Et utkast genom av Yersinia pestis fra ofrene av den Svarte Død | Natur

Den Svarte Død 1347-1351, forårsaket av bakterien Yersinia pestis2,3, gir en av de beste historiske eksempler på en ny infeksjon med rask spredning og høy dødelighet, hevder anslagsvis 30-50% av den Europeiske befolkningen i bare en fem-års period4. Avvik i epidemiologiske trender mellom den middelalderske sykdom og moderne Y. pestis infeksjoner har antent uenighet om pandemi aetiologic agent5,6., Selv om gamle DNA-undersøkelser har sterkt innblandet Y. pestis2,3 i den gamle pandemi, genetiske endringer i bakterien kan være delvis ansvarlig for forskjeller i sykdom manifestasjon og alvorlighetsgrad. For å forstå organismens utvikling er det nødvendig å karakterisere genetiske endringer som er involvert i sin transformasjon fra en sylvatic organismen til en i stand til pandemi smitte til menneske på omfanget av den Svarte Død, og til å bestemme sitt forhold med for tiden sirkulerer stammer., Her kan vi begynne denne diskusjonen ved å presentere den første utkast genome sequence av den gamle patogen.

Y. pestis er en nylig utviklet seg etterkommer av jord-bolig bacillus Yersinia pseudotuberculosis7, som i løpet av evolusjonen har ervervet ytterligere to plasmider (pMT1 og pPCP1) som gir den spesialiserte mekanismer for å infiltrere pattedyr, allhers gud. For å undersøke potensielle evolusjonære endringer i en av disse plasmidene, vi rapporterte om screening av 46 tenner og 53 bein fra Øst-Smithfield samling av London, England for tilstedeværelse av Y., pestis-spesifikke pPCP1 (ref. 3). Historiske data tyder på at Øst-Smithfield gravfeltet ble etablert i slutten av 1348 eller tidlig 1349 spesielt for apparatet av svartedauden victims8 (Supplerende Fiken 1 og 2), noe som gjør samling godt egnet for genetiske undersøkelser av gamle Y. pestis. DNA sequence data for fem tenner innhentet via molekylære fangst av full Y. pestis-spesifikke pPCP1 åpenbart en C T skade karakteristisk mønster av autentiske endogene gamle DNA9, og monteringen av den sammenslåtte Illumina leser tillatt gjenoppbyggingen av 98.68% av 9.,6-kilobase plasmider på et minimum av todelt coverage3.

for Å vurdere egnetheten av fangst-baserte metoder for å rekonstruere den komplette gamle genom, flere DNA-ekstrakter fra både røtter og kroner som stammer fra fire av de fem tenner som gir den høyeste pPCP1 coverage3 ble brukt for array-basert berikelse (Agilent) og påfølgende høy gjennomstrømning sekvensering på Illumina GAII platform10. Fjerning av dupliserte molekyler og påfølgende filtrering produsert av en total av 2,366,647 høy kvalitet kromosomale leser (Supplerende Tabell 1a, b) med en gjennomsnittlig fragment lengde på 55.,53 base-par (Supplerende Fig. 4), som er typisk for gammelt DNA. Dekning estimater ga et gjennomsnitt på 28.2 leser per stedet for kromosomet, og 35.2 og 31,2 for pCD1 og pMT1 plasmider, henholdsvis (Fig. 1a, c, d og Supplerende Tabell 1b, c). Dekningen var forutsigbart lave for pPCP1 (Fig. 1e) fordi prober som er spesifikke for dette plasmider ble ikke tatt med på matriser. Dekning korrelert med GC-innhold (Supplerende Fig. 6), en trend som tidligere er observert for høy gjennomstrømning sekvens data11., Dekning på hver halvdel av kromosom var ujevn på grunn av forskjeller i sekvensering dybde mellom de to matriser, med 36.46 og 22.41 gjennomsnittlig leser per stedet for utvalg 1 og utvalg 2, henholdsvis. Selv om større dybde bidratt til mer gjennomsnittlig leser per side, det gjorde ikke øke det samlede dekning, med begge systemene som dekker 93.48% av den målrettede områder på et minimum av onefold dekning (Supplerende Tabell 1b)., Dette indikerer at vår fange prosedyren for å lykkes hentet mal molekyler fra alle genom regioner som er tilgjengelig via denne metoden, og at dypere sekvensering ikke ville resultere i ytterligere data for CO92 mal områder som ikke er dekket i vårt datasett.

Figur 1: Dekning tomter for genomisk regioner sekvensert.

Genom arkitektur er kjent for å variere mye blant bevart Y. pestis strains12. Å ekstrapolere genet for i vår gamle genom, har vi analysert leser mapping til CO92 referanse for alle ekstrakter som stammer fra en enkelt person som ga høyest dekning (individuelle 8291). Til tross for den korte les lengde av våre gamle sekvenser og svært repeterende av Y. pestis genom, 2,221 contigs matchende CO92 ble pakket ut, som bestr av en total av 4,367,867 bp., For å identifisere potensielle områder av den gamle genom som er arkitektonisk forskjellig fra CO92, leser ikke mapping til CO92 referanse ble i sin tur anses for contig konstruksjon. Etter filtrering for en minimum lengde på 500 bp, 2,134 contigs forble bestående av 4,013,009 bp, som 30,959 stammet fra tilordnet leser. Konvensjonelle BLAST søk spørres mot CO92 genom identifisert kamper for 2,105 contigs. Bevis av endret arkitektur ble identifisert i 10 contigs (Supplerende Tabell 2). Et eksempel på en slik strukturell variant er vist i Fig., 2, hvor referanse-guidet forsamlingen å innlemme tilordnet leser span stoppunkt validerer sin rekonstruksjon. Dette bestemte genetiske orientering er funnet bare i Y. pseudotuberculosis og Y. pestis stammer Mictrotus 91001, Angola, Pestoides F og B42003004, som er forfedre til alle Y. pestis ofte forbundet med menneskelige infeksjoner (gren 1 og gren 2 strains13,14). Videre avvik i arrangement av denne regionen i grenen 1 og gren 2 moderne Y. pestis stammer tyder på at rearrangements oppstått som separate hendelser på forskjellige linjene.,

Figur 2: Justering av kartlagt rekonstruert contigs mot CO92 og Microtus genomer.

Enkelt-nukleotid forskjeller mellom våre gamle genom og CO92 referanse overraskende besto av bare 97 kromosomale stillinger, og 2 og 4 posisjoner i pCD1 og pMT1 plasmider, henholdsvis (Supplerende Tabell 3), som angir stramt genetisk bevaring i denne organismen i løpet av de siste 660 år. Tjue-sju av disse stillingene ble rapportert i en tidligere analyse av bevarte Y., pestis diversity14 (Supplerende Tabellene 3 og 4). Sammenligning av våre gamle genom til sin stamfar Y. pseudotuberculosis åpenbart at den middelalderske sekvensen inneholder forfedres nukleotid for alle 97 posisjoner, noe som indikerer at det ikke har noen avledet stillinger fraværende i andre Y. pestis stammer. To tidligere rapportert kromosomale differences3 var ikke til stede i vårt genom sekvens av data, noe som tyder på at de sannsynligvis avledet fra deaminated cytosines som ville ha blitt fjernet i den aktuelle undersøkelsen via uracil-DNA glycosylase behandling før array fange.,

til Å plassere våre gamle genom i et fylogenetisk sammenhengen er vi preget alle 1,694 tidligere identifisert phylogenetically informativ positions14 (Supplerende Tabell 4), og sammenlignet med de fra våre gamle organismen mot samlede base samtale data for 17 offentlig tilgjengelig Y. pestis genomer og forfedrenes Y. pseudotuberculosis. Når de betraktes separat, sekvenser fra tre av de fire ofrene fall bare to erstatninger fra roten av alle bevarte menneskelige patogene Y. pestis stammer (Fig. 3a), og de viser et nærmere forhold til gren 1 Y., pestis enn å branch 2; imidlertid, en av de fire ofrene (individuelle 6330) var infisert med en belastning som inneholdt tre ekstra avledet stillinger sett i alle andre grenen 1 genomes14. Dette tyder enten tilstedeværelsen av flere stammer i London 1348-1350 pandemi eller microevolutionary endringer påløpt i en sil, som er kjent for å oppstå i sykdom outbreaks15. Ekstra støtte for Y., pestis microevolution er indikert ved tilstedeværelse av flere variant posisjoner som sekvens av data fra ett individ viser to ulike nukleotider på sammenlignbare frekvenser (Supplerende Tabell 5). Posisjon 2896636, for eksempel, er en kjent polymorf posisjon i bevarte Y. pestis populations14, og denne posisjonen viser den faste avledet staten i ett individ (6330) og polymorfe staten i en annen (individuelle 8291) på minimum femdelte dekning (Supplerende Fig. 7). Dette gir et bemerkelsesverdig eksempel på microevolution fanget i en historisk pandemi., De resterende avvik stillinger er uendret i 18 bevart Yersinia genomer, og dermed kan de være unike for den gamle organismen og er derfor av videre interesse. Ytterligere prøvetaking av gamle genomer vil hjelpe deg med å bestemme frekvensen av disse mutasjonene i co-sirkulerer Y. pestis stammer, og vil avklare fremveksten av grenen 2 stammer som er så langt rapportert i gamle prøver.

Figur 3: Fylogenetisk plassering og historiske konteksten for Øst-Smithfield belastning.,

Konsistent treet topologier ble produsert ved hjelp av flere byggemetoder og alle viktige noder ble støttet av posterior sannsynlighet (pp) verdier av >0.96 og bootstrap-verdier >90 (Fig. 3b og Supplerende Fiken 8 og 9). Trærne sted Øst-Smithfield-sekvensen nær den gamle node av alle bevarte menneskelige patogene Y. pestis stammer (bare to forskjeller i 1,694 stillinger) og ved foten av grenen 1 (Fig. 3b)., En sikker dato for Øst-Smithfield-området i 1348-1350 tillatt oss å tilordne et tips kalibrering til den gamle rekkefølge, og dermed dato divergens tidspunktet for den moderne genomer og Øst-Smithfield genom ved hjelp av en Bayesiansk tilnærming. Temporal estimater tyder på at alle Y., pestis ofte knyttet til menneske-smitte delte en felles stamfar en gang mellom 668 og 729 år siden (ad 1282-1343, 95% høyeste sannsynlighet tetthet, HPD), og omfatter et mye mindre tidsintervall enn nylig publisert estimates14 og videre indikerer at alle nå sirkulerer gren 1 og gren 2 isolater dukket opp i løpet av det trettende århundre tidligst (Fig. 3b), potensielt stammer fra en Øst-Asiatisk kilde som tidligere har vært suggested14., Dette innebærer at den middelalderske pesten var den viktigste historiske hendelsen som introduserte menneskelige populasjoner å stamfar til alle kjente patogene stammer av Y. pestis. Dette ytterligere spørsmål etiologi av sjette til åttende århundre Pesten av Justinian, populært antatt å ha resultert fra samme patogen: vår timelige estimater antyder at pandemien var enten forårsaket av Y. pestis-variant som er forskjellig fra alle for tiden sirkulerer stammer ofte forbundet med menneskelige infeksjoner, eller det var en annen sykdommen helt.

Selv om vår tilnærming for å bruke et bevis for Y., pestis referanse mal for agn design utelukker vår evne til å identifisere genom regioner som kan ha vært tilstede i den gamle organismen og ble senere tapt i CO92, gjennom sammenligninger av våre gamle sekvens mot sine nærmeste outgroups kan gi verdifull innsikt i Y. pestis evolusjon. Den Microtus 91001 belastning er det nærmeste gren 1 og gren 2 relativ bekreftet å være ikke-patogene å humans16, derav genetiske endringer kan representere bidrag til patogen er tilpasning til et menneske vert., Sammenligninger mot dette outgroup avslørt 113 endringer (Supplerende Tabell 6a, b), og mange av dem er funnet i gener som påvirker virulence-tilknyttede funksjoner som dannelsen av biofilm (hmsT), jern-kjøp (iucD) eller tilpasning til den intracellulære miljø (phoP). På samme måte, selv om det virulence potensialet i mennesker har ennå ikke bekreftet til vår kunnskap, Y. pestis B42003004 isolert fra en Kinesisk murmeldyr population17 har blitt identifisert som den belastning som er nærmest til forfedrenes node av alle Y., pestis ofte forbundet med menneskelige plager, og dermed kan gi viktig informasjon om organismens utvikling. Full genome sammenligning mot Øst Smithfield sekvensen vises kun åtte enkelt-nukleotid forskjeller (Supplerende Tabell 6c), hvorav seks resultere i ikke-synonymt endringer (Supplerende Tabell 6d). Selv om disse forskjellene er sannsynligvis ikke påvirke virulence, påvirkning av genet tap, gene gevinst eller genetiske rearrangements, som alle er godt dokumentert i Y. pestis12,18, er ennå ikke fastslått., I nyere evolusjonære termer, enkelt-nukleotid forskjeller i flere kjente pathogenicity-forbundet gener ble funnet mellom våre gamle genom og CO92 referanse sekvens (Supplerende Tabell 3), som kan representere ytterligere tilpasninger til human-verter.,

Gjennom berikelse av DNA-capture kombinert med målrettet høy gjennomstrømning DNA-sekvensering, vi har rekonstruert et utkast genom for det er uten tvil den mest ødeleggende human patogen i historien, og avslørte at den middelalderske plagen av det fjortende århundre var trolig ansvarlig for dens introduksjon og bred distribusjon i menneskelige populasjoner. Dette indikerer at patogen innblandet i den Svarte Død har nære slektninger i det tjueførste århundre som er både lokale og emerging19., Introduksjon av nye smittestoffer å bestander er ofte forbundet med økt insidens og alvorlighetsgrad av disease20 og selv om de mekanismer som styrer dette fenomenet er complex21, genetiske data fra gamle smittsomme sykdommer vil gi uvurderlig bidrag til vår forståelse av vert–patogen coevolution. Den Svarte Død er et banebrytende eksempel på en ny infeksjon, reiser på tvers av Europa og hevde livet av anslagsvis 30 millioner mennesker i bare 5 år, noe som er mye raskere enn moderne priser på bubonic eller pneumonic pesten infection22 og dissemination7,8., Uansett, selv om ingen bevis for Y. pestis belastning har samme genetiske profilen som våre gamle organisme, våre data tyder på at noen endringer i kjent virulence-forbundet gener som har påløpt i organismens 660 år av evolusjon som et humant patogen, videre noe som tyder på at dens oppfattet økt virulence i history23 kan ikke være på grunn av romanen fast punkt mutasjoner påvises via den analytiske tilnærmingen som er beskrevet her., På vårt nåværende oppløsning, vi posit at molekylære endringer i patogener er, men en komponent av en konstellasjon av faktorer som bidrar til å endre smittsom sykdom prevalens og alvorlighetsgrad, hvor genetikk av verten population24, climate25, vektor dynamics26, sosiale conditions27 og synergistiske samspillet med samtidige diseases28 skal være fremst i diskusjoner av befolkningen mottakelighet for smittsomme sykdommer og vert–patogen relasjoner med referanse til Y. pestis infeksjoner.

Legg igjen en kommentar Avbryt svar