Доисторический патоген

Генетики из Московского физико-технического института (МФТИ) впервые обнаружили следы пневмококка в ДНК людей бронзового века. Ученые выделили и провели полногеномное секвенирование ДНК из зубного дентина людей, живших на территории Ярославской области около 4,5 тыс. лет назад. Качество данных позволило впервые найти следы опасного патогена — бактерии Streptococcus pneumoniae.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Работа выполнена в кооперации Московского физико-технического института, Института археологии РАН, Института этнологии и антропологии им. Н. Н. Миклухо-Маклая РАН из Москвы и Института трансляционной биомедицины из Санкт-Петербурга. Результаты опубликованы в журнале Stratum plus. Открытие доказывает, что пневмококк циркулировал среди населения Русской равнины уже в эпоху бронзы.

Исследование стало возможным благодаря современным методам полногеномного секвенирования и сложному биоинформатическому анализу. Оно проводилось на образцах из Волосово-Даниловского могильника фатьяновской культуры. Для анализа ученые использовали зубы четверых взрослых мужчин из погребений возрастом от 3,9 до 4,6 тыс. лет. Во всех четырех случаях метагеномный анализ выявил наличие фрагментов ДНК пневмококка.

Харис Мустафин, один из авторов исследования и заведующий лабораторией исторической генетики МФТИ, рассказал, что на всех этапах работы — от приготовления порошка из археологических зубов до создания геномных библиотек — ученые применяли инновационный подход. Все операции проводились в герметичных боксах, где атмосфера была заменена на азот особой чистоты. По его словам, это позволило в ходе высокопроизводительного секвенирования получить данные с широким охватом генома и большой глубиной прочтения, что, в частности, привело к обнаружению ДНК бактерий. Ученый охарактеризовал эту находку как «удачную», отметив, что она открывает новое направление в исследовании палеопатогенов. Он также добавил, что Streptococcus pneumoniae, вероятно, мог бессимптомно существовать в дыхательных путях, но при ослаблении иммунитета вызывать пневмонию, отит и другие инфекции, часто смертельные в доантибиотиковую эру.

Обнаружение патогена в столь древних находках — большая редкость. ДНК бактерий сохраняется гораздо хуже человеческой, а риск загрязнения образцов современными микроорганизмами крайне высок. До настоящего времени самым ранним свидетельством существования пневмококка считалась находка в куске березовой смолы из Дании эпохи неолита (около 5,7 тыс. лет назад). Обнаружение патогена в образцах бронзового века на Русской равнине является первым прямым доказательством его циркуляции в Восточной Европе в этот период. Ученые предполагают, что это может быть связано с тесным контактом людей с одомашненными животными.

Харис Мустафин пояснил, что, согласно гипотезе, в климатической зоне Русской равнины в эпоху бронзы у людей фатьяновской культуры при одомашнивании животных был очень близкий контакт с ними. Этот контакт был вызван, в частности, необходимостью размещать скот в жилище человека или рядом с ним в холодное зимнее время. Ученый добавил, что в этих условиях естественным образом возникали предпосылки для заражения человека бактериальными инфекциями, свойственными одомашниваемым животным.

Параллельный генетический анализ подтвердил связь фатьяновцев с носителями культур шнуровой керамики и колоколовидных кубков Центральной Европы. Также выявлено их сходство с представителями синташтинской культуры Южного Урала — одного из центров металлургии бронзового века, где впервые появились колесницы.

Дальнейшие исследования направлены на поиск других патогенов в палеопопуляциях Евразии и оценку реального влияния инфекционных заболеваний на жизнь и смертность древних сообществ.

Харис Мустафин, соавтор исследования, заведующий лабораторией исторической генетики, радиоуглеродного анализа и прикладной физики МФТИ, ответил на вопросы «Ъ-Науки».

— Ваша методика с работой в атмосфере азота названа инновационной. Что именно она дала принципиально нового, что позволило впервые обнаружить столь хрупкую бактериальную ДНК в образцах возрастом 4–5 тыс. лет?

— Обсуждаемая работа явилась результатом научного взаимодействия замечательных археологов, выдающихся биоинформатиков из дружественных организаций и нашей лаборатории, осуществившей весь комплекс работ с древней ДНК. Используемая нами инновационная методика предполагает, в частности, проведение всех работ с древними костными образцами и ДНК, выделенной из них, не просто в специальных изолированных чистых лабораторных комнатах, а в установленных в них перчаточных боксах, в которых атмосфера не фильтруется малоэффективными воздушными фильтрами, а полностью замещается азотом особой чистоты. Это позволяет сравнительно малозатратным способом создать условия для осуществления деликатной обработки археологического материала, избегая дополнительного повреждения и без того деградированной древней ДНК. Это является фундаментом для успеха в проводимых исследованиях.

— Обнаруженные фрагменты ДНК пневмококка – это свидетельство болезни, от которой человек умер, или просто следы бессимптомного носительства? Можно ли по вашим данным это определить?

— Обнаруженные фрагменты ДНК пневмококка у человека эпохи бронзы необязательно являются свидетельством заболевания, тем более заболевания, приведшего к гибели. Но определенно наличие патогена в человеческом организме при неблагоприятных условиях (переохлаждение, ранение и т. п.) могло привести к серьезным осложнениям.

— Выдвинута гипотеза о связи заражения с близким контактом с домашним скотом. Планируете ли вы искать тот же штамм пневмококка в останках животных из тех же раскопок, чтобы подтвердить эту теорию?

— Гипотеза о связи заражения человека из-за близкого контакта с домашними животными обязательно будет нами проверяться. Более того, планируется расширить выборку исследуемых на наличие возможных патогенов в костных останках домашних животных разных видов, а также диких животных, с которыми у людей мог бы быть контакт. Очень много в этом вопросе зависит от археологов, от того, смогут ли они обеспечить разнообразие костного материала животных, с которыми контактировали древние люди.

— Ваша находка на Русской равнине и более ранняя находка в Дании — это свидетельство широкого распространения пневмококка уже в бронзовом веке? Мог ли он мигрировать вместе с людьми, чьи генетические связи с Европой вы также подтвердили?

— Да, мы полагаем, что пневмококк у представителей фатьяновской культуры на Русской равнине мог мигрировать вместе с древними людьми, проявившими, как нами обнаружено, генетические связи как с Европой, так и с Южным Уралом и Зауральем.

— Это открытие названо удачной находкой, открывающей новое направление. Какие патогены вы будете искать теперь в первую очередь и что это может рассказать о реальном влиянии болезней на историю древних сообществ?

— Первый наш опыт по поиску патогенов в останках людей эпохи бронзы, приведший к удачной находке, способствовал тому, что в нашей лаборатории была сформирована программа работ по полногеномному секвенированию ДНК представительных групп древних людей из разных эпох и территорий. Предполагается выявлять наследственные патологии или предрасположенности к ним, а также считывать иммунные ответы на перенесенные человеком заболевания (это фиксируется в его геноме). Также ставится задача выявления различных патогенов в останках древних людей, чтобы выяснить нагрузку со стороны внешней среды.

— Может ли изучение древних штаммов бактерий, таких как этот пневмококк, дать нам важные знания для современной медицины — например, в понимании эволюции и устойчивости инфекций?

— Мы надеемся, что исследования в рамках принятой в лаборатории программы будут способствовать накоплению информации о болезнях древних людей из разных эпох и территорий. Наверняка увидим их влияние на эволюционные процессы. Надеемся, что поймем, чем отличается геном современного человека, живущего под защитой современной медицины, от генома древнего человека, который зачастую выживал при воздействии патогенов и при травмах без медицинской помощи в современном ее понимании. Наверняка это даст для медицины новые знания.

Пресс-служба МФТИ