Luonnos genomin Yersinia pestis uhreilta Black Death

Musta Kuolema 1347-1351, aiheuttanut bakteeri Yersinia pestis2,3, tarjoaa yhden parhaista historiallisia esimerkkejä kehittyvän infektion nopea levittäminen ja korkea kuolleisuus, väittäen arviolta 30-50 prosenttia Euroopan väestöstä vain viiden vuoden period4. Eroja epidemiologiset suuntaukset keskiaikainen tauti ja moderni Y. pestis-infektioita on syttynyt kiista pandemia on aetiologic agent5,6., Vaikka antiikin DNA-tutkimukset ovat vahvasti mukana Y. pestis2,3 antiikin pandemian, geneettiset muutokset bakteerin voi olla osittain vastuussa eroja taudin ilmeneminen ja vakavuus. Ymmärtää organismin kehitys on tarpeen luonnehtia geneettisen muutosten mukana sen muodonmuutoksen sylvaattinen taudinaiheuttaja voi pandemian ihmisen infektio asteikolla Musta surma, ja määrittää sen suhdetta tällä hetkellä käytössä kantoja., Tässä aloitamme tämän keskustelun esittelemällä ensimmäisen luonnoksen genomin sekvenssi antiikin taudinaiheuttaja.

Y. pestis on viime aikoina kehittynyt jälkeläinen, maaperä-asunnon bacillus Yersinia pseudotuberculosis7, jonka aikana sen kehitys on hankkinut kaksi uutta plasmidit (pMT1 ja pPCP1), joka antaa sille erikoistuneita mekanismeja tunkeutuu nisäkkäiden isännät. Tutkimaan mahdollisia evoluution muutoksia, yksi näistä plasmideja, me raportoitu seulonta 46 hampaat ja 53 luut Idästä Smithfield kokoelma Lontoo, Englanti läsnäolo Y., pestis-spesifinen pPCP1 (ref. 3). Historialliset tiedot osoittavat, että Itä-Smithfield hautausmaa perustettiin vuonna myöhään 1348 tai aikaisin 1349 erityisesti hautaus Musta Kuolema victims8 (Täydentävä Kuvioissa 1 ja 2), joten kokoelma sopii hyvin geneettisiä tutkimuksia antiikin Y. pestis. DNA-sekvenssi tiedot viisi hammasta kautta saatuja molekyylien kaapata koko Y. pestis-erityisiä pPCP1 paljasti C-T vaurioita kuvio ominaisuus aito endogeenisen antiikin DNA9, ja kokoonpano yhdistetty Illumina lukee sallittu jälleenrakentamiseen 98.68% 9.,6-kilobaasiplasmidi vähintään kaksiosaisessa peitteessä3.

arvioida soveltuvuutta capture-perustuvat menetelmät jälleenrakentamista täydellisin muinainen perimä, useita DNA-otteita sekä juuret ja kruunut, jotka johtuvat neljä viidestä hampaat joka tuotti eniten pPCP1 coverage3 käytettiin array-pohjainen rikastus (Agilent) ja myöhemmin korkea suoritusteho sekvensointi on Illumina GAII platform10. Poistaminen päällekkäisiä molekyylejä ja myöhemmin suodatus tuotti yhteensä 2,366,647 korkea laatu kromosomien lukee (Täydentävä Taulukko 1a, b) keskimääräinen fragmentti pituus 55.,53 emäsparia(täydentävä Kuva. 4), joka on tyypillistä muinaiselle DNA: lle. Kattavuus arviot tuottivat keskimäärin 28.2 lukee per sivusto kromosomi, ja 35.2 ja 31.2 varten pCD1 ja pMT1 plasmideja, vastaavasti (Kuva. 1a, c, d ja Täydentävä Taulukko 1b, c). PPCP1: n kattavuus oli ennustettavasti Alhainen (Kuva. 1e) koska plasmidille ominaisia luotaimia ei ollut mukana matriiseissa. Kattavuus korreloi GC-sisällön kanssa(täydentävä Kuva. 6), suuntaus aiemmin havaittu suuritehoinen sekvenssi data11., Kattavuus kunkin puolet kromosomi oli epätasainen johtuen eroista sekvensointi syvyys välillä kaksi paneelit, joiden 36.46 ja 22.41 keskimääräinen lukee per-sivusto taulukko 1 ja taulukko 2, vastaavasti. Vaikka suurempi syvyys osaltaan lisää keskimäärin lukee per sivusto, se ei ole lisätä yleistä kattavuutta, sekä taulukot, jotka kattavat 93.48% kohdennettuja alueilla vähintään onefold kattavuus (Täydentävä Taulukko 1b)., Tämä osoittaa, että meidän kaapata menettely onnistuneesti haettu malli molekyylien koko genomin alueilla saatavilla kautta tämä menetelmä, ja että syvempi sekvensointi ei aiheuttaisi ylimääräisiä tietoja CO92 mallin alueilla, jotka eivät kuulu meidän data set.

Kuva 1: Kattavuus tontteja genomin alueet sekvensoitiin.

Genomin arkkitehtuuri on tiedossa vaihdella laajalti joukossa säilynyt Y. pestis strains12. Ekstrapoloida geeni, jotta meidän antiikin genomin, analysoimme lukee yhdistäminen CO92 viittaus kaikki otteet, jotka johtuvat yhden henkilön, joka tuotti eniten kattavuus (yksittäisten 8291). Vaikka lyhyen lukenut pituus meidän antiikin sekvenssit ja erittäin toistuvia Y. pestis genomin, 2,221 contigs matching CO92 poimittiin, joka käsittää yhteensä 4,367,867 bp., Tunnistaa mahdolliset alueet muinaisen perimän, jotka ovat arkkitehtonisesti erillään CO92, kaikki lukee ei yhdistäminen CO92 viite olivat puolestaan harkita contig rakentaminen. Suodatuksen jälkeen vähintään pituus 500 bp, 2,134 contigs pysyi käsittää 4,013,009 bp, joka 30,959 johtui unmapped lukee. Perinteiset BLAST-haku kyselyitä vastaan CO92 genomin tunnistaa ottelut 2,105 contigs. Näyttöä arkkitehtuurin muuttumisesta havaittiin 10 contigissa (Lisätaulukko 2). Esimerkki tällaisesta rakenteellisesta muunnoksesta esitetään kuvassa., 2, jossa referenssiohjattu kokoonpano sisältää rajaamaton lukee span breakpoint validoi sen rekonstruktio. Tämä erityinen geneettinen suunta on löytynyt vain Y. pseudotuberculosis ja Y. pestis kantoja Mictrotus 91001, Angola, Pestoides F ja B42003004, jotka ovat esi-kaikki Y. pestis liittyy yleisesti ihmisen infektioita (haara 1 haara 2 strains13,14). Lisäksi eroja järjestely tämä alue haara 1 haara 2 moderni Y. pestis kannat osoittavat, että uudelleenjärjestelyt tapahtui erillisinä tapahtumia eri suvusta.,

Kuva 2: Linjaus kartoitettu rekonstruoitu contigs vastaan CO92 ja Microtus genomit.

Yhden nukleotidin eroja meidän antiikin genomin ja CO92 viite yllättävän koostui vain 97 kromosomaaliset kannat, ja 2 ja 4 asemaa pCD1 ja pMT1 plasmideja, vastaavasti (Täydentävä Taulukko 3), mikä osoittaa, tiukka geneettisen suojelun tämä organismi viime 660 vuotta. Kaksikymmentäseitsemän näistä kannoista oli ilmoittamatta aiemmassa analyysissä, joka koski extant Y: tä., pestis diversity14 (Täydentävät Taulukot 3 ja 4). Vertailu meidän antiikin genomin sen esi Y. pseudotuberculosis kävi ilmi, että keskiaikaisen sekvenssin sisälsi esi nukleotidin kaikille 97 kantoja, mikä osoittaa, että se ei ole mitään johdettu kantojen puuttuu muista Y. pestis kantoja. Kaksi aiemmin todettu kromosomi-differences3 eivät ole läsnä meidän genomisekvenssin tiedot, mikä viittaa siihen, että he luultavasti peräisin deaminated cytosines, että olisi ollut poistaa nykyisen tutkimuksen kautta urasiili-DNA-glycosylase hoito ennen valikoimaan ottamista.,

paikka meidän antiikin genomin vuonna fylogeneettiseen yhteydessä, me tunnettu kaikki 1,694 aiemmin tunnistettu phylogenetically informatiivinen positions14 (Täydentävä Taulukko 4), ja verrattuna ne meidän antiikin organismin vastaan yhteenlaskettu pohja puhelun tiedot 17 julkisesti saatavilla Y. pestis genomit ja esi Y. pseudotuberculosis. Kun tarkastellaan erikseen, kolmen uhrin sekvenssit putoavat vain kaksi substituutiota kaikkien olemassa olevien ihmisten patogeenisten Y. pestis-kantojen juuresta(Kuva. 3a), ja ne osoittavat läheisemmän suhteen haaraan 1 Y., pestis kuin haara 2; kuitenkin, yksi neljä uhria (yksittäisten 6330) on saanut tartunnan kanssa kanta, joka sisälsi kolme ylimääräistä johdettu kantojen nähnyt kaikissa muissa haara 1 genomes14. Tämä viittaa joko läsnäolo useita kantoja Lontoon 1348-1350 pandemian tai microevolutionary muutokset kertyvät yksi kanta, joka on tiedetään esiintyvän taudin outbreaks15. Y: lle lisätukea., pestis microevolution on merkitty läsnäolo useita kantoja, joista järjestyksessä tiedot yksilöstä näkyy kaksi eri nukleotidien vertailukelpoisilla taajuudet (Täydentävä Taulukko 5). Kanta 2896636, esimerkiksi, on tunnettu monimuotoinen asema säilynyt Y. pestis populations14, ja tämä asema näyttää kiinteä johdettu valtion yksi henkilö (6330) ja monimuotoinen valtio toisessa (yksittäisten 8291) vähintään viisinkertaiseksi kattavuus (Supplementary Fig. 7). Tämä on merkittävä esimerkki mikroevoluutiosta, joka on pyydystetty historiallisen pandemian aikana., Loput varianssi kannat ovat ennallaan 18 säilynyt Yersinia genomit, näin ollen ne voivat olla ainutlaatuinen antiikin organismin ja ovat siis edelleen kiinnostusta. Lisänäytteenotto antiikin genomien auttaa määritettäessä taajuus nämä mutaatiot co-kiertävä Y. pestis kantoja, ja selventää syntymistä haara 2 kantoja, jotka ovat vielä ilmoittamatta antiikin näytteitä.

Kuva 3: Fylogeneettinen sijoitus ja historiallinen tausta Itä-Smithfield rasitusta.,

Johdonmukainen puu topologioita on tuotettu käyttäen useita valmistusmenetelmiä ja kaikki suuret solmut tukivat posterior todennäköisyys (s) arvot >0.96 ja bootstrap-arvot >90 (Fig. 3b ja täydentävät viikunat 8 ja 9). Puut paikka Itä-Smithfield järjestyksessä lähellä esi solmun kaikkien säilynyt ihmisen patogeenisten Y. pestis kantoja (vain kaksi eroja 1,694 kannat) ja juuressa haara 1 (Fig. 3 B)., Turvallinen päivämäärä Itä-Smithfield sivuston 1348-1350 antoi meille mahdollisuuden määrittää kärki kalibrointi antiikin järjestyksessä ja siten, jona eroja aikaan moderni genomit ja Itä-Smithfield genomin käyttäen Bayesilaista lähestymistapaa. Ajalliset arviot osoittavat, että kaikki Y., pestis liittyy yleisesti ihmisen infektio oli yhteinen esi-isä joskus välillä 668 ja 729 vuotta sitten (ad 1282-1343, 95% suurin todennäköisyys tiheys, HPD), joka kattaa paljon pienempi aikaväli kuin äskettäin julkaistu estimates14 ja lisäksi osoittaa, että kaikki tällä hetkellä kiertävä haara 1 haara 2-isolaatteja syntyi aikana kolmastoista luvulla aikaisintaan (Fig. 3b), joka on mahdollisesti peräisin Itäaasialaisesta lähteestä, kuten aiemmin on esitetty14., Tämä merkitsee sitä, että keskiaikainen kulkutauti oli tärkein historiallinen tapahtuma, joka esitteli ihmisen kansojen kantaisä kaikkien tunnettujen patogeenisten kantojen Y. pestis. Tämä lisäkysymyksiä etiologia kuudes-kahdeksas luvulla Justinianuksen Rutto, kansanomaisesti olettaa johtaneen samasta taudinaiheuttajasta: meidän ajallisia arvioita tarkoita sitä, että pandemia oli joko aiheuttanut Y. pestis muunnos, joka poikkeaa kaikista tällä hetkellä käytössä kantoja yleisesti liittyy ihmisen infektioita, tai se oli toinen sairaus kokonaan.

vaikka lähestymistapamme käyttää extant Y: tä., pestis viite malli syötti muotoilu estää kykyämme tunnistaa genomin alueilla, joilla voi olla ollut läsnä antiikin organismin ja sittemmin hävisi CO92, genomien vertailu meidän antiikin järjestyksessä vastaan sen lähin outgroups voi tuottaa arvokkaita oivalluksia Y. pestis kehitys. Se Microtus 91001 kanta on lähin haara 1 haara 2 suhteellinen vahvistettu olevan ei-patogeeniset humans16, joten geneettisiä muutoksia voi edustaa maksut taudinaiheuttaja on sopeutumista ihmisen isäntä., Vertailuja vastaan outgroup paljasti 113 muutokset (Täydentävä Taulukko 6a, b), joista monet ovat löytäneet geenit, jotka vaikuttavat virulenssiin liittyviä toimintoja, kuten biofilmin muodostumista (hmsT), rauta-hankinta (iucD) tai sopeutumista solunsisäinen ympäristö (phoP). Samoin, vaikka sen virulenssi mahdollisuudet ihmisillä on vielä vahvistettu meidän tietoa, Y. pestis B42003004 eristetty Kiinan marmot population17 on tunnistettu kanta lähimpänä esi-solmu, kaikki Y., pestis liittyy yleisesti ihmisen ruttoon, ja se voi siten antaa tärkeitä tietoja organismin kehityksestä. Koko genomin vertailu vastaan Itä-Smithfield järjestyksessä paljasti vain kahdeksan yhden nukleotidin eroja (Täydentävä Taulukko 6c), kuusi, joka johtaa ei-synonyymi muutokset (Täydentävä Taulukko 6d). Vaikka nämä erot eivät todennäköisesti vaikuta virulenssi, vaikutus geeni menetys, geeni voitto tai geneettinen uudelleenjärjestelyt, jotka kaikki ovat hyvin dokumentoitu Y. pestis12,18, on vielä määrittelemätön., Viime evoluution kannalta, yhden nukleotidin eroja useita tunnettuja patogeenisuus-liittyvät geenit löydettiin välillä antiikin genomin ja CO92 viittaus järjestyksessä (Täydentävä Taulukko 3), joka voi edustaa edelleen mukautukset ihmisten isännät.,

Kautta rikastamiseen DNA kaapata yhdistettynä kohdennettuja suurikapasiteettisten DNA: n sekvensointi, meillä on rekonstruoitu luonnos genomin, mikä on luultavasti kaikkein tuhoisa ihmisen taudinaiheuttaja historiassa, ja kävi ilmi, että keskiajan ruton neljästoista luvulla oli todennäköisesti vastuussa sen käyttöönotto ja laaja jakelu ihmisen väestön. Tämä osoittaa, että mustaan kuolemaan liittyneellä taudinaiheuttajalla on 2000-luvulla lähisukulaisia, jotka ovat sekä endeemisiä että emergoivia.19, Esittelyt uusia taudinaiheuttajia populaatiot ovat usein liittyy lisääntynyt esiintyvyys ja vakavuus disease20 ja vaikka säätelevien mekanismien tämä ilmiö on complex21, geneettiset tiedot muinaisista tartuntatautien saadaan arvokasta maksut kohti ymmärrystä isäntä–patogeeni coevolution. Black Death on uraauurtava esimerkki syntymässä infektio, matkustamista eri puolilla Eurooppaa ja väittäen asuu arviolta 30 miljoonaa ihmistä vain 5 vuotta, joka on paljon nopeampi kuin nykyajan hinnat vaikutuksesta tai pneumoninen rutto infection22 ja dissemination7,8., Riippumatta siitä, vaikka ei ole säilynyt Y. pestis kanta on sama geneettinen profiili kuin meidän antiikin organismi, meidän tiedot viittaavat siihen, että joitakin muutoksia tiedossa virulenssi-liittyvät geenit ovat kertyneet elimistössä on 660 vuotta evoluution ihmisen patogeeni, edelleen viittaa siihen, että sen koetaan lisääntynyt virulenssi vuonna history23 voi johtua romaani kiinteä pistemutaatioita havaittavissa kautta analyyttinen lähestymistapa on kuvattu täällä., Meidän nykyinen resoluutio, voimme päätellä, että molekyylitason muutoksia taudinaiheuttajat ovat kuitenkin vain yksi osa tähdistö tekijöistä muuttuvat tarttuvan taudin yleisyys ja vakavuus, missä genetiikan isäntä population24, climate25, vektori dynamics26, sosiaalinen conditions27 ja yhteisvaikutukset yhteisvaikutuksia samanaikaisesti diseases28 pitäisi olla ennen kaikkea keskusteluissa väestön alttius tartuntatautien ja isäntä–patogeeni suhteita viittaus Y. pestis-infektioita.

Vastaa Peruuta vastaus