Из Азии в Европу и обратно: степной коридор для чумы

Исследуя геномы чумной палочки из древних человеческих останков, генетики проследили, как бактерия эволюционировала (становясь всё более заразной и опасной) и какими путями она распространялась по Евразии.

Благодаря палеогенетике мы уже многое узнали о том, как наши предки расселялись по планете, осваивали новые территории, перенимали друг у друга технологические навыки, развивали общественные отношения и т. д. Но древняя ДНК может рассказать не только про людей, но и про их постоянных спутников — микроорганизмы, ДНК которых тысячелетиями сохраняется в костных останках. В том числе про бактерии, вызывающие заболевания.

Среди всех болезней, с которыми сталкивалось человечество, самую зловещую репутацию имеет чума. Пандемии чумы, о которых нам известно, заметно сокращали численность населения в разные исторические периоды. Недавно вышла очередная статья, в которой авторы реконструируют эволюцию возбудителя чумы — бактерии Yersinia pestis — и пути ее распространения по Евразии.

Напомним, что исторически зарегистрировано несколько пандемий чумы. Юстинианова чума возникла во время правления византийского императора Юстиниана I, в 540–541 годы н. э. она охватила Северную Африку, Европу, Ближний Восток, Центральную и Южную Азию и продолжалась в течение двух веков. Число жертв пандемии — предположительно более 100 млн человек. Хотя известны и более ранние эпидемии — чума в Афинах (430–427 годы до н. э.) и чума Антонина (165–180 годы н. э.), — нет доказательств, что они были вызваны именно бактерией Y. pestis. Самая известная пандемия — средневековая «черная смерть» (1346–1353) — началась в Азии и прошлась косой по Европе и Северной Африке. Считается, что за два десятилетия от нее погибло не менее 60 млн человек, в том числе в Европе от 30 до 50% населения. Третья пандемия, 1855 года, охватила в основном Китай и Индию, затронула Южную Америку и в виде серии эпидемий напоминала о себе до середины XX века.

Возбудитель болезни — чумная палочка (Yersinia pestis) — в природных очагах сохраняется в колониях сусликов и других грызунов. В городской среде сусликов заменяют крысы. Передается эта зараза блохами, которые служат для нее промежуточными хозяевами, бактерия успешно размножается в их кишечнике и с укусом блохи заражает человека. Смертельно опасная Y. pestis в эволюции возникла из умеренно патогенной Y. pseudotuberculosis. Высокая вирулентность и патогенность, т. е. способность эффективно передаваться и поражать организм человека, развилась у нее постепенно. Если раньше специалисты пытались реконструировать историю бактерии по современным ее формам, то с недавних пор они получили возможность исследовать древнюю бактериальную ДНК.

В бронзовом веке чума встречалась нередко

Одна из первых таких работ была проделана в 2015 году группой всемирно известного специалиста по древней ДНК Эске Виллерлева, профессора Копенгагенского университета. Статья [1] опубликована в журнале Cell. Исследователям впервые удалось прочитать геном чумной палочки из останков людей бронзового и железного веков (2900–885 годы до н. э.). ДНК Y. pestis нашли в ткани зубов 7 из 101 индивида, при этом степень деградации человеческой и бактериальной ДНК показала, что бактерия обитала в организме данного человека при его жизни.

Первый вывод из этой работы: чума существовала в бронзовом веке, причем была не такой уж редкой болезнью. 7 зараженных из 101 — немалая доля. Носители чумной бациллы найдены в географически разных точках и принадлежали к разным археологическим культурам: это афанасьевская и более поздняя андроновская культуры на Алтае и в Сибири, синташтинская на Урале, культура шнуровой керамики в Эстонии, унетицкая в Польше и культура раннего железного века в Армении.

Древняя чума была не такой заразной

Исследователи секвенировали геном бактерии Y. pestis, состоящий из закольцованной хромосомы и трех, тоже кольцевых, внехромосомных плазмид. ДНК плазмид играет важную роль в патогенных свойствах бактерии — именно плазмиды pMT1 и pPCP1 отличают Y. pestis от предшественника — Y. pseudotuberculosis. В геноме древних изолятов чумной палочки авторы изучили 55 генов, которые связаны с вирулентностью. Оказалось, что все эти гены в древних штаммах не отличаются от таковых в современных, кроме гена ymt в плазмиде pMT1. Этот ген позволяет бактерии заселять кишечник блохи, он кодирует фермент фосфолипазу D, которая защищает бактерию в кишечнике насекомого. С приобретением этого полезного приспособления Y. pestis стала использовать блох для передачи инфекции. Блохи кусают и заражают как грызунов, так и человека.

Ген ymt был найден только в одном древнем штамме, самом молодом, относящемся к железному веку (RISE397, 951 год до н. э.). Он же имеется в геномах возбудителей Юстиниановой чумы и «черной смерти». А вот в бактериальных геномах бронзового века его нет, точнее, нет целого фрагмента длиной 19 kb (килобаз, тыс. пар оснований), в котором этот ген и размещается. Это показано на рис. 1, где схематично изображена плазмида pMT1 и положение участка с геном ymt в геномах Y. pestis разных исторических эпох. Из штаммов бронзового века на схеме присутствуют два — RISE509 (афанасьевская культура, 2750 лет до н. э.) и RISE505 (андроновская культура, 1690 лет до н. э.). В дальнейшем анализе авторы используют именно их, так как эти геномы удалось секвенировать наиболее полно.

Так что в бронзовом веке (по крайней мере за 1690 лет до н. э.) чумная палочка еще не приобрела ген ymt и способность передаваться с блохами, а значит, чума не была настолько заразной, как в дальнейшем. С этим способом передачи связывают самую распространенную — бубонную форму чумы. Ну а когда ген ymt появился, он оказался чрезвычайно полезен для бактерии, был немедленно подхвачен отбором и быстро распространился. Кстати, исследователи даже сделали предположение, что этот ген чумная палочка позаимствовала от другой бактерии путем горизонтального переноса (об этом говорят два мобильных элемента — транспозона — на концах новоприобретенного участка). При ключевом значении гена ymt в механизме передачи с блохами участвуют и три других гена, но для этого в них должны возникнуть необходимые мутации; так вот, этих мутаций, опять же, не обнаружено в древних штаммах.

В итоге авторы статьи приходят к выводу, что, хотя население Евразии бронзового века заболевало чумой, чумная палочка в то время еще не умела передаваться с блохами. Как люди заражались, еще не вполне понятно. Кроме того, по-видимому, древняя чума была не столь смертельно опасной, как в последующие времена. Авторы изучили еще один ген pla, расположенный на плазмиде pPCP1, важный для патогенных свойств бактерии. Мутация гена pla I259T (которая в белке Рla превращает аминокислоту изолейцин в треонин) облегчает глубокое проникновение бактерии в ткани, что необходимо для развития бубонной и легочной форм чумы. Эта мутация была обнаружена только в образцах после 1690 года до н. э.

В этой же работе исследователи на основе всех секвенированных штаммов построили филогенетическое дерево (дерево родства) Y. pestis и определили время жизни общего предка Y. pestis и Y. pseudotuberculosis. Общий предок оказался намного старше, чем считали ранее, — он существовал около 55 тыс. лет назад. А общий корень всех линий Y. pestis авторы датировали временем 5800 лет назад.

Пути чумной палочки по Евразии

Последующие работы по исследованию эволюции чумы связаны с группой палеогенетиков Института изучения истории человечества Общества Макса Планка в Йене (Германия). Их руководитель — профессор Йоханнес Краузе — снискал себе в мире репутацию главного эксперта по древней чуме. В 2017 году статья этого коллектива была опубликована в журнале Current Biology [2]. В этой работе авторы основное внимание уделили изучению распространения чумы по Евразии в прошлые исторические эпохи. Они секвенировали еще шесть геномов Y рestis из останков периода позднего неолита — бронзового века (4800–3700 лет назад) на территории Европы (Литва, Эстония, Германия). В этом анализе используются два секвенированных генома из работы [1], о которой мы писали выше.

Снова строится филогенетическое дерево и вычисляется время жизни общего предка всех древних и современных штаммов Y. pestis — авторы получают цифру 6078 лет назад (что почти совпадает с предыдущей оценкой). А вот датировка отделения ее от Y. pseudotuberculosis у них получилась чуть ли не вдвое меньше — около 28 тыс. лет назад. С учетом большего числа секвенированных геномов в этой работе, эта датировка заслуживает большего доверия.

Далее, сопоставляя разные геномы Y. pestis и их географическое расположение, авторы пытаются реконструировать пути чумной палочки по Евразии. Самый древний из имеющихся в их распоряжении — геном с Алтая (афанасьевская культура, 4836–4625 лет назад; в отличие от предыдущих авторов, они используют другое представление датировки), описанный в статье [1], и геном из степей на юге России (RK100, 4828–4622 лет назад). Беря их за стартовые точки, генетики предполагают, что исходно чума в человеческих популяциях возникла в довольно обширном регионе Центральной Евразии. Оттуда возбудитель инфекции попал в Европу, произошло это в позднем неолите — раннем бронзовом веке, когда радикально увеличилась мобильность населения и число контактов между отдельными группами. На карте этот путь в Европу отмечен зелеными стрелками.

Центральную роль в распространении чумной палочки в Европу авторы отводят массовой миграции в позднем бронзовом веке (около 4500 лет назад) из причерноморско-каспийских степей; предположительно, это была миграция степных кочевников — носителей ямной культуры. Эта миграция постоянно на слуху в течение последних лет, с ней палеогенетики связывают изменение генофонда европейцев. Предполагают, что ямники принесли в Европу генетический компонент, который был обнаружен в образцах европейской поздненеолитической культуры шнуровой керамики. При том, что генетическое влияние степной миграции остается дискуссионным вопросом и не всеми специалистами поддерживается, Йоханнес Краузе и Вольфганг Хаак (ведущие авторы данной статьи) являются убежденными сторонниками этой гипотезы. По их мнению, носители ямной культуры мигрировали не только на запад, но и на восток, в Южную Сибирь.

И именно степной миграции авторы отводят решающую роль в распространении возбудителя чумы, как видно из карты А. Они подкрепляют свою гипотезу такими фактами. Y. pestis из Хорватии (GEN72), близкая по возрасту к «степному» образцу, имеет общие корни с ним и алтайским образцом. Y. pestis из балтийского неолита (Литва и Эстония) была найдена у индивидов культуры шнуровой керамики (с предполагаемым степным генетическим компонентом). Самый молодой европейский образец Y. pestis, из Германии (Augsburg, 3957–3832 лет назад), происходит от балтийских штаммов и найден у индивида комплекса колоковидной керамики (у которых также ранее был обнаружен степной генетический компонент). По мнению авторов, это отражает циркуляцию возбудителя чумы в популяциях Европы.

Следующее звено в рассуждениях генетиков связано с тем, что самый молодой южносибирский образец Y. pestis (RISE505, 3694–3575 лет назад), найденный на Алтае у индивида андроновского комплекса культур, генетически близок образцу из Германии. Из этого авторы сделали вывод, что существовал и обратный путь переноса чумной бактерии — из Европы в Южную Сибирь (карта В). В подтверждение они приводят данные палеогенетики о наличии у индивидов сибирских археологических культур генетических компонентов европейской природы — а значит, существовал поток генов из Европы в Центральную Азию.

Так что степи, которые служили естественным связующим коридором между Европой и Азией, были коридором с двусторонним движением. И не только для людей и скота, но и для чумы.

Две формы бактерии — два пути переноса?

Следующая статья того же коллектива, под руководством Йоханнеса Краузе, вышла совсем недавно в журнале Nature Communication [3]. В этой работе генетики обнаружили ДНК Y. pestis в останках двух индивидов в парном захоронении срубной археологической культуры в Самарской области, датировка — около 3800 лет назад. Бактериальный геном из одного образца (RT5) удалось секвенировать с очень высоким качеством.

Самое главное открытие в данной работе состоит в том, что в изученных образцах (RT5 и RT6) позднего бронзового века (3800 лет назад) найден вышеописанный ген ymt, который обеспечивает передачу бактерий с блохами и радикально повышает ее вирулентность. Именно с этим вектором передачи связывают бубонную форму чумы. Молекулярная датировка показала, что Y. pestis приобрела ген ymt около 4 тыс. лет назад, вслед за чем численность ее популяции резко увеличилась. Этот вывод примерно на тысячу лет удревняет данное эволюционное событие, так как в статье [1] было сделано предположение, что это случилось не ранее, чем 3 тыс. лет назад. Что касается места этих событий, то авторы считают, что их можно привязать к месту образца RT5, т. е. к западноевразийской степи.

Однако у RT5 еще не было другого важного для вирулентности гена — гена pla, содержащегося в плазмиде pPCP1. Так что, по-видимому, в позднем бронзовом веке чумная палочка передавалась всё же не так эффективно, как в эпохи Античности и Средневековья.

Итак, судя по последним данным, бубонная чума уже существовала среди населения Евразии около 4 тыс. лет назад, хотя и в более слабой форме. Однако авторы не отвергают данные [1], которые не нашли гена ymt в геномах чумной палочки бронзового века. Они предполагают, что в это время могли одновременно сосуществовать бактерии с разными способами передачи и с разным потенциалом вирулентности. В дальнейшем линия Y. pestis, способная к передаче через блох, получила конкурентное преимущество и широко распространилась. Возбудители Юстиниановой чумы и «черной смерти», а также современные штаммы чумы продолжили эту линию из бронзового века до наших дней.

Надежда Маркина

1. Rasmussen S., Allen M. E., Nielsen K. et al. Early Divergent Strains of Yersinia pestisin Eurasia 5,000 Years Ago // Cell, Volume 163, Issue 3,  571–582, DOI: dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.10.009.

2. Valtueña A. A., Mittnik A., Massy K. et al. The Stone Age Plague and Its Persistence in Eurasia // Cell, Volume 27, Issue 23, p. 3683–3691. e8, 4 December 2017, DOI: dx.doi.org/10.1016/j.cub.2017.10.025.

3. Spyrou M. A., Tukhbatova R. I., Wang C.-C. et al. Analysis of 3800-year-old Yersinia pestis genomes suggests Bronze Age origin for bubonic plague // Nature Communications, volume 9, Article number: 2234 (2018), DOI: 10.1038/s41467-018-04550-9.

4. Эволюция чумы

5. О роли степной миграции в распространении чумы 

6. Бубонная чума могла существовать еще в бронзовом веке