Návrh genomu Yersinia pestis z obětí Černé Smrti

Černé Smrti 1347-1351, způsobené bakterií Yersinia pestis2,3, poskytuje jeden z nejlepších historických příkladů rozvíjející se infekce s rychlým šířením a vysokou úmrtností, která si vyžádala odhadem 30-50% Evropské populace v pouze pěti-rok period4. Nesrovnalosti v epidemiologických trendech mezi středověkou nemocí a moderními infekcemi y. pestis vyvolaly spor o etiologickou agenturu pandemie 5, 6., I když starověké DNA vyšetřování silně zapleten Y. pestis2,3 v dávných pandemii, genetické změny ve bakterie může být částečně zodpovědný za rozdíly v nemoc, projevy a stupně závažnosti. Pochopit organismu evoluce je nutné charakterizovat genetické změny zahrnuté v jeho transformaci z epidemií patogen schopen pandemie lidské infekce na stupnici od Černé Smrti, a určit jeho vztah s aktuálně cirkulujících kmenů., Zde začneme tuto diskusi tím, že představíme první návrh genomové sekvence starověkého patogenu.

Y. pestis je v poslední době vyvinul potomek půdní bacil Yersinia pseudotuberculosis7, které se v průběhu svého vývoje získal další dva plasmidy (pMT1 a pPCP1), které poskytují specializované mechanismy pro infiltraci savčích hostitelů. Aby prošetřila potenciální evoluční změny v jedné z těchto plazmidů, jsme informovali na promítání 46 zubů a 53 kosti z East Smithfield kolekce Londýn, Anglie pro přítomnost., pestis – specific pPCP1 (ref. 3). Historické údaje ukazují, že East Smithfield pohřebiště byla založena na konci roku 1348 nebo 1349 brzy konkrétně na pohřeb Černé Smrti victims8 (Doplňkové Fíky 1 a 2), což je sbírka dobře-vhodný pro genetické vyšetření starověkého Y. pestis. DNA sekvence data pro pět zubů získané prostřednictvím molekulární zachycení plný Y. pestis-specifické pPCP1 odhalila C T poškození vzoru charakteristikou autentické endogenní starověké DNA9 a montáž sdružených Illumina čte povoleno rekonstrukci 98.68% 9.,6-kilobázový plasmid při minimálním dvojnásobném pokrytí3.

vyhodnotit vhodnost capture-založené metody pro rekonstrukci kompletní starověké genomu, více DNA extraktů z obou kořenů a korun vyplývající z čtyři z pěti zuby, které přinesly nejvyšší pPCP1 coverage3 byly použity pro pole založené na obohacení (Agilent) a následné high-throughput sekvenování na Illumina gail nám platform10. Odstranění duplicitních molekul a následné filtrování vyrobeno celkem 2,366,647 vysoce kvalitní chromozomální čte (Doplňující Tabulka 1a, b) s průměrnou fragment, délka 55.,53 párů bází (Doplňkový obr. 4), což je typické pro starou DNA. Pokrytí odhadů přinesly v průměru 28.2 čte na jedno místo na chromozomu, a 35.2 a 31.2 pro pCD1 a pMT1 plasmidy, respektive (Obr. 1a, c, d a doplňková Tabulka 1B, c). Pokrytí bylo předvídatelně nízké pro pPCP1 (obr. 1e) protože sondy specifické pro tento plazmid nebyly zahrnuty do polí. Pokrytí korelované s obsahem GC (Doplňkový Obr. 6), trend, který byl dříve pozorován u dat s vysokou propustností 11., Pokrytí na každou polovinu chromozomů bylo nerovnoměrné v důsledku rozdílů v sekvenování hloubky mezi dvě pole, s 36.46 a 22.41 průměru přečte za místo pro pole 1 pole a 2, resp. I když větší hloubky přispěl k větší průměrné čte na místě, nedošlo k nárůstu celkového pokrytí, s obě pole pokrývající 93.48% cílových regionů na úrovni minimálně onefold pokrytí (Doplňující Tabulka 1b)., To znamená, že naše zachytit postup úspěšně načtena šablona molekuly ze všech genomových regionů přístupné prostřednictvím této metody, a že hlubší sekvenování by neměly mít za následek další údaje pro CO92 šablony regiony, která není zahrnuta v naší datové sadě.

Obrázek 1: pokrytí pozemků pro sekvenované genomické oblasti.

Architektura genomu se velmi liší mezi existujícími y. pestis strains12. Extrapolovat gen objednat v našem genomu dávných, jsme analyzovali čte mapování na CO92 referenční pro všechny extraktů pocházejících z jednoho jedince, který přinesl nejvyšší krytí (individuální 8291). I přes krátkou číst délka našich dávných sekvence vysoce repetitivní povaha Y. pestis genomu, 2,221 contigs odpovídající CO92 byly extrahovány, zahrnující celkem 4,367,867 bp., K identifikaci potenciálních oblastí starověké genomu, které jsou architektonicky odlišné od CO92, všechny čte nejsou mapování na CO92 odkaz byl zase považován za contig konstrukce. Po filtrování pro minimální délku 500 bp, 2,134 contigs zůstal zahrnující 4,013,009 bp, které 30,959 pocházel z nezmapovaných čte. Konvenční vyhledávání výbuchů dotazovaných proti genomu CO92 identifikovalo shody pro 2,105 contigs. Důkazy o změněné architektuře byly identifikovány v 10 souvislostech (doplňková Tabulka 2). Příklad takové konstrukční varianty je znázorněn na obr., 2, kde referenční naváděné montáže zahrnující nezmapovaných čte span zarážky ověřuje jeho rekonstrukci. Tato specifická genetická orientace se vyskytuje pouze u Y. pseudotuberculosis a Y. pestis kmeny Mictrotus 91001, Angola, Pestoides F a B42003004, které jsou předkem všech Y. pestis často spojena s lidskou infekcí (větev 1 větev 2 strains13,14). Navíc, rozdíly v uspořádání tohoto regionu v větev 1 větev 2 moderní kmeny Y. pestis naznačují, že přestavby došlo jako samostatné události na různých linií.,

Obrázek 2: Vyrovnání mapovány rekonstrukci contigs proti CO92 a Microtus genomů.

Single-nukleotidové rozdíly mezi naší dávné genomu a CO92 referenční překvapivě se skládala z pouhých 97 chromozomální pozice, a 2 a 4 pozicemi v pCD1 a pMT1 plasmidy, respektive (Doplňující Tabulka 3), což naznačuje těsné genetické zachování v organismu v průběhu posledních 660 let. Dvacet sedm z těchto pozic bylo nehlášeno v předchozí analýze existující y., pestis diversity14 (doplňkové tabulky 3 a 4). Srovnání našich dávných genomu jeho předchůdce Y. pseudotuberculosis ukázalo, že středověké sekvence obsahovala rodové nukleotidů pro všechny 97 pozic, což naznačuje, že to nemá žádnou získané pozice chybí v jiných kmeny Y. pestis. Dva již bylo dříve oznámeno chromozomální differences3 nebyly přítomny v naší genomické sekvence dat, což naznačuje, že se pravděpodobně odvozen od deaminovaná cytosines, které by byly odstraněny v aktuální šetření prostřednictvím uracil-DNA-glykosylázou a tím léčbu dříve, než pole zachytit.,

umístit naši dávní genomu ve fylogenetické souvislosti, jsme se vyznačuje všechny 1,694 dříve zjištěné fylogeneticky informativní positions14 (Doplňující Tabulka 4), a oproti těm z našich dávných organismu proti souhrnné základní údaje o volání pro 17 veřejně k dispozici, Y. pestis genomů a rodové Y. pseudotuberculosis. Pokud jsou posouzeny odděleně, sekvence ze tří ze čtyř obětí spadají pouze dvě substituce z kořene všech existujících lidských patogenních kmenů y. pestis(obr. 3a) a vykazují užší vztah k větvi 1 Y., pestis, než větev 2; nicméně, jedna ze čtyř obětí (individuální 6330) byl napaden kmen, který obsahoval další tři získané pozice vidět ve všech ostatních větev 1 genomes14. To naznačuje přítomnost několika kmenů v Londýně 1348-1350 pandemie nebo microevolutionary změny, které vzniknou v jeden kmen, který je známo, že se vyskytují v onemocnění outbreaks15. Další podpora pro Y., mikroevoluce pestis je indikována přítomností několika variantních pozic, pro které sekvenční data od jednoho jedince ukazují dva různé nukleotidy na srovnatelných frekvencích (doplňková Tabulka 5). Pozice 2896636, například, je známo, polymorfní pozice v existujících Y. pestis populations14, a tato pozice ukazuje, pevné odvozen státu v jedné osobě (6330) a polymorfní státu v jiném (individuální 8291) minimálně pětinásobně pokrytí (Doplňkový Obr. 7). To poskytuje pozoruhodný příklad mikroevoluce zachycené během historické pandemie., Zbývající rozptylové pozice se nemění v 18 existujících genomech Yersinia, takže mohou být jedinečné pro starodávný organismus, a proto mají další zájem. Další odběr vzorků starých genomů bude pomáhat při určování frekvence těchto mutací v co-cirkulující kmeny Y. pestis, a objasní vznik větev 2 kmenů, které jsou dosud nehlášené v dávných vzorků.

obrázek 3: fylogenetické umístění a historický kontext pro kmen East Smithfield.,

v souladu tree topologií byly vyrobeny pomocí několika způsoby konstrukce a všechny hlavní uzly byly podporovány posteriorní pravděpodobnosti (pp) hodnoty >0.96 a bootstrapové hodnoty >90 (Obr. 3b a doplňkové obr. 8 a 9). Stromy místo East Smithfield sekvence blízko předků uzlu všechny existující lidské patogenní kmeny Y. pestis (pouze dva rozdíly v 1,694 pozice) a na základně větev 1 (Obr. 3b)., Bezpečné datum pro East Smithfield místě 1348-1350 nám umožnilo přiřadit tip kalibrace starověké pořadí, a tak datum divergence době moderních genomů a East Smithfield genomu pomocí Bayesovského přístupu. Časové odhady ukazují, že všechny Y., pestis často spojena s lidskou infekci sdíleli společného předka někdy mezi 668 a 729 lety (ad 1282-1343, 95% nejvyšší hustoty pravděpodobnosti, POLICIE), zahrnující mnohem menší časový interval, než nedávno zveřejněné estimates14 a dále naznačuje, že všechny v současné době v oběhu pobočka 1 pobočka 2 izoláty se objevily v průběhu třináctého století nejdříve (Obr. 3b), případně pramenící z východoasijského zdroje, jak již bylo dříve naznačeno., To znamená, že středověký mor byl hlavní historickou událostí, která zavedla lidské populace předkovi všech známých patogenních kmenů y.pestis. Tato další otázky etiologie šestého až osmého století Mor Justiniána, populárně předpokládá, že vzešly ze stejného patogenu: naše časové odhady naznačují, že pandemie byla způsobena buď Y. pestis varianta, která se liší od všech aktuálně cirkulujících kmenů často spojena s lidskou infekcí, nebo to byl další nemoci úplně.

i když náš přístup k použití existujícího y., pestis referenční šablony pro návnadu design vyloučeno naše schopnost identifikovat genomové regiony, které mohou být přítomny ve starověké organismu a následně byly ztraceny v CO92, genomické srovnání našich dávných sekvence proti jeho nejbližší okrajové skupiny může přinést cenné poznatky do Y. pestis evoluce. Kmen Microtus 91001 je nejbližší větev 1 a větev 2 relativní potvrzená jako nepatogenní vůči člověkům16, proto genetické změny mohou představovat příspěvky k adaptaci patogenu na lidského hostitele., Srovnání proti této outgroup odhalil 113 změny (Doplňující Tabulky č. 6a, b), z nichž mnohé se nacházejí v genech ovlivňující virulenci-související funkce, jako tvorbu biofilmu (hmsT), železo-akvizice (iucD) nebo adaptaci na intracelulární prostředí (phoP). Podobně, i když jeho virulence potenciál u lidí musí být ještě potvrzena na naše znalosti, Y. pestis B42003004 izolován z Čínské marmot population17 byl identifikován jako kmen nejblíže předků uzlu Y. všechny, pestis běžně spojené s lidským morem, a tak může poskytnout klíčové informace o vývoji organismu. Kompletní srovnání genomu proti East Smithfield sekvence odhalila pouze osm single-nukleotidové rozdíly (Doplňující Tabulka 6c), z nichž šest výsledek v non-synonymem změny (Doplňující Tabulka 6d). Ačkoli tyto rozdíly pravděpodobně neovlivňují virulenci, vliv ztráty genu, genového zisku nebo genetických přeskupení,které jsou dobře zdokumentovány v y.pestis12, 18, je dosud neurčeno., Ve více nedávné evolučního hlediska, single-nukleotidové rozdíly v několika známých patogenita-související geny byly nalezeny mezi naše dávné genomu a CO92 referenční sekvence (Doplňující Tabulka 3), což může představovat další úpravy lidských hostitelů.,

Prostřednictvím obohacování DNA zachytit spolu s cílenou vysokou propustnost sekvenování DNA, zrekonstruovali jsme návrh genomu za to, co je pravděpodobně nejvíce zničující lidský patogen v historii, a ukázalo se, že středověké epidemie ze čtrnáctého století, byl pravděpodobně zodpovědný za jeho zavedení a široké distribuce v lidské populaci. To naznačuje, že patogen zapletený do Černé smrti má v jednadvacátém století blízké příbuzné, které jsou endemické i vznikající., Představování nových patogenů na populace jsou často spojovány se zvýšeným výskytem a závažností disease20 a i když mechanismy, kterými se řídí tento jev jsou complex21, genetické údaje z dávných infekčních onemocnění poskytne neocenitelné příspěvky k našemu pochopení hostitel–patogen coevolution. Černá Smrt je klíčový příklad rozvíjející se infekce, cestování po Evropě a prohlašovat životy odhadem 30 milionů lidí v pouze 5 let, což je mnohem rychlejší než současné sazby dýmějový mor nebo mor infection22 a dissemination7,8., Bez ohledu na to, i když žádné dochované Y. pestis kmen má stejný genetický profil jako naši dávní organismu, naše údaje naznačují, že několik změn ve známé virulence spojené s geny vznikly v organismu je 660 let evoluce jako lidský patogen, dále naznačuje, že její vnímaná zvýšená virulence v history23 nemusí být vzhledem k románu pevné bodové mutace detekovatelná prostřednictvím analytického přístupu je popsáno zde., Na naše současné řešení, budeme předpokládat, že molekulární změny v patogeny jsou ale jednou ze součástí konstelace faktorů, které přispívají k měnící se prevalence infekční nemoci a závažnosti, kde genetika hostitele population24, climate25, vektorové dynamics26, sociální podmínky27 a synergické interakce s souběžné diseases28 by měly být především v diskusích populace náchylnost na infekční onemocnění a hostitel–patogen vztahy s odkazem na infekce Y. pestis.

Napsat komentář Zrušit odpověď na komentář