Badanie DNA z przeszłości: Odkrywanie tajemnic chorób dzięki skamieniałym szczątkom

W XVI wieku, na terenie dzisiejszego Meksyku, nastąpił gwałtowny i dramatyczny spadek liczby ludności. Choroba rozprzestrzeniła się po zdobyciu terytorium przez Europejczyków, a miliony rdzennych mieszkańców zginęły w wyniku epidemii. Do niedawna uważano, że Europejczycy przynieśli tę chorobę ze sobą z Europy – ale dokładny patogen pozostawał nieznany.

Teraz zespół naukowców wyizolował starożytny wirusowy DNA z zębów ofiar epidemii, które zostały pochowane pod kolonialnym szpitalem i kaplicą w Nowym Meksyku. DNA ujawniło, że ofiary były zarażone wirusem zapalenia wątroby typu B i parwowirusem ludzkim B19. Zamiast europejskiego pochodzenia, jak wcześniej sądzono, badacze odkryli, że wirusy te prawdopodobnie wywodzą się z Afryki.

“Wirusy wydają się mieć afrykańskie pochodzenie, a trzy z analizowanych przez nas osób były genetycznie afrykańskie” – mówi María C Ávila Arcos, adiunkt na Międzynarodowym Laboratorium Badań Genomu Ludzkiego na Universidad Nacional Autónoma de México.

Wówczas europejscy handlowcy i koloniści siłą porywali Afrykanów i przewozili ich na tysiące kilometrów do Ameryki. Okrutne warunki na statkach sprzyjały szybkiemu rozprzestrzenianiu się zakażeń.

“Ci ludzie zostali porwani, a następnie umieszczeni na zatłoczonych, niehigienicznych statkach w całkowicie nieludzkich warunkach” – dodaje Ávila Arcos.

“Kiedy wirus dotarł do Ameryki, rdzenni mieszkańcy nie mieli z nim wcześniej kontaktu, więc byli wyjątkowo podatni. Choroba zniszczyła dużą część ludności rdzennej.”

Przeinaczanie historii

Odkrycie to jest jednym z najnowszych osiągnięć w dziedzinie paleomikrobiologii, w której naukowcy wyizolowują fragmenty DNA mikroorganizmów z kości pochodzących sprzed setek lub nawet tysięcy lat. Następnie DNA jest odtwarzane, co pozwala naukowcom diagnozować choroby lub stany zdrowia setki lub nawet tysiące lat po śmierci danej osoby. Ta technika zmienia nasze spojrzenie i zrozumienie naszej przeszłości.

Przykładem może być ospa prawdziwa – wyniszczająca choroba, która w XX wieku zabijała szacunkowo 300 milionów ludzi. Początki wirusa variola, który wywołuje ospę prawdziwą, zawsze były niejasne. Na podstawie anegdotycznych relacji historyków sądzono, że może istnieć od 10 000 lat p.n.e., ale do niedawna brakowało dowodów naukowych, a najstarszy potwierdzony przypadek datowany był na XVII wiek na podstawie DNA wyizolowanego z litewskiej mumii.

Jednak w 2020 roku ta data została przesunięta wstecz, gdy Barbara Muhlemann, doktorantka na Uniwersytecie Cambridge, i jej koleżanki wyizolowały wirusa variola z zębów szkieletów wikingów datowanych na około 600 roku naszej ery. Szkielety zostały odkryte na 11 miejscach pochówku w Danii, Norwegii, Rosji i Wielkiej Brytanii. Ospa prawdziwa została również znaleziona w wielu ludzkich szczątkach z Ölandii, wyspy na wschodnim wybrzeżu Szwecji o długiej historii handlu. Odkrycie to poprzedza najwcześniejsze potwierdzone przypadki ospy prawdziwej o tysiąc lat. Badanie stanowi jednoznaczny dowód na to, że wikingowie, którzy podróżowali po Europie i dalej, przenieśli ognisko ospy prawdziwej ze sobą.

Tymczasem analiza starożytnego DNA rzuca także światło na pochodzenie dżumy. Badanie z 2015 roku, które analizowało DNA mikroorganizmów z zębów 101 szkieletów, wykazało, że bakteria Y. pestis, która powoduje dżumę, rozprzestrzeniała się wśród ludzi co najmniej 3000 lat przed pierwszą dokumentowaną pandemią dżumy. Badacze znaleźli bakterię Y. pestis w DNA siedmiu szkieletów, z których najstarszy zmarł 5783 lata temu. Większość historiografów uważała, że syfilis rozprzestrzenił się do Europy z tzw. ‘Nowego Świata’ Mimo że współczesna dżuma zwykle rozprzestrzenia się przez szczury przenoszące zakażone pchły, badanie wykazało, że bakteria dżumy nie nabyła mutacji potrzebnych do zakażenia pcheł aż do przełomu I tysiąclecia p.n.e. Przedtem prawdopodobnie rozprzestrzeniała się drogą bezpośredniego kontaktu międzyludzkiego, prowadząc do łagodniejszej postaci dżumy płucnej. Po zdobyciu zdolności do zakażenia pcheł szybko się rozprzestrzeniała, prowadząc do wybuchów dżumy dymieniczej (czarnej śmierci), pandemii, która w XIV wieku zabiła połowę ludności Europy.

Starożytny DNA zmienia sposób, w jaki patrzymy na inną poważną chorobę: syfilis. Wcześniej uważano, że pierwsza epidemia syfilisu w Europie miała miejsce w 1495 roku we Włoszech, tuż po powrocie Krzysztofa Kolumba z jego pierwszej podróży do Ameryki. Choroba ta szerzyła się wśród piechoty króla Karola VIII Francuskiego, który wówczas planował podbój Królestwa Neapolu. Choroba ta szybko rozprzestrzeniła się w Europie.

W 2020 roku Verena Schuenemann, profesor nauk archeologicznych związana z Uniwersytetem w Bazylei i Uniwersytetem w Zurychu, dowodziła zespołem, który wyizolował DNA od dziewięciu osób, których kości wykazywały charakterystyczne zmiany chorobowe związane z syfilisem. Pozostałości zostały odnalezione na cmentarzach w Finlandii, Estonii i Holandii. Badacze wykryli co najmniej trzy różne szczepy Treponema pallidum, patogenu wywołującego syfilis, a także inne choroby, takie jak jadnica – obecnie występująca tylko w strefie tropikalnej. Datowanie węglem radioaktywnym kości i trumien potwierdziło, że osoby te zmarły w okresie od początku do końca XV wieku, co sugeruje, że syfilis krążył już w Europie przed powrotem Kolumba z jego pierwszej wyprawy.

Obliczenia oparte na tempie mutacji bakterii syfilisu sugerują również, że pochodzenie tej choroby jest starsze niż przybycie Kolumba.

“Wiemy, że rozprzestrzenianie się patogenów jest związane z szlakami handlowymi” – mówi Schuenemann. Do przenoszenia chorób potrzebna jest pewna liczba ludzi, więc te choroby zwykle pojawiają się wraz z pierwszymi miastami – Verena Schuenemann “Widzimy to w przypadku syfilisu, dżumy i trądu – kiedy ludzie zaczynali wymieniać się podróżami i handlem, pojawiały się również okazje dla patogenów do podróżowania.”

W przeciwnym razie materiał genetyczny mikroorganizmów może dostarczyć nam tylko pewnych informacji o historii starożytnych pandemii. DNA samo w sobie nie stanowi problemu. Chociaż DNA degraduje się w ciągu czasu, naukowcy zsekwencjonowali genom mamuta włochatego, który żył milion lat temu. Jednakże prawdopodobnie przed około 12 000 lat temu, kiedy ludzie przyjęli rolnictwo i hodowlę, ludzie nie mieliby ze sobą na tyle częstego kontaktu, aby wywołać pandemię.

“Potrzebujesz pewnej liczby ludzi, aby przenosić choroby, więc zwykle te choroby pojawiają się razem z pierwszymi miastami. Kiedy ludzie zaczęli osiedlać się, wtedy pojawiały się pandemie” – mówi Schuenemann.

Wskazówki od zębów

Doskonałym miejscem do poszukiwania starożytnego DNA mikroorganizmów jest kamień nazębny. Ta lepka masa, która gromadzi się na zębach, jeśli nie jesteśmy odpowiednio higieniczni, uwięzi bakterie, co ostatecznie prowadzi do próchnicy i chorób dziąseł. W końcu kamień nazębny ulega procesowi mineralizacji, co sprawia, że twardnieje i „uwięzi” wewnątrz DNA starożytnych bakterii i wirusów. Odkrywanie genomu mikroorganizmów pozwala naukowcom uzyskać dostęp do skarbnicy informacji o zdrowiu naszych przodków.

Na przykład międzynarodowy projekt medyczny wykorzystuje ludzki kamień nazębny, aby odtworzyć historię leczenia trądu w średniowieczu w Europie. Pod kierownictwem Emanuela Cristianiego z Uniwersytetu Rzymskiego Sapienza zespół przeanalizował kamień nazębny z zębów wydobytych z cmentarzy średniowiecznych w St Leonard’s w Peterborough, Anglia, i Saint-Thomas d’Aizier, we Francji.

Może cię również zainteresować:

Starożytne choroby, które dręczyły dinozaury Trąd: starożytna choroba, którą nauka nie może wyjaśnić Wirusy walczące z chorobami ludzi Zespół znalazł ślady imbiru u niektórych osób, co sugeruje, że podejmowano próby leczenia tej choroby. Na przykład Konstantyn Afrykański, słynny lekarz z XI wieku, pisał o przygotowywaniu leków doustnych zawierających imbir i inne zioła, które miały złagodzić ból żołądka wywołany przez trąd. W niektórych przypadkach wykryto również obecność rtęci, która mogła być używana do zakrywania niedoskonałości skóry i jako środek przeciwbólowy.

To sugeruje, że ofiary nie były jedynie piętnowane, ale także o nie dbano.

Diagnozowanie chorób serca i Alzheimera

Sekwencjonowanie DNA z kamienia nazębnego może dostarczyć nam więcej informacji niż tylko o chorobach zakaźnych, które miały miejsce, gdy dana osoba zmarła. W przyszłości ta technologia może również ujawnić, jaki był mikrobiom jamy ustnej danej osoby – ogromny i różnorodny zbiór bakterii, archei i grzybów żyjących w okolicach naszej jamy ustnej. Ta informacja może z kolei dostarczyć nam informacji o rozpowszechnieniu chorób niezakaźnych (NCD) w starożytności. NCD to przewlekłe stany, które nie są wynikiem pojedynczego czynnika zakaźnego. Obejmują choroby takie jak choroby serca, cukrzyca, reumatoidalne zapalenie stawów i choroba Alzheimera.

“Od dziesięcioleci istnieją badania, które pokazują związek między zdrowiem jamy ustnej a mikrobiomem jamy ustnej a tymi chorobami” – mówi Abigail Gancz, antropolog biologiczny na Uniwersytecie Stanowym Pensylwanii. W literaturze staroegipskiej są opisy, które przypominają cukrzycę – Abigail Gancz W ostatnim artykule Gancz twierdzi, że ponieważ związki między mikrobiomem jamy ustnej a NCD są tak dobrze udokumentowane, możemy być w stanie wykorzystać starożytny DNA mikroorganizmów do wnioskowania o tym, czy starożytne populacje ludzkie także cierpiały na te schorzenia.

Choć często uważa się, że są to współczesne choroby spowodowane niezdrowym stylem życia, tak naprawdę nie mamy pojęcia, na ile były one powszechne w przeszłości, ponieważ znaczna większość NCD nie pozostawia charakterystycznych śladów na szkielecie. Istnieją jednak znaki, że te choroby występowały, choć nie w takim stopniu jak dziś.

“W literaturze staroegipskiej w niektórych z najwcześniejszych zapisów istnieją opisy, które przypominają cukrzycę, na przykład relacje o słodkim zapachu moczu” – mówi Gancz. Szkielety ofiar chorób takich jak dżuma – jak te znalezione na wschodnim cmentarzu w Londynie – nadal mogą zawierać wirusowy DNA wieki po ich śmierci (Zdjęcie: Getty Images) Szkielety ofiar chorób takich jak dżuma – jak te znalezione na wschodnim cmentarzu w Londynie – nadal mogą zawierać wirusowy DNA wieki po ich śmierci (Zdjęcie: Getty Images) “Zakłada się, że ludzie w przeszłości żyli krótko i brutalnie, ale wielu z nich dożyło starości i mogli doświadczać tych chorób niezakaźnych.”

Gancz kieruje projektem Ancient Systemic Disease, którego celem jest odkrycie związku między starożytnymi mikrobiomami ludzkimi a obecnością NCD. Dotychczas przeanalizowała szkielety 192 brytyjskich osób datowanych od okresu średniowiecza do okresu przemysłowego. Projekt polega na dokładnym odkodowywaniu DNA mikroorganizmów znalezionego w kamieniu nazębnym, aby dowiedzieć się, jakie bakterie i wirusy miała osoba w momencie śmierci. Następnie dane te są porównywane i korelowane z znanymi wskaźnikami chorób obecnymi w szkielecie danej osoby.

“Istnieją różne zmiany w szkielecie, które wskazują na obecność choroby” – mówi Gancz.

Na przykład ubytki lub ropnie w zębach osoby mogą sugerować, że osoba cierpiała na chorobę przyzębia. Można również wykryć oznaki ogólnego stanu zapalnego organizmu, co może wskazywać na przewlekłe choroby, takie jak choroby serca.

“Pokazuje to, że te choroby nie są tak nowe, jakbyśmy mogli myśleć” – mówi Gancz. “Są one związane z ludzkością od dawna”.

Inny projekt badawczy, prowadzony przez Christinę Warinner z Uniwersytetu Harvarda, bada bakterie jamy ustnej i ich wpływ na zdrowie w starożytności. W jednym z badań odkryła, że żyjąc w społeczeństwach zbliżonych do natury, pozbawionych dostępu do przetworzonego jedzenia, mikrobiomy jamy ustnej były bardziej zróżnicowane niż dzisiaj i zawierały bakterie pomagające w rozkładaniu roślinnego pokarmu. Być może to częściowe wyjaśnienie dlaczego choroby NCD były mniej powszechne w przeszłości.

“Nasze mikrobiomy w jamie ustnej byłyby zdrowsze, gdybyśmy zaczęli jeść lepiej i być może osiągnęli zdrowszą równowagę bakteryjną” – mówi Warinner. Jeśli będziemy w stanie dowiedzieć się więcej o mikrobiomach jamy ustnej naszych przodków, może to dostarczyć nam wskazówek, jakie zmiany w diecie i stylu życia mogą pomóc w zmniejszeniu ryzyka chorób NCD w przyszłości.

Czy jest nadzieja?

Odkrywanie skamieniałych bakterii i wirusów to jedno, ale czy można coś z tym zrobić? Czy jest nadzieja na lepsze zrozumienie i kontrolowanie chorób na podstawie tej wiedzy?

W przypadku chorób zakaźnych, takich jak dżuma czy ospa prawdziwa, odkrycie przeszłych źródeł tych patogenów może pomóc w zrozumieniu, jak patogeny ewoluują i jakie strategie rozprzestrzeniania się były skuteczne w przeszłości. To może dostarczyć wskazówek na przyszłość, jak skuteczniej kontrolować podobne choroby. Na przykład, jeśli zrozumiemy, że ospa prawdziwa była przenoszona przez wikingów, będziemy lepiej przygotowani, gdyby wirus wrócił w jakiejkolwiek nowej formie.

W przypadku chorób niezakaźnych, takich jak choroby serca i cukrzyca, odkrycie ich obecności w przeszłości może pomóc w ocenie, na ile te choroby są spowodowane dziedzicznością genetyczną, a na ile czynnikami środowiskowymi. Może to pomóc w rozwoju strategii zapobiegania tym chorobom i dostarczyć naukowcom lepszych narzędzi do oceny ryzyka dla osób dziedziczących geny predysponujące do tych chorób.

Jednak wiele pracy pozostaje do zrobienia, zanim będziemy mogli wykorzystać tę wiedzę w praktyce. Wiele z tych chorób to wynik skomplikowanych interakcji między dziedziczeniem genetycznym a środowiskiem, a identyfikacja konkretnych genów lub czynników środowiskowych, które wpływają na te choroby, jest nadal wyzwaniem.

Mimo to starożytne DNA mikroorganizmów może nam dostarczyć kluczowych wskazówek na temat naszej przeszłości i pomóc w zrozumieniu, jakie choroby były obecne w przeszłości, jak się rozprzestrzeniały i jak wpływały na nasze przodki. To z kolei może pomóc nam lepiej zrozumieć dziedziczność chorób i pomóc w opracowaniu strategii zapobiegania i leczenia tych chorób w przyszłości.

źródło: bbc.com, autor: Gemma Lavender