Прочитан геном чумной палочки времен «Черной смерти»
Технологический прогресс в секвенировании древней ДНК достиг уже такого уровня, что позволяет исследовать практически полные геномы древних организмов. Биологи из Канады, Германии и США реконструировали геном древней чумной палочки (Yersinia pestis) из жертв пандемии чумы 1346–1353 гг., получившей название «Черная смерть». Сравнение генома древней Y. pestis с геномами бактерий из современных штаммов не выявило существенных различий в нуклеотидных последовательностях. Это говорит о том, что различия в протекания и распространении болезни во времена «Черной смерти» и в период третьей пандемии на рубеже XIX–XX веков нельзя объяснить генетическими изменениями бактериального штамма.
Вторая эпидемия чумы 1346–1353 гг., известная как «Черная смерть», выкосила, по разным подсчетам, от 30 до 50% населения Европы. Темпы распространения и процент смертности в период «Черной смерти» были существенно выше, чем в период третьей пандемии, случившейся в конце XIX — начале XX веков. «Черная смерть» была очень громким мировым событием, поэтому сохранилось множество документов, из которых известны ужасающие подробности этой пандемии.
Возбудителем чумы является грамотрицательная бактерия (см. Gram-negative bacteria) Yersinia pestis, или чумная палочка. В мокроте палочка чумы может сохраняться до 10 дней, на белье и одежде, испачканных выделениями больного, сохраняется неделями. Природным переносчиком чумы служит блоха Xenopsilla cheopis (крысиная южная блоха), паразитирующая на грызунах. В разгул эпизоотий из-за массовой гибели грызунов насекомые переходят на других хозяев, иногда не только млекопитающих. Блоха способна обходиться без пищи до шести недель, да и черная крыса, один из естественных хозяев блохи, отличается большой выносливостью. И блоха, и грызун способны путешествовать на большие расстояния в багаже или продовольственных запасах. Все эти особенности способствуют быстрому распространению болезни на большой территории.
Известно две наиболее распространенные формы чумы — бубонная и легочная. Возбудитель проникает через повреждение кожи вследствие укуса блохи. Затем он достигает лимфатических узлов, в которых начинает бурно размножаться. Бубон (увеличенный воспаленный лимфатический узел) появляется на второй день заболевания. Другие симптомы болезни — сильная головная боль, высокая температура с ознобом, гиперемированное лицо, которое затем темнеет, под глазами появляются темные круги, от чего заболевание получило название «черной смерти». Легочная форма чумы возникает как результат осложнения бубонной формой либо при заражении воздушно-капельным путем.
Разные исследователи отмечают разницу в механизме протекания болезни и особенностях ее распространения между «Черной смертью» и третьей пандемией. Во-первых, бубоны, располагавшиеся в XIX–XX веках обычно на ногах, что вполне логично (блоха быстрее добирается до нижней части тела), во времена «Черной смерти» часто располагались на шее или за ушами. В период «Черной смерти» отмечались особенные симптомы болезни, в частности гангренозное воспаление горла и легких, сильные боли в области сердца, кровохаркание и кровавая рвота, а также тяжелый запах, исходивший от больных, чего не зафиксировано во времена третьей пандемии. Основной формой заболевания в XIV веке, в особенности, на севере Европы, была легочная форма, в то время как во время третьей эпидемии процент больных с поражениями легких не превышал 15–25%. Чуме обычно предшествует массовая гибель крыс, но ничего подобного в документах XIV века не отмечалось. В то же время, по расчетам исследователей, при той смертности, о которой говорят хроники, штабеля из мертвых крыс должны были буквально загромождать улицы и доходить до колена взрослому человеку.
Почему эти пандемии так различались? Одна из причин может быть в различиях в самом возбудителе чумы Y. pestis, который мог измениться за 660 лет, прошедшие между второй и третьей пандемиями. Чтобы понять, произошли ли какие-нибудь существенные генетические изменения в бактерии за это время, необходимо было бы сравнить геномы современной чумной палочки и древнего возбудителя. Именно это сделали биологи из университетов Онтарио (Канада), Тюбингена и Лейпцига (Германия), Южной Каролины, Техаса и Пенсильвании (США), которые опубликовали первый черновой вариант генома древнего возбудителя.
Y. pestis отличается от других представителей рода Yersinia, в частности своего близкого родственника Y. pseudotuberculosis, наличием двух плазмид — pMT1 и pPCP1. Именно они кодируют белки, которые способствуют переносу бактерии блохой и обеспечивают инфицирование клеток хозяина. Наличие этих плазмид помогло идентифицировать чумную палочку в останках умерших из захоронения на кладбище East Smithfield Black Death в Лондоне. Всего было исследовано 46 зубов и 53 кости, в результате чего удалось полностью расшифровать геном Y. pestis из четырех зубов, которые принадлежали, соответственно, четырем жертвам «Черной смерти». Авторы проделали фантастическую работу по восстановлению древней ДНК. Были построены филогенетические деревья на основании анализа 1694 вариабельных нуклеотидных позиций геномов жертв «Черной смерти» и 17 различных штаммов Y. pestis, доступных в базе данных (рис. 1).
Филогенетические реконструкции показывают, что возбудитель «Черной смерти» генетически очень близок к предку всех патогенных штаммов чумной палочки, дошедших до наших дней. Последовательности из трех жертв «Черной смерти» отличаются от него лишь двумя нуклеотидными заменами, а четвертая жертва была инфицирована штаммом, содержащим еще три замены. Это может говорить либо о наличии нескольких штаммов в период второй пандемии, либо о микроэволюционных изменениях в пределах одного штамма, которые нередки в периоды эпидемий. Все четыре штамма оказались ближе к ветви 1 других известных штаммов Y. pestis, чем к ветви 2 (рис. 1a). Молекулярные часы оценивают возраст предка всех ныне известных патогенных штаммов чумной палочки между 668-м и 729 гг. (1289–1343 гг., рис. 1b), что гораздо меньше, чем предполагалось ранее.
Кроме того, это же исследование говорит о том, что возбудитель Юстиниановой чумы, первой пандемии, бушевавшей в период 531–750 гг., сильно отличался от всех известных патогенных штаммов Y. pestis. Предположительно, непатогенный штамм В42003004, выделенный из китайской популяции сурков, отличается от штаммов из жертв «Черной смерти» всего восемью нуклеотидными заменами, тогда как точно непатогенный штамм Microtus 91001 отличается от них 113 заменами. Судя по филогенетическому дереву, возбудитель Юстиниановой чумы генетически находился где-то посередине.
В итоге, это исследование показывает, что в течение 660 лет возбудитель чумы эволюционировал очень незначительно. Следовательно, повышенная вирулентность возбудителя в период второй пандемии объясняется не особенностями микроорганизма, а другими факторами, в частности экологическими. XIV век ознаменовался резким изменением климата: наступило похолодание, периоды повышенной влажности чередовались с засухой. Происходили землетрясения и наводнения во многих точках как Европы, так и Азии. Множественные нашествия саранчи опустошали страны. В результате голод и болезни привели к ослаблению иммунной системы. В Европе вспыхивали эпидемии оспы и проказы. Такие социально-экономические факторы, как ужасающая антисанитария в городах и абсолютное несоблюдение личной гигиены, в XIV веке также способствовали распространению чумы.
Третья пандемия прошла легче, чем вторая, видимо и по той причине, что изменился генетический состав популяции в Европе. «Черная смерть» унесла в могилы не менее трети населения Европы, таким образом прибрав к рукам наиболее чувствительных к возбудителю индивидов.
Источник: Kirsten I. Bos, Verena J. Schuenemann, G. Brian Golding, Hernán A. Burbano, Nicholas Waglechner, et al. A draft genome of Yersinia pestis from victims of the Black Death // Nature. V. 478. P. 506–510.
ВАРВАРА ВЕДЕНИНА
