Когда несколько биологических видов живут бок о бок и взаимодействуют, события в жизни одного вида неминуемо оказывают влияние на жизнь другого вида. Особенно это актуально для видов, состоящих в отношениях хищник-жертва или хозяин-паразит.
В журнале Nature Genetics недавно опубликована работа, посвященная эволюции возбудителя туберкулеза – Mycobacterium tuberculosis, и, в особенности, группы штаммов «Пекин». Оказалось, что в геномах микобактерий нашли отражение самые разные события: переход человечества к земледелию, промышленная революция XIX века в Европе, этнические конфликты в Китае и даже распад Советского Союза. Повышенный интерес к возбудителю туберкулеза легко объяснить. Он до сих пор становится причиной смерти примерно полутора миллионов людей ежегодно, и ситуация не улучшается: появляются и распространяются штаммы, устойчивые к антибиотикам.
Бактерии крайне редко прибегают к половому размножению и не умеют рекомбинировать как вирусы (когда два штамма одного вируса заражают одновременно одну и ту же клетку, на выходе может получиться вирус с любым сочетанием генов исходных вирусов). Поэтому у дочерней бактерии геном всегда будет идентичен геному родительской бактерии с точностью до мутаций. Мутации обычно происходят примерно с одинаковой частотой, хотя у человека эта своя, сравнительно низкая, частота, у бактерий – своя, более высокая, а у некоторых вирусов еще более высокая. Зная, чему равна эта частота, и подсчитав различия в геномах двух организмов, можно вычислить, когда жил их общий предок. Кроме того, если какая-то мутация возникнет у родительской бактерии, то она будет сохраняться и у дочерних бактерий на протяжении многих поколений. Кроме времени жизни общего предка по данным анализа целого генома можно оценить размер популяции в разное время.
Часто на этих принципах основываются антропологические исследования. В этих случаях используются митохондриальная ДНК и ДНК Y-хромосомы, потому что они не участвуют в свойственном половому процессу кроссинговере и передаются из поколения в поколение, изменяясь только в результате случайных мутаций.
Сейчас в биологии происходит настоящий бум чтения геномов – секвенирования. Скорость чтения нуклеиновых кислот растет, а цена уменьшается. Это значит, что в рамках одного и того же исследования теперь можно изучить больше образцов, результаты будут достовернее, а, кроме того, удастся заметить сравнительно редкие явления.
В описываемой работе авторы прочитали полностью геномы бактерий группы «Пекин», полученных от 110 пациентов, и еще около 5000 образцов были протипированы на предмет принадлежности к основным штаммам. Раньше таких масштабных исследований не проводилось. На основании прочитанных последовательностей были сделаны выводы о путях, времени и причинах распространения штаммов. Эти выводы отлично согласуются с данными из области истории.
Считается, что туберкулез появился около 40 тысяч лет назад. M. tuberculosis не очень долго может существовать в окружающей среде, особенно в теплом климате, поэтому поначалу она не представляла особой угрозы из-за низкой плотности населения. Люди стали жить более кучно только с развитием земледелия, и тогда бактерия смогла свободно передаваться от человека к человеку. Для туберкулеза вероятность развития заболевания после встречи с бактерией, то есть того, что бактерия сможет размножаться и заражать новых людей, очень сильно зависит от общего состояния организма. Не слишком сытые, временами замерзшие и ослабленные другими инфекциями и паразитами древние люди оказались идеальными мишенями для бактерии. Современные исследования свидетельствуют в пользу того, что общий предок всех современных микобактерий жил 10 тысяч лет назад на территории Плодородного полумесяца. Плодородный полумесяц – это ближневосточный регион, получивший название за свою форму на карте, охватывающую нижнее течение Нила, восточное побережье Средиземного моря и междуречье Тигра и Евфрата. Именно там зародилось земледелие и скотоводство, возникли (чуть позже) первые города и государства.
Пекинская линия обособилась 6600 лет назад на северо-востоке Китая, и именно ее исследованию посвящена работа. Пекинская линия считается наиболее опасной, поскольку именно к ней относятся устойчивые к антибиотикам штаммы. Представители пекинской линии покидали Китай несколько раз. Во-первых, проникновение в Европу и на Ближний Восток осуществлялось по Великому шелковому пути. Массовое попадание штаммов «Пекин» на территорию Российской империи произошло после национальных восстаний: дунганского и пантайского – в цинском Китае во второй половине XIX века, когда китайские мусульмане вынуждены были эмигрировать, в частности, на территорию современных Киргизии, Казахстана и Узбекистана. В-третьих, распространению штаммов способствовало происходившее примерно тогда же расселение китайцев по островам в Тихом Океане и по тихоокеанскому побережью.
На основании геномных данных авторам работы удалось проследить изменения в численности популяции представителей группы штаммов «Пекин».
Первый скачок численности, который удалось зарегистрировать, произошел в первой половине XIX века и, вероятно, был связан с урбанизацией, происходившей в то время. Следующий резкий скачок произошел во время Первой мировой войны. Во-первых, мобильность людей в это время резко увеличилась, а военным приходилось жить довольно скученно и по-походному: есть из одной посуды, спать в одном помещении. Во-вторых, как упоминалось выше, истощенные люди в плохом физическом состоянии более восприимчивы к болезни, и у них быстрее развиваются более тяжелые и заразные формы. В-третьих, примерно в это время по Европе прокатилась эпидемия испанки – очень тяжелой разновидности гриппа, дополнительно ослаблявшей иммунитет заболевших. Кроме того, больные испанкой и раненые в сражениях попадали в гражданские больницы и военно-полевые госпитали, а даже при нынешнем уровне асептики и антисептики больницы продолжают и сегодня быть источниками опасных бактерий.
Затем после массового внедрения антибиотиков в середине 60-х численность популяции начала уменьшаться, но эта тенденция была переломлена обратно в сторону роста числа бактерий двумя событиями. Во-первых, началась эпидемия ВИЧ/СПИДа. Больной иммунодефицитом очень легко заражается туберкулезом и распространяет его. Во-вторых, после распада Советского Союза и открытия границ мир познакомился с киргизско-узбекскими штаммами. Знакомство оказалось очень интенсивным из-за проблем в медицинской и санитарно-эпидемиологической системах постсоветских государств. Именно отсюда по миру начали распространяться устойчивые к антибиотикам разновидности микобактерий.
Изменения в численности популяции представителей группы штаммов «Пекин» (Merker et al. 2015 Nature Genetics).
Люди и бактерии живут в очень тесном взаимодействии, но человек эволюционирует медленнее, чем бактерия, поэтому в геномах бактерий можно обнаружить записи о событиях человеческой истории, а в человеческом геноме о событиях бактериальной истории – сложнее. Возможно, их можно заметить, изучая распространенность мутации CCR5-Δ32. Это мутация в гене, кодирующем один из рецепторов на поверхности T-лимфоцитов. Она попала в центр внимания из-за того, что гомозиготные носители этой мутации не могут заразиться ВИЧ. Хотя она негативно влияет на иммунитет, она оказалась довольно распространена. Среди населения северной Европы 10-14% имеют хотя бы одну мутантную копию гена CCR5, и от 1 до 5% – две мутантные копии. При этом носители мутантной разновидности отсутствуют среди коренного населения южной и западной Африки или Японии. На сегодняшний день выдвинуто две основных гипотезы, объясняющих такое положение дел. По одной, мутация защищала от чумы, по другой – от натуральной оспы, и за счет этого распространилась в местах, где свирепствовали эпидемии этих болезней.
