Wczesnoepidemiczne rezerwuar zwierzęcy dla zoonoz

Główna naukowczyni Anne Kathrine W. Runge wyciąga DNA w czystym pomieszczeniu Instytutu Maxa Plancka ds. Biologii Infekcji, aby uniknąć zanieczyszczenia rzadkiego DNA pochodzącego z archeologicznych szczątków zwierząt. © Christian Denkhaus / Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie

Ostropory, które są badane na niemieckim Instytucie Archeologicznym pod kątem paleopatologicznych zmian. © Anne K. W. Runge / Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie

Badanie bada patogeny zoonotyczne w epoce brązu eurazjatyckiego, okresie intensywnej migracji i wprowadzenia gospodarki pastwiskowej, które sprzyjały przenoszeniu patogenów zwierzęcych na ludzi. Międzynarodowy zespół przeanalizował 346 próbek (w głównej mierze od zwierząt domowych) z 34 stanowisk archeologicznych. Skupiono się głównie na kościach z palaepatologicznymi zmianami i zębach, aby wykryć ślady DNA wczesnych infekcji. Za pomocą czułych metod zidentyfikowali patogeny takie jak Streptococcus lutetiensis i Erysipelothrix rhusiopathiae, co potwierdza pradawne pochodzenie infekcji zoonotycznych.

– Tło: Wiele chorób u ludzi ma pochodzenie zoonotyczne. Podczas epoki brązu eurazjatyckiego (rozpoczętej około 5000 lat temu) ludzie doświadczyli dużych migracji i wprowadzenia gospodarki pastwiskowej, co prawdopodobnie sprzyjało przenoszeniu patogenów z zwierząt na ludzi. Jednak wczesne DNA patogenów z resztek zwierzęcych jest jak dotąd słabo badane i wymaga zaawansowanych technik.
– Projekt badania: Międzynarodowy i interdyscyplinarny zespół zidentyfikował 346 próbek głównie od zwierząt domowych z 34 stanowisk w Eurazji, z których wiele pochodzi z epoki brązu, aby zbadać obecność zachowanych starożytnych DNA patogenów.
– Celowe pobieranie próbek: Aby zwiększyć skuteczność wykrywania, skupiono się głównie na kościach z palaepatologicznymi zmianami wskazującymi na wcześniejsze infekcje (215 kości, z czego 188 z zmianami) oraz włączono 131 zębów, aby wykryć DNA od systemowych infekcji, które zachowały się w miazdze zęba.
– Metody i wyniki: Ekstrakcja starożytnego DNA w warunkach czystego pomieszczenia oraz czułe komputerowe skanowanie ujawniły kilka sygnatur zoonotycznych patogenów. Dwa patogeny (Streptococcus lutetiensis, Erysipelothrix rhusiopathiae) miały wystarczającą ilość fragmentów do analizy porównawczej, co potwierdziło ich autentyczność historyczną.
– Implikacje: Priorytetyzacja oparta na zmianach w kościach doprowadziła do wyższej liczby pozytywnych wyników i stanowi kosztowo efektywną strategię, jednak pobieranie próbek z różnych elementów szkieletu pozostaje kluczowe. Badanie dostarcza dowodu na koncepcję wykorzystania starożytnego DNA zooarcheologicznego do śledzenia rezerwuarów, rozprzestrzeniania się i mechanizmów przenoszenia prahistorycznych zoonoz.

Nieznana ścieżka – starożytne DNA patogenów z archiwum zooarcheologicznego

Większość dzisiejszych chorób zakaźnych u ludzi ma pochodzenie zoonotyczne, co oznacza, że przeniosły się ze zwierząt na ludzi. Różne dowody wskazują, że epoka brązu eurazjatyckiego, rozpoczynająca się około 5000 lat temu, była kluczowym okresem, w którym pojawiło się wiele zoonoz, które trwają do dziś. Anne Kathrine W. Runge, główna autorka badania, wyjaśnia: „Epoka brązu była naznaczona wielkimi migracjami ludów i, co szczególnie ważne, powszechnym wprowadzeniem gospodarki pastwiskowej – stylu życia opartego na zwierzętach hodowlanych. Chociaż istnieje hipoteza, że to właśnie one stworzyły warunki do pojawienia się zoonoz, do tej pory brakuje szeroko zakrojonych badań nad starożytnym DNA patogenów w resztkach zwierzęcych.”

Rekonstrukcja starożytnych genomów patogenów z resztek zwierzęcych – znalezisk zooarcheologicznych – stoi przed dodatkowymi wyzwaniami w porównaniu do bardziej ugruntowanej rekonstrukcji starożytnych genomów patogenów z ludzkich szczątków. „W przeszłości większość zwierząt była ubijana, gdy jeszcze były zdrowe; ubite zwierzęta były poddawane obróbce cieplnej podczas przygotowania posiłków, a porzucone części ciała były bardziej narażone na działanie środowiska – co ogólnie zmniejsza prawdopodobieństwo wykrycia DNA patogenów” – mówi Felix M. Key, kierownik grupy badawczej w Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie i główny autor badania. „Jednakże” – dodaje – „rekonstrukcja starożytnych patogenów na podstawie zooarcheologicznych znalezisk ma unikalny potencjał do wyjaśnienia rezerwuarów prahistorycznych zoonoz, ich geograficznego rozprzestrzeniania się oraz mechanizmów genetycznych sprzyjających przejściu na ludzi.”

Międzynarodowy interdyscyplinarny zespół ekspertów podjął się badania możliwości identyfikacji starożytnego DNA patogenów na podstawie zooarcheologicznych znalezisk. W opublikowanym w czasopiśmie Nature Communications badaniu autorzy analizowali 346 próbek głównie od zwierząt domowych z 34 stanowisk archeologicznych w całej Eurazji – wiele z nich pochodzi z epoki brązu – pod kątem obecności starożytnego DNA patogenów.

Palaepatologie do priorytetyzacji pobierania próbek

Pobieranie starożytnego DNA jest kosztowne, a analiza utrudniona przez archeologiczne próbki bez śladów DNA patogenów – aspekt, który prawdopodobnie jeszcze bardziej dotyczy próbek zwierzęcych. W tej pracy wybrano materiał szkieletowy głównie od zwierząt hodowlanych z stanowisk w całej Eurazji, w tym z Polski, Niemiec, Czech, Rumunii i Uzbekistanu, aby sprawdzić, czy można uzyskać DNA zoonotycznych patogenów ze starożytnych resztek zwierzęcych. Aby ułatwić celowe badanie, wybrano próbki wykazujące oznaki chorób i urazów, tzw. palaepatologiczne zmiany. „Przeanalizowałem setki próbek, aby zidentyfikować potencjalne ogniska infekcji widoczne jako zmiany w kościach i tym samym zwiększyć szanse na uzyskanie starożytnego DNA zoonotycznych patogenów” – podkreśla Kamilla Pawłowska, ekspertka od palaepatologii z Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu i główna autorka badania. Dodaje: „Wśród nich odkryłam zmiany zapalne i urazowe, co było kluczowe dla umożliwienia molekularnej analizy.” Ogółem wybrano 215 elementów szkieletowych do analizy, z czego 188 miało zmiany w kościach. Ponadto, ponieważ jama miazgi zęba jest znanym źródłem starożytnego DNA systemowych patogenów, które często nie pozostawiają palaepatologicznych zmian, dodatkowo wybrano 131 zębów do badania na starożytne DNA patogenów.

Identyfikacja i weryfikacja DNA patogenów

Po pracach archiwizacyjnych wszystkie wybrane próbki zostały przewiezione do laboratorium molekularnego w Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie do analizy. „Ekstrakcja starożytnego DNA z elementów szkieletowych wymaga czystego pomieszczenia i osobistego wyposażenia ochronnego – to czasochłonne środki ostrożności konieczne do minimalizacji ryzyka kontaminacji próbek nowoczesnym DNA” – wyjaśnia ekspertka od starożytnego DNA, Anne Kathrine W. Runge. Po sekwencjonowaniu DNA wyekstrahowanego z każdej próbki, dane genetyczne analizowano za pomocą wcześniej opracowanej, wysoce czułej metody komputerowej w celu wykrycia odcisków DNA starożytnych patogenów. „Z radością odkryliśmy sygnatury DNA wielu różnych zoonotycznych patogenów, choć ilość starożytnego DNA zazwyczaj nie wystarczała do rekonstrukcji genomu i porównań z różnorodnością tych patogenów u współczesnych zwierząt i ludzi” – mówi Ian Light-Maka, współautor i bioinformatyk. Jednak dwa zoonotyczne patogeny, Streptococcus lutetiensis, wywołujący mastitis, oraz Erysipelothrix rhusiopathiae, powodujący infekcje skórne, miały wystarczającą ilość starożytnego DNA do takiej analizy. „Wyprowadzone relacje pokrewieństwa potwierdzają autentyczność historyczną i wspierają możliwość identyfikacji prahistorycznych genomów patogenów z resztek zwierzęcych” – dodaje Light-Maka.

Wśród próbek, które wykazały pozytywny wynik na patogenne DNA, większość miała zidentyfikowane zmiany patologiczne. „Fakt, że głównie próbki z zmianami wskazującymi na choroby zakaźne dały pozytywne wyniki, potwierdza nasz schemat priorytetyzacji i pomaga w przyszłych badaniach wybrać odpowiednie próbki mimo ograniczeń finansowych. Jednak ważne jest, aby badać różne elementy szkieletu, ponieważ biologia patogenów się różni, i wiele z nich, na przykład przy infekcjach krwi, może być najlepiej wykrywane w innych elementach układu szkieletowego, takich jak zęby” – podkreśla Kamilla Pawłowska. Wszyscy autorzy podkreślają, że to badanie ukazuje znaczenie palaepatologicznych badań nad zwierzętami i wspiera wielowarstwowe podejście do rekonstrukcji zdrowia w przeszłości.

Przyszłe badania nad starożytnymi genomami patogenów, które będą rekonstrukowane zarówno z ludzkich, jak i zwierzęcych szczątków, obiecują lepsze zrozumienie pochodzenia dzisiejszych zoonoz. Wobec dużych zbiorów zwierzęcych resztek, które jeszcze nie zostały przebadane pod kątem patogenów, Felix M. Key podsumowuje: „Ponieważ w genomice starożytnych patogenów kierunek przesuwa się w stronę nie-męskich gospodarzy, nasza praca wnosi ważny wkład w tę rozwijającą się dziedzinę, aby lepiej zrozumieć powstanie ludzkich chorób zakaźnych.”