Появление возвратного тифа, переносимого вшами, совпало с распространением шерстяной одежды в древней Европе

Исследователи из Института Фрэнсиса Крика, Лондонского университетского колледжа и других научных центров проанализировали четыре древних генома возбудителя возвратного тифа Borrelia recurrentis , найденных в Великобритании. Самой ранней из находок 2100–2600 лет, самой поздней — более 600 лет. Анализ геномов принес новые данные об эволюции этого патогена, в частности, о его отделении от боррелий, переносимых клещами. Статья исследователей опубликована в Science.

Существует несколько видов патогенных бактерий, которые в ходе эволюции сменили переносчика — изначально их распространяли клещи, а потом они адаптировались к передаче при помощи вшей. Примерами таких бактерий служат Bartonella quintana (возбудитель окопной, или пятидневной лихорадки), Rickettsia prowazekii (эпидемический сыпной тиф) и Borrelia recurrentis (возвратный тиф, переносимый вшами). Интересно, что виды, переносимые вшами, более вирулентны по сравнению с теми, которые переносятся клещами. Также для них характерен меньший размер генома, что может быть связано с ограниченной нишей — передачей только от человека к человеку.

Возвратный тиф, или возвратная лихорадка — собирательное название для группы заболеваний, вызываемых несколькими видами боррелий. Основные переносчики возвратного тифа — аргасовые, или мягкотелые клещи (эпидемический возвратный тиф). Один вид — Borrelia miyamotoi – передается иксодовыми клещами; по особенностям генома предположили, что этот вид, вероятно, относится к целой группе заболеваний — иксодовым возвратным лихорадкам B. miyamotoi sensu lato. Однако B. recurrentis передается человеческой вошью Pediculus humanus — переносчиком, который специализируется исключительно на человеке.

Геном боррелий отличает от геномов большинства бактерий наличие линейной хромосомы и большого количества плазмид. (У B. recurrentis их около семи, все они линейные; у других боррелий плазмиды могут быть и кольцевыми, и их число может быть больше.) Хромосома боррелий консервативна и содержит гены, характерные для других бактерий. Плазмидный геном подвержен перестройкам. Ранее было подсчитано, что B. recurrentis потеряла примерно четверть генома по сравнению с родственным видом B. duttonii, причем потеря генов сильно затронула плазмиды.

Про эволюцию генома B. recurrentis и других патогенов, сменивших специализацию с клещей на вшей, в настоящий момент мало что известно. Вспышки переносимого вшами возвратного тифа могут происходить в условиях перенаселенности, плохого доступа к средствам санитарии и гигиены, военных конфликтов и стихийных бедствий. Однако поскольку этот вид сложен для культивирования, данных по современным инфекциям недостаточно, и археогенетический подход очень важен для изучения генетического разнообразия и эволюции патогена в современных исследованиях. Ранее были получены геном B. recurrentis из зубной ткани скелета возрастом около 550 лет, захороненного в средневековом Осло (Норвегия) и всего семь современных геномов.

Авторы новой работы секвенировали четыре древних генома B. recurrentis из британских образцов возрастом от 2300 до 600 лет. Для датировки образцов использовали радиоуглеродное датирование и археологический контекст. Два образца относились к железному веку (более 2000 лет назад), два — к средневековью (более 600 лет назад). При секвенировании удалось получить хорошее покрытие для трех из четырех геномов. Это может говорить о высоком содержании патогена в организме и вероятной смерти человека от бактериемии. Без лечения антибиотиками возвратный тиф и сегодня приводит к летальному исходу в 10–40% случаев, напоминают авторы, хотя делают оговорку, что древняя инфекция, вызванная генетически отличным патогеном, могла протекать иначе.

Авторы определили хронологию дивергенции B. recurrentis от переносимого клещами предка и проанализировали пангеномные эволюционные процессы (пангеном — совокупность всех генов рассматриваемой группы организмов, таким образом, эволюция пангенома характеризует утрату и приобретение видом тех или иных генов).

В анализ включили три генома с хорошим покрытием, а также современные геномы B. recurrentis и его ближайшего родственника B. duttonii, передаваемого клещами. Было установлено, что общий предок древних и современных B. recurrentis отделился от предка B. duttonii 6000–4000 лет назад, то есть по меркам эволюции сравнительно недавно. (Для сравнения: ассоциация боррелий с клещами предположительно произошла 230–290 млн. лет назад, до крупного разделения между семействами клещей Argasidae–Ixodidae.)

Клада железного века возникла 2326–2410 лет назад, а средневековая клада, включающая как британский, так и норвежский образец, датируется в пределах последних 700 лет. Также было высказано предположение, что общий предок современных B. recurrentis существовал всего 46-69 лет назад, хотя авторы отмечают, что разнообразие как древних, так и современных образцов может быть недооценено.

Сравнение геномов B. recurrentis и B. duttonii принесло новую информацию о том, как происходила редукция генома у первого из них. Геном современных B. recurrentis содержит примерно на 25% меньше генов, чем геном B. duttonii. Однако средневековый геном и геном железного века покрывали чуть более 80% эталонного генома B. duttonii, то есть 2000 лет назад основное сокращение генома уже произошло.

Три плазмиды, присутствующие у B. duttonii, и в геномах железного века (pl26, pl27, pl28), отсутствовали или имели низкое покрытие в средневековых и современных геномах, плазмида же pl53, напротив, присутствовала в современных и средневековых геномах, но демонстрировала лишь частичное покрытие в геномах железного века. Соответствующие генетические изменения могли повлиять на способность бактерии уклоняться от иммунной системы. Это, в свою очередь, позволяет предположить, что B. recurrentis специализировалась на выживании в человеческих вшах и в организме человека. В то же время хромосомный геном продемонстрировал характерную для боррелий консервативность: древние штаммы мало отличаются от современных.

Исследователи отмечают, что отделение B. recurrentis от B. duttonii хронологически совпадает с переходом от неолита к раннему бронзовому веку, когда люди стали одомашнивать животных и жить более оседло, в более крупных и скученных поселениях. Это могло способствовать более легкому распространению B. recurrentis и других патогенов, переносимых человеческими вшами. Кроме того, около 6000 лет назад на Ближнем Востоке, Кавказе и Черноморско-Каспийской степи начало развиваться овцеводство, появились шерстяные ткани, и около 4000 лет назад торговля шерстью широко распространилась в Западной Евразии. При этом вши и патогены, распространяемые вшами, получили эволюционное преимущество, так как шерстяная ткань лучше подходит для откладывания яиц, чем ткани растительного происхождения.

«Определенные нами временные точки указывают на то, что изменения в человеческом обществе, такие как появление новых материалов для одежды или проживание в больших группах, могли позволить B. recurrentis перейти от одного переносчика к другому и стать более смертоносной, это пример коэволюции патогенов и человека», — говорит Понтус Скоглунд, руководитель группы лаборатории древней геномики Института Фрэнсиса Крика и соруководитель исследования.

Понимание того, как бактерии, подобные B. recurrentis, становились более вирулентными и летальными в прошлом, помогает нам понять, как могут меняться инфекционные болезни в будущем.

Версия об американском происхождении сифилиса получила новое подтверждение