利用新方法,研究人員分析了提取自受害者骨頭和牙齒的歷經(jīng)數(shù)世紀(jì)之久的病原體。
去年8月,johannes krause進(jìn)行了一個鮮有人嘗試的“壯舉”:他對一具700年歷史的人體骸骨進(jìn)行了遺傳尸檢。krause從一個死于14世紀(jì)丹麥麻風(fēng)病人隔離區(qū)的年輕女性牙齒中提取了dna,并計算了來自細(xì)菌、污染物以及麻風(fēng)病病原體(麻風(fēng)分枝桿菌)的混雜遺傳物質(zhì)有多少。
他驚訝地發(fā)現(xiàn),40%的dna與現(xiàn)代麻風(fēng)分枝桿菌相匹配,只有9%的dna是人類dna。作為德國賓根大學(xué)的古遺傳學(xué)家,krause認(rèn)為,這不可能。
他再次進(jìn)行了研究,并得出同樣的結(jié)論。“這是瘋狂的?!彼f,“我從未想過,人體骨骼中病原體的dna多于人類dna。而在當(dāng)今麻風(fēng)病患者中,你不會發(fā)現(xiàn)這種情況。”
重現(xiàn)歷史
krause和他的研究生――生物化學(xué)家verena schuenemann意識到,自己撞上了一個科學(xué)頭獎。“利用如此高濃度的細(xì)菌,我們試著讓一個夢想成真?!眘chuenemann說。他們立刻測序了該古代桿菌基因組,而非像過去那樣依賴實(shí)驗室技術(shù)捕獲分化的古老dna。
日前,krause及其同事將成果發(fā)表于《科學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版,公布了使用鳥槍測序法測序的中世紀(jì)麻風(fēng)分枝桿菌全基因序列。這個突破令人非常驚訝,因為研究人員尚未對從活著的麻風(fēng)病人體內(nèi)提取的麻風(fēng)分枝桿菌基因進(jìn)行直接測序。這種細(xì)菌不能在細(xì)胞培養(yǎng)中生長,因此研究人員用人類麻風(fēng)分枝桿菌感染了犰狳和老鼠,以便獲得足夠的樣本用于測序。
krause研究小組十分幸運(yùn)地獲得了樣本?!拔覀冊诨蛐蛄蟹矫娅@得了難以置信的進(jìn)展?!泵绹鸫髮W(xué)進(jìn)化遺傳學(xué)家charles nunn說,“這對理解在今天和過去循環(huán)的病原體之間的關(guān)系十分重要?!?/p>
利用鋪天蓋地的數(shù)據(jù),一些實(shí)驗室陸續(xù)采集了“傳奇殺手”的dna,其中包括,結(jié)核?。╰b)、鼠疫、霍亂、利什曼蟲、麻風(fēng)病、馬鈴薯晚疫病以及艾滋病。他們從古代牙齒、骨頭、頭發(fā)、排泄物和土豆皮與葉子中,收集到了這些“罪犯”的線索,然后解碼了基因序列。
始于3年前的相關(guān)研究,為人們理解歷史事件打開了新局面,看清了引發(fā)人類最嚴(yán)重流行病的“元兇”的真實(shí)面目?!昂芏啻嬖谟跉v史記錄中的疾病,我們不清楚病原體是什么?!泵绹鴣喞D侵萘⒋髮W(xué)分子人類學(xué)家anne stone說。
相關(guān)研究還揭示了病原體首先感染人體哪一部分,以及為何隨著時間的推移,它們會變得更毒或消弭。例如,了解很久之前的都市化引發(fā)嚴(yán)重tb桿菌的進(jìn)化,在當(dāng)今日益城市化的世界“能夠發(fā)現(xiàn)最好的疫苗接種和藥物治療策略”,英國曼徹斯特大學(xué)生物分子考古學(xué)家terence brown說。
pcr難題
上世紀(jì)90年代初,沒有人相信這會成為可能。當(dāng)時stone還是一名研究生,在德國馬普學(xué)會斯萬特?帕博實(shí)驗室工作,她曾試著識別古老天花和tb的基因標(biāo)記。這項研究是一項挑戰(zhàn),病原體的基因組比人類基因小1000倍?;氐侥菚r,假如能夠使用聚合酶鏈反應(yīng)(pcr),測序來自化石的少量dna標(biāo)記,研究人員會激動萬分。
那時stone甚至無法攫取一些小塊的片段。她試著放大取自一具有400年歷史的意大利那不勒斯木乃伊的重型天花病毒,但是一無所獲。她放棄了古病原體研究,轉(zhuǎn)而研究古老dna與猿和人類的進(jìn)化。
數(shù)年過去了,其他研究人員宣布使用pcr從骨骼殘骸中搜獲了tb,但是批評者擔(dān)心證據(jù)受到了污染。甚至當(dāng)他們能夠確定古tb時,pcr研究停滯在了如何關(guān)聯(lián)古tb菌株和現(xiàn)在的結(jié)核分枝桿菌,因為他們無法獲得足夠的古dna,以揭示菌株間的不同。“我不在乎有人說自己從1.5萬年前的樣本中提取了tb,我只想知道,你能告訴我有關(guān)這個tb的什么內(nèi)容?!钡湼绫竟髮W(xué)進(jìn)化生物學(xué)家thomas gilbert說。
這大約發(fā)生在高通量測序儀器引發(fā)該領(lǐng)域革命的10年前。當(dāng)時pcr只能復(fù)制至少80個堿基對長度的dna片段,但是古老dna通常更小。新測序機(jī)器打開了古老基因的全新世界,包括轟動一時的冰河時代猛犸象,以及滅絕的尼安德特人和丹尼索瓦人的基因修復(fù)。
捕獲基因
通緝名單的頭號兇手是黑死病的“代理人”。1347~1351年,它橫掃歐洲,奪去一半人的生命。歷史文獻(xiàn)記載的腹股溝淋巴結(jié)炎十分像那些由耶爾森氏鼠疫桿菌引起的疾病。在抗生素出現(xiàn)之前,鼠疫似乎足以殺死上百萬生命,因此一些歷史學(xué)家懷疑,它是黑死病背后的“推手”。早期pcr結(jié)果表明,中世紀(jì)受害者遺骨上的遺傳標(biāo)記屬于現(xiàn)代耶爾森氏鼠疫桿菌的一部分。但是罪名無法成立:實(shí)驗結(jié)果不能重復(fù)。
2011年加拿大麥克馬斯特大學(xué)的hendrik poinar、美國南卡羅來納大學(xué)的sharon dewitte和麥克馬斯特大學(xué)研究生kirsten bos從英國倫敦東史密斯菲爾德墓地尸骸的牙齒和骨頭中提取了dna。這里埋葬了14世紀(jì)鼠疫的受害者。
聯(lián)合krause和schuenemann,兩個實(shí)驗室使用了“誘餌”――發(fā)現(xiàn)自現(xiàn)代耶爾森氏鼠疫桿菌的短基因片段――用于捕獲古老序列的類似延伸。研究人員清除了無法附在現(xiàn)代誘餌上的dna。這讓他們不僅捕捉到了匹配序列,還發(fā)現(xiàn)了可能與現(xiàn)代基因不同的dna。研究人員反復(fù)清洗了重疊的dna片段,最終平均每個核苷酸收集了30個副本。
結(jié)果顯示,倫敦瘟疫死者確實(shí)感染了耶爾森氏鼠疫桿菌。讓該研究小組驚訝的是,14世紀(jì)該桿菌的基因組與現(xiàn)代十分相似。目前,研究小組在探索是什么引發(fā)了高死亡率,是一種古老菌株還是中世紀(jì)死者較差的健康狀況。
結(jié)核病疑云
tb是世界致死率第二的傳染病,僅排在艾滋病之后。2011年,它導(dǎo)致140萬人死亡。在過去的10年中,研究人員修改了“所有人感染tb都是由幾乎相同的結(jié)核分枝桿菌引起的”這一觀點(diǎn)。他們現(xiàn)在認(rèn)識到存在7種不同的tb菌株群落,有兩個只在非洲和最近的非洲移民中發(fā)現(xiàn)。
tb與人類的交情“甚篤”:最早的考古學(xué)證據(jù)來源于一具發(fā)現(xiàn)自意大利利古利亞的有7800年歷史的骸骨,其脊柱結(jié)節(jié)受損。最早的歷史記錄則出現(xiàn)在公元前4700年的中國。作為與人類和動物共同進(jìn)化數(shù)千年的結(jié)果,菌株群落在舊世界(非洲、歐洲和亞洲)與新世界(美洲)出現(xiàn)單獨(dú)進(jìn)化。研究人員渴望了解新世界和舊世界菌株彼此間、與動物菌株間如何相關(guān),以及感染人類的過程如何改變了tb的毒性。他們還想知道,耐藥性是否發(fā)生在不同菌株的相同位置,以及速度有多快。
答案可能隱藏在時間的深處。stone和研究生luz-andrea pfister已經(jīng)推翻了人最初是從牛身上感染了tb的舊觀念――而是人們自己傳染了自己。新研究追蹤了現(xiàn)代菌株的共同祖先,結(jié)果顯示,tb可能早在300萬年前就感染了非洲人。目前尚未測序出完整的古結(jié)核分枝桿菌基因序列,但是科學(xué)家已經(jīng)取得重大突破。
去年,一個研究小組從1840~1911年葬于英國利茲圣佐治土窯的一個小女孩骸骨上提取了樣本。brown及其博士后abigail bouwman使用新一代測序儀等技術(shù),制作了500個“誘餌”,捕獲了218個單核苷酸多態(tài)性(snps)。通過分析古老和現(xiàn)代tb菌株中存在或不存在哪些snps,他們編譯了首套歷史上的tb菌株的dna標(biāo)記。
通過比較,研究人員發(fā)現(xiàn),利茲女孩感染的菌株與現(xiàn)代的不同,但是與1905年紐約隔離的一個患者體內(nèi)的菌株幾乎相同。該研究生動地展示了病原體如何在航空業(yè)發(fā)達(dá)之前,成功穿越如此長的距離?!坝泻芏嗳丝缭酱笪餮?,其中許多去了美國?!眀rown說。
愛爾蘭慘案
1845~1852年,愛爾蘭馬鈴薯歉收使得100多萬人死亡,另外超過100萬人逃到了美國和其他國家。該國一直未從這場災(zāi)難中完全恢復(fù)過來。愛爾蘭現(xiàn)有人口450萬人,還不到饑荒發(fā)生時人口的3/4。
很多人將饑荒歸咎于政治和植物,但是毫無疑問馬鈴薯晚疫病是罪魁禍?zhǔn)?。?dāng)時,愛爾蘭主要依賴單一馬鈴薯品種――綽號“碼頭工人”的大馬鈴薯――來養(yǎng)活日益增長的人口。一旦這種大馬鈴薯受枯萎病的襲擊,人們就沒有其他的馬鈴薯可以食用。
大部分科學(xué)家認(rèn)為愛爾蘭馬鈴薯枯萎病是由一種名為us-1的馬鈴薯晚疫病菌引起的,它是1843年引發(fā)北美枯萎病菌株的一個直接分支。直到上世紀(jì)70年代末,這種菌株在世界范圍內(nèi)一直占主要地位。
但是,研究人員發(fā)現(xiàn)這種菌株,與他們通過分析1845~1896年收集自歐洲和北美洲枯死的馬鈴薯和番茄的葉片而發(fā)現(xiàn)的菌株不同。英國塞恩斯伯里實(shí)驗室的kentaro yoshida、schuenemann及同事測序了這些樣本的dna:正如那個有700年歷史的麻風(fēng)病樣本一樣,馬鈴薯枯萎病病原體也被很好地保存下來,他們使用鳥槍測序法直接測序了其基因序列。
結(jié)果顯示,這些古老植物感染了一種名為herb-1的馬鈴薯晚疫病菌,它與現(xiàn)代的15個馬鈴薯晚疫病菌株不同,盡管us-1與它密切相關(guān)。“一個已滅絕的菌株曾橫行于愛爾蘭和歐洲?!甭?lián)合研究者krause說。
中世紀(jì)苦難
現(xiàn)在,高分辨率麻風(fēng)分枝桿菌全基因序列使得krause和同事有機(jī)會深入研究這種自圣經(jīng)時代就名聲狼藉的可怕疾病。如今,麻風(fēng)病早已不像中世紀(jì)那樣橫行無忌。德國基爾大學(xué)分子考古學(xué)家ben krause-kyora表示,就在14世紀(jì)前,斯堪的那維亞半島25%甚至更多的成年人死后的骨骼留有麻風(fēng)病的標(biāo)記。
krause-kyora將中世紀(jì)麻風(fēng)病死者的牙齒寄給krause用于分析,他們比較了古麻風(fēng)分枝桿菌基因和11種現(xiàn)代菌株,結(jié)果發(fā)現(xiàn),這種細(xì)菌進(jìn)化速度很慢。中世紀(jì)麻風(fēng)病患者身上的病原體幾乎與目前印度、泰國等地麻風(fēng)病患者體內(nèi)的病原體相同。
krause研究小組還發(fā)現(xiàn),中世紀(jì)斯堪的納維亞女孩的麻風(fēng)病菌株或許分離自發(fā)現(xiàn)于當(dāng)今伊朗和土耳其的一個菌株。這表明這種原始菌株起源于亞洲。11世紀(jì),十字軍或其他旅行者可能將它帶到了歐洲,最終到達(dá)斯堪的納維亞半島。
最后,krause還揭開了最初困擾他的難題:為何在古老牙齒中麻風(fēng)分枝桿菌dna比人類dna多。他認(rèn)為,麻風(fēng)分枝桿菌有特別厚的細(xì)胞膜,富含脂肪酸,能夠抗侵蝕。如果其他細(xì)菌也是這樣,將有希望追蹤那些超越人類dna退化極限(100萬年)的病原體。
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