Эволюционную историю возбудителя чумы восстановили по 242 полным геномам

Yersinia pestis — возбудитель чумы, ставший причиной трех пандемий в истории человечества. Известно, что эта бактерия произошла от Yersinia pseudotuberculosis, однако понимание закономерностей ее эволюции ограничено малым количеством полных геномов и аналитических методов. Авторы статьи в Nature Genetics разработали стратегию, с помощью которой проанализировали 242 полных генома природных изолятов Y. pestis из различных филогрупп. По геномным перестройкам ученые подробно охарактеризовали эволюционную историю этого патогена — как опасных, так и авирулентных для человека штаммов.

Ученые получили 242 полных генома Y. pestis — 178 новых, секвенированных с помощью гибридных сборок с использованием данных секвенирования PacBio с длинными прочтениями и Illumina, и 64 ранее опубликованных генома. Включенные в анализ штаммы были выделены в 11 странах и основных природных очагах чумы по всему миру в период с 1939 по 2020 год. По однонуклеотидным полиморфизмам в этих геномных данных авторы построили филогенетическое древо.

Анализ выявил 393 блока синтении протяженностью от 1,01 до 73,91 килобаз (медиана — 6,58 килобаз). Большинство из них (71,2%) присутствовали у всех штаммов, представляя собой ядро генома Y. pestis. Остальные 113 дополнительных блоков различались по наличию или количеству копий: шесть из них были обнаружены менее чем у пяти штаммов, а остальные — у 26–242 штаммов.

В целом геномные перестройки у Y. pestis оказались связаны с четырьмя распространенными инсерциями — такие варианты составили более 90% всех случаев. Такие перестройки находились под сильным давлением положительного отбора. Наибольшая активность отмечалась у двух инсерционных последовательностей, IS1661 и IS100.

Из найденных блоков синтении 43 были организованы в 16 сегментов, которые имелись либо отсутствовали у всех штаммов конкретной филогруппы. Две авирулентные для человека филогруппы — 0.PE4B и 0.PE4C, — были лишены сегмента фагового происхождения длиной 33 килобазы.

Для филогрупп 1.ORI, связанных с третьей пандемией чумы, была характерна своя уникальная профаговая последовательность. Их более детальный анализ разрешил политомию, которая ранее имелась в этом узле филогенетического древа Y. pestis — судя по поэтапным перестройкам, подгруппа 1.ORI1 отделилась первой, после чего разошлись 1.ORI2 и 1.ORI3.

Среди редких событий перестроек, имевших место в ранней эволюции Y. pestis, авторы обнаружили асимметричную инверсию протяженностью 2,14 Мб — она связана с расхождением авирулентной филогруппы 0.PE4 и филогруппы 0.ANT1, которая родственна первой пандемической филогруппе 0.ANT4.

Также исследователи обнаружили, что вследствие перестроек во всех штаммах филогрупп 0.PE4B и 0.PE4C были нарушены последовательности трех генов — hutC, fcuA и YPO2729. Первые два гена ассоциированы с вирулентностью и образованием биопленок у других видов бактерий. Другие перестройки, уникальные для авирулентных штаммов, затрагивали 17 межгенных регионов.

Несмотря на высокую долю блоков синтении в коровом геноме Y. pestis, для 78,9% хромосом этой бактерии было характерно высокое (более 0,5) синтенное разнообразие. Для сравнения, у предкового вида Y. pseudotuberculosis уровень синтенного разнообразия ниже: оно превышает 0,5 только в 8,2% хромосомных участков. Эти результаты указывают на частые перестройки и перегруппировки блоков синтении, которые происходили в течение эволюции Y. pestis.

Наконец, исследователи обратили отдельное внимание на оперон rpsO-pnp — они обнаружили, что он является очагом частых перестроек. При этом для многих штаммов Y. Pestis характерна его конвергентная эволюция, и предполагается, что данный оперон может играть ключевую роль в приспособляемости и ответе на стресс.

Сами авторы заключают: полученные данные позволяют по-новому взглянуть на эволюцию Y. pestis, а также могут лечь в основу методологии экспериментов с теми видами бактерий, для которых характерны частые геномные перестройки.

Возбудитель чумы может становиться менее смертоносным, но более трансмиссивным