Jeden gen, wieki pandemii: jak ewolucja umożliwiła dżumie przetrwać i zabijać
Gen pla: klucz do zjadliwości i wygasania pandemii dżumy
Naukowcy udokumentowali, w jaki sposób pojedynczy gen w bakterii wywołującej dżumę – Yersinia pestis – umożliwił jej przetrwanie przez setki lat dzięki dostosowywaniu zjadliwości oraz czasu potrzebnego do zabicia ofiar. Te formy dżumy ostatecznie jednak wygasły.
Badanie przeprowadzone przez naukowców z Uniwersytetu McMaster w Kanadzie oraz Instytutu Pasteura we Francji, opublikowane dziś w czasopiśmie Science, odpowiada na kluczowe pytania dotyczące pandemii: jak patogeny trafiają do populacji ludzkich, wywołują ogromną zachorowalność i jak ewoluują pod względem zjadliwości, by trwać w populacjach?
Czarna Śmierć pozostaje najtragiczniejszą pandemią w historii, zabijając według szacunków od 30 do 50% populacji Europy, Azji Zachodniej i Afryki. Pojawiła się w XIV wieku, a następnie powracała falami przez ponad 500 lat – aż do 1840 roku.
Czarna Śmierć została wywołana przez tę samą bakterię, która odpowiadała za wcześniejszą pandemię dżumy – tzw. Dżumę Justyniańską, która wybuchła w połowie VI wieku. Trzecia pandemia rozpoczęła się w Chinach w 1855 roku i trwa do dziś. Jej śmiertelne skutki są obecnie lepiej kontrolowane dzięki antybiotykom, lecz nadal odnotowuje się przypadki w takich regionach jak Madagaskar czy Demokratyczna Republika Konga.
– To jedno z pierwszych badań bezpośrednio analizujących zmiany w starożytnym patogenie, który nadal występuje, by zrozumieć, co napędza zjadliwość, przetrwanie i/lub wygasanie pandemii – mówi dr Hendrik Poinar, współautor badania, dyrektor McMaster Ancient DNA Centre i profesor antropologii genetycznej.
Szczepy dżumy Justyniańskiej wyginęły po 300 latach niszczenia populacji europejskich i bliskowschodnich. Szczepy drugiej pandemii, pochodzące od zainfekowanych gryzoni, wywołały Czarną Śmierć i rozdzieliły się na dwa główne linie ewolucyjne – jedna z nich dała początek wszystkim współczesnym szczepom, druga przetrwała kilka wieków w Europie, by ostatecznie wyginąć na początku XIX wieku.
Zespół naukowców, analizując setki próbek od starożytnych i współczesnych ofiar dżumy, przebadał gen znany jako pla, który ułatwia bakteriom Y. pestis omijanie układu odpornościowego i przedostanie się do węzłów chłonnych, skąd rozprzestrzeniają się na cały organizm.
Szeroka analiza genetyczna wykazała, że liczba kopii genu pla w późniejszych ogniskach choroby spadła, co zmniejszyło śmiertelność o 20% i wydłużyło czas infekcji – ofiary żyły dłużej przed śmiercią. Badania te przeprowadzono na myszach zakażonych szczepami Y. pestis.
Odwrotnie – gdy liczba kopii genu pla była wysoka, choroba była znacznie bardziej zjadliwa i zabijała szybciej.
Naukowcy zauważyli również uderzające podobieństwa między starożytnymi i współczesnymi szczepami – niezależnie ewoluowały one w kierunku redukcji liczby kopii genu pla w późnych fazach pierwszej i drugiej pandemii. Trzy współczesne szczepy z Wietnamu (trzecia pandemia) również wykazują tę cechę.
W obu przypadkach – Dżumy Justyniańskiej i Czarnej Śmierci – zmiana ewolucyjna nastąpiła około 100 lat po pierwszych ogniskach. Naukowcy przypuszczają, że gdy liczba kopii genu spadła, a zakażone szczury żyły dłużej, mogły szerzyć zakażenie dalej, co zwiększało sukces reprodukcyjny bakterii.
– Redukcja pla może odzwierciedlać zmiany w liczebności i zagęszczeniu populacji szczurów i ludzi – wyjaśnia Poinar. – Należy pamiętać, że dżuma była epidemią szczurów – to one napędzały pandemie. Ludzie byli przypadkowymi ofiarami.
Czarne szczury żyjące w miastach prawdopodobnie działały jako „gospodarze amplifikacyjni” ze względu na swoją liczebność i bliskość człowieka. Ponieważ czarne szczury są bardzo podatne na zakażenie Y. pestis, bakteria potrzebowała dużych populacji szczurów, by utrzymać cykl pandemiczny.
Jednak szczepy z obniżoną liczbą kopii pla ostatecznie wyginęły – prawdopodobnie wskazuje to na kolejną zmianę w relacji patogen-żywiciel w środowisku.
Gdy badacze przeszukali dużą kolekcję szczepów z trzeciej pandemii, przechowywaną w Instytucie Pasteura, znaleźli trzy współczesne szczepy z redukcją pla.
– Dzięki naszym międzynarodowym partnerom, którzy monitorują lokalne epidemie dżumy, udało się nam zdobyć unikatowe próbki bakterii – to jak znalezienie trzech igieł w stogu siana – mówi dr Javier Pizarro-Cerdá, współautor badania, dyrektor jednostki badawczej Yersinia i Centrum Współpracującego z WHO ds. Dżumy przy Instytucie Pasteura.
Instytut ten posiada jedną z najbogatszych na świecie kolekcji współczesnych szczepów Y. pestis – dodaje Guillem Mas Fiol, współautor badania i badacz podoktorski.
– Jednym z najciekawszych aspektów naszej pracy było to, że mogliśmy przetestować cechę obserwowaną wcześniej w wymarłych szczepach, tym razem w żywych, współczesnych bakteriach – mówi.
– Choć nasze badania rzucają światło na fascynujący wzorzec ewolucyjny dżumy, większość obecnie krążących szczepów w Afryce, Ameryce Południowej i Indiach to nadal szczepy o wysokiej zjadliwości, odpowiedzialne wcześniej za masową śmiertelność – podsumowuje Ravneet Sidhu, doktorant w McMaster Ancient DNA Centre.
Źródło: Science, McMaster University
