Vroegtijdige dierreservoirs van zoönosen

De hoofdwetenschapper Anne Kathrine W. Runge haalt DNA uit de cleanroom van het Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie om besmetting van het zeldzame DNA uit archeologische dierlijke resten te voorkomen. © Christian Denkhaus / Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie

Dierenresten, die aan het Duitse Archaologisch Instituut worden onderzocht op paleopathologische laesies. © Anne K. W. Runge / Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie

De studie onderzoekt zoonotische ziekteverwekkers in de eurazische Bronstijd, een periode van intensieve migraties en de introductie van de weidebouw, die de overdracht van dierlijke pathogenen op de mens bevorderde. Een internationaal team analyseerde 346 monsters (voornamelijk van gedomesticeerde dieren) uit 34 vindplaatsen. Daarbij werden vooral botten met paleopathologische laesies en tanden onderzocht om DNA-sporen van vroege infecties aan te tonen. Met gevoelige methoden identificeerden de onderzoekers ziekteverwekkers zoals Streptococcus lutetiensis en Erysipelothrix rhusiopathiae, wat de prehistorische oorsprong van zoonotische infecties bevestigt.

– Achtergrond: Veel menselijke ziekten zijn zoonotisch. Tijdens de eurazische Bronstijd (die ongeveer 5000 jaar geleden begon) maakten mensen grote migratiebewegingen door en werd de weidebouw geïntroduceerd, wat waarschijnlijk de overdracht van ziekteverwekkers van dieren op mensen heeft gestimuleerd. Vroegtijdige DNA van ziekteverwekkers uit dierresten is echter tot nu toe nauwelijks onderzocht en technisch veeleisend.
– Onderzoeksopzet: Een internationaal en interdisciplinair team identificeerde 346 monsters van vooral gedomesticeerde dieren uit 34 Eurasische vindplaatsen, waarvan velen uit de Bronstijd stammen, om ze te onderzoeken op aanwezige oude ziekteverwekker-DNA.
– Gerichte monstername: Om de detectiekans te vergroten, richtten ze zich vooral op botten met paleopathologische laesies die op eerdere infecties wijzen (215 botten, waarvan 188 met laesies), en voegden 131 tanden toe om DNA van systemische infecties te detecteren, dat in het tandmerg was achtergebleven.
– Methodiek en resultaten: De extractie van oude DNA onder steriele omstandigheden en een gevoelige computergestuurde screening leverden meerdere signalen van zoonotische ziekteverwekkers op. Twee ziekteverwekkers (Streptococcus lutetiensis, Erysipelothrix rhusiopathiae) vertoonden voldoende fragmenten voor een vergelijkende analyse, waardoor de historische authenticiteit werd bevestigd.
– Implicaties: De op laesies gebaseerde prioritering leidde tot een hoger aantal positieve resultaten en biedt een kosteneffectieve strategie, maar het bemonsteren van verschillende skeletonderdelen blijft essentieel. De studie levert een proof-of-concept voor het gebruik van zooarchaeologisch oud DNA om reservoirs, verspreiding en overdrachtsmechanismen van prähistorische zoonosen te traceren.

Een onontdekte weg – vroege ziekteverwekker-DNA uit het zooarchaeologische archief

De meerderheid van de huidige infectieziekten bij de mens heeft een zoonotische oorsprong, wat betekent dat ze van dieren op mensen zijn overgesprongen. Verschillende aanwijzingen wijzen erop dat de eurazische Bronstijd, die ongeveer 5000 jaar geleden begon, een cruciale periode was waarin veel zoonosen optraden die tot op heden bestaan. Anne Kathrine W. Runge, hoofdauteur van de studie, legt uit: “De Bronstijd werd gekenmerkt door grote volksverhuizingen en, wat vooral belangrijk is, door de wijdverspreide introductie van de weidebouw – een levenswijze gebaseerd op gedomesticeerde dieren. Hoewel de hypothese bestaat dat dit de weg heeft geëffend voor het ontstaan van zoonosen, ontbreken tot nu toe grotendeels onderzoeken naar oude ziekteverwekker-DNA in dierresten.”

De reconstructie van oude ziekteverwekkers uit dierresten – de zooarchaeologische vondsten – staat voor extra uitdagingen in vergelijking met de meer gevestigde reconstructie van oude ziekteverwekkers uit menselijke overblijfselen. “In de prehistorie werden de meeste dieren geslacht terwijl ze nog gezond waren; geslachte dieren werden verhit bij het bereiden van voedsel en weggegooide dierdelen werden sterker blootgesteld aan de omgeving – wat de kans op identificatie van ziekteverwekker-DNA vermindert,” zegt Felix M. Key, onderzoeksgroepsleider aan het Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie en leidend auteur van de studie. “Echter,” voegt hij toe, “biedt de reconstructie van oude ziekteverwekkers op basis van zooarchaeologische vondsten een uniek potentieel voor het ontrafelen van reservoirs van prähistorische zoonosen, hun geografische verspreiding en de genetische mechanismen die de overgang op de mens bevorderen.”

Hier heeft een internationaal, interdisciplinair team van experts zich toegelegd op het onderzoeken van de mogelijkheid om oude ziekteverwekker-DNA te identificeren op basis van zooarchaeologische vondsten. In een nu in het vakblad Nature Communications gepubliceerde studie onderzochten de auteurs 346 monsters van voornamelijk gedomesticeerde dieren uit 34 archeologische vindplaatsen in heel Eurazië – vele uit de Bronstijd – op aanwezige oude ziekteverwekker-DNA.

Paleopathologieën voor prioritering van de monstersname

Het winnen van oude DNA is kostbaar, en de analyse wordt bemoeilijkt door archeologische monsters zonder DNA-signatuur van ziekteverwekkers – een aspect dat waarschijnlijk nog sterker meespeelt bij de analyse van diermonsters. In deze studie werd skeletmateriaal vooral van gedomesticeerde dieren uit vindplaatsen in heel Eurazië geselecteerd, waaronder Polen, Duitsland, Tsjechië, Roemenië en Oezbekistan, om te testen of DNA van zoonotische ziekteverwekkers uit prähistorische dierresten kon worden gewonnen. Om het screeningproces gerichter te maken, werden monsters geselecteerd die tekenen vertoonden van ziekten en trauma’s, zogenaamde paleopathologische laesies. “Ik heb honderden monsters onderzocht om potentiële infectiehaarden, zichtbaar als laesies, te identificeren en zo de kansen te vergroten om oude DNA van zoonotische ziekteverwekkers te verkrijgen,” benadrukt Kamilla Pawłowska, paleopathologie-expert aan de Adam Mickiewicz Universiteit in Poznań en hoofdauteur van de studie. Ze voegt toe: “Onder andere heb ik ontstekings- en traumatische laesies ontdekt, wat cruciaal was om de moleculaire analyse mogelijk te maken.” In totaal werden 215 skeletonderdelen geselecteerd voor analyse, waarvan 188 botten laesies vertoonden. Aangezien de tandmergkamer een bekende bron is van oud DNA van systemische ziekteverwekkers, die vaak geen paleopathologische laesies achterlaten, werden daarnaast 131 tanden geselecteerd voor onderzoek naar oud ziekteverwekker-DNA.

Identificatie en authenticatie van ziekteverwekker-DNA

Na de archiveringswerkzaamheden werden alle geselecteerde monsters naar een steriele omgeving aan het Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie gebracht voor moleculair-biologisch onderzoek. “Het extraheren van oud DNA uit skeletonderdelen vereist een steriele ruimte en persoonlijke beschermingsmiddelen – een kostbare voorzorgsmaatregel die nodig is om het risico op contaminatie met modern DNA te minimaliseren,” legt de expert in oud DNA uit, Anne Kathrine W. Runge. Na sequencing van het uit elk monster geëxtraheerde DNA werden de genetische gegevens met behulp van een eerder ontwikkelde, hooggevoelige computergestuurde methode onderzocht op DNA-vingerafdrukken van oude ziekteverwekkers. “We waren verheugd om oude DNA-signaturen te ontdekken voor veel verschillende zoonotische ziekteverwekkers, hoewel de hoeveelheid oud DNA meestal niet voldoende was om een genoom te reconstrueren en uitgebreide vergelijkingen te maken met de variëteit van dezelfde ziekteverwekkers bij modern vee en mensen,” zegt Ian Light-Maka, coauteur en bioinformaticus. Toch vertoonden twee zoonotische ziekteverwekkers, Streptococcus lutetiensis, dat mastitis veroorzaakt, en Erysipelothrix rhusiopathiae, dat huidinfecties veroorzaakt, voldoende oud DNA-fragmenten voor een dergelijke analyse. “De afgeleide verwantschapsrelaties bevestigen de historische authenticiteit en onderbouwen de mogelijkheid om prähistorische pathogen-genomen uit dierresten te identificeren,” voegt Light-Maka toe.

Van de monsters die positief testten op pathogeen DNA, vertoonden de meeste ook aangetoonde pathologische laesies. “Dat vooral monsters met laesies die wijzen op infectieziekten positief testten, bevestigt ons prioriteringsschema en helpt bij toekomstige onderzoeken om ondanks financiële beperkingen geschikte monsters te selecteren. Het blijft echter belangrijk om verschillende skeletdelen te onderzoeken, omdat de biologie van de ziekteverwekkers verschilt en veel ziekteverwekkers, bijvoorbeeld bij infecties van de bloedbaan, mogelijk het beste in andere skeletonderdelen zoals tanden kunnen worden geïdentificeerd,” benadrukt Kamilla Pawłowska. Alle auteurs benadrukken dat deze studie het belang van paleopathologische onderzoeken bij dieren onderstreept en een veelzijdige aanpak voor het reconstrueren van de gezondheid in het verleden ondersteunt.

Toekomstige studies naar oude pathogen-genomen, die zowel uit dierlijke als menselijke overblijfselen worden gereconstrueerd, beloven een beter begrip van de oorsprong van huidige zoonotische ziekten. Gezien de grote collecties dierresten die nog onontdekt zijn voor onderzoek naar ziekteverwekkers, vat Felix M. Key samen: “Omdat de focus in de genomiek van oude ziekteverwekkers verschuift naar niet-menselijke gastheersoorten, levert onze studie een belangrijke bijdrage aan dit opkomende onderzoeksgebied om de ontstaan van menselijke infectieziekten beter te begrijpen.”