, W. M .; Георгеску, А. М .; Vergez, L.M .; Land, M. L .; Мотин, В. Л .; Брубейкер, Р. Р. (21 сентября 2004 г.). «Понимание эволюции Yersinia pestis посредством сравнения всего генома с Yersinia pseudotuberculosis». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 101 (38): 13826–13831. Bibcode:2004PNAS..10113826C. Дои:10.1073 / pnas.0404012101. ISSN  0027-8424. ЧВК  518763. PMID  15358858.
  13. ^ а б Хиннебуш, Б. Джозеф; Рудольф, Эми Э .; Черепанов, Петр; Диксон, Джек Э .; Schwan, Tom G .; Форсберг, Эйк (2002-04-26). «Роль мышиного токсина Yersinia в выживании Yersinia pestis в средней кишке переносчика блох». Наука. 296 (5568): 733–735. Bibcode:2002Наука ... 296..733H. Дои:10.1126 / science.1069972. ISSN  1095-9203. PMID  11976454.
  14. ^ а б c Bos, Кирстен I .; Schuenemann, Verena J .; Голдинг, Дж. Брайан; Бурбано, Эрнан А .; Ваглехнер, Николас; Кумбс, Брайан К .; Макфи, Джозеф Б .; DeWitte, Sharon N .; Мейер, Матиас; Шмедес, Сара; Вуд, Джеймс (октябрь 2011 г.). «Проект генома Yersinia pestis от жертв Черной смерти». Природа. 478 (7370): 506–510. Bibcode:2011Натура.478..506Б. Дои:10.1038 / природа10549. ISSN  1476-4687. ЧВК  3690193. PMID  21993626.
  15. ^ а б c d е Spyrou, Maria A .; Тухбатова, Резеда И .; Фельдман, Михал; Драт, Джоанна; Кацки, Саша; Бельтран де Эредиа, Джулия; Арнольд, Сюзанна; Ситдиков, Айрат Г .; Кастекс, Доминик; Валь, Иоахим; Газимзянов, Ильгизар Р. (08.06.2016). «Исторические геномы Y. pestis показывают, что черная смерть в Европе является источником древних и современных пандемий чумы». Клеточный хозяин и микроб. 19 (6): 874–881. Дои:10.1016 / j.chom.2016.05.012. ISSN  1931-3128. PMID  27281573.
  16. ^ Готфрид, Роберт Стивен (1 января 1983 г.). Черная смерть: природные и гуманитарные катастрофы в средневековой Европе. Свободная пресса. ISBN  978-0-02-912630-1.
  17. ^ Бенедиктов, Оле Йорген (2006). Черная смерть, 1346-1353: Полная история. Бойделл Пресс. ISBN  978-1-84383-214-0.
  18. ^ Bos, Кирстен I .; Хербиг, Александр; Сахл, Джейсон; Ваглехнер, Николас; Фурман, Матье; Форрест, Стивен А .; Клунк, Дженнифер; Schuenemann, Verena J .; Пойнар, Деби; Куч, Мелани; Голдинг, Дж. Брайан (21 января 2016 г.). «Геномы Yersinia pestis восемнадцатого века демонстрируют долговременное сохранение исторического очага чумы». eLife. 5: e12994. Дои:10.7554 / eLife.12994. ISSN  2050-084X. ЧВК  4798955. PMID  26795402.
  19. ^ Хенш, Стефани; Биануччи, Рафаэлла; Синьоли, Мишель; Раджерисон, Миноаризоа; Шульц, Майкл; Кацки, Саша; Вермант, Марко; Уэстон, Дарлин А .; Херст, Дерек; Ахтман, Марк; Карниэль, Элизабет (07.10.2010). «Определенные клоны Yersinia pestis вызвали черную смерть». Патогены PLOS. 6 (10): e1001134. Дои:10.1371 / journal.ppat.1001134. ISSN  1553-7374. ЧВК  2951374. PMID  20949072.
  20. ^ Шмид, Борис В .; Бюнтген, Ульф; Пасха, У. Райан; Гинзлер, Кристиан; Валло, Ларс; Браманти, Барбара; Стенсет, Нильс Хр (10.03.2015). «Климатически обусловленное внедрение Черной смерти и последовательных повторных интродукций чумы в Европе». Труды Национальной академии наук. 112 (10): 3020–3025. Bibcode:2015ПНАС..112.3020С. Дои:10.1073 / pnas.1412887112. ISSN  0027-8424. ЧВК  4364181. PMID  25713390.
  21. ^ Акуна-Сото, Родольфо; Stahle, Дэвид У .; Кливленд, Малкольм К .; Террелл, Мэтью Д. (апрель 2002 г.). «Мегазада и Мегасмерть в Мексике 16 века». Возникающие инфекционные заболевания. 8 (4): 360–362. Дои:10.3201 / eid0804.010175. ISSN  1080-6040. ЧВК  2730237. PMID  11971767.