Proiectul genomului de Yersinia pestis din victimele de Moartea Neagră | Natura

Moartea Neagră de 1347-1351, cauzata de bacteria Yersinia pestis2,3, oferă una dintre cele mai bune exemple istorice de o nouă infecție cu diseminarea rapidă și o mortalitate ridicată, susținând un număr estimat de 30-50% din populația Europeană în numai cinci ani period4. Discrepanțele în tendințele epidemiologice dintre boala Medievală și infecțiile moderne cu Y. pestis au stârnit controverse asupra agentului etiologic al pandemiei5,6., Deși investigațiile ADN antice au implicat puternic Y. pestis2, 3 în pandemia antică, modificările genetice ale bacteriei pot fi parțial responsabile pentru diferențele de manifestare și severitate a bolii. Pentru a înțelege evoluția organismului, este necesar să se caracterizeze modificările genetice implicate în transformarea sa de la un agent patogen sylvatic la unul capabil de infecție umană pandemică pe scara morții Negre și să se determine relația sa cu tulpinile care circulă în prezent., Aici începem această discuție prin prezentarea primului proiect de secvență a genomului agentului patogen antic.

Y. pestis este un recent evoluat descendent al sol-locuință bacilul Yersinia pseudotuberculosis7, care, în cursul evoluției sale dobândite în alte două plasmide (pMT1 și pPCP1) care furnizează mecanisme specializate pentru infiltrarea mamifere gazde. Pentru a investiga potențialele modificări evolutive ale uneia dintre aceste plasmide, am raportat examinarea a 46 de dinți și 53 de oase din colecția East Smithfield din Londra, Anglia pentru prezența Y., ppcp1 specific pestis (ref. 3). Datele istorice arată că la East Smithfield cimitir a fost înființată la sfârșitul 1348 sau la începutul 1349 special pentru înhumare de Moartea Neagră victims8 (Suplimentare Smochine 1 și 2), ceea ce face colectarea bine-potrivite pentru investigații genetice de vechi Y. pestis. Secvență de ADN-ul de date pentru cinci dinți obținute prin moleculară de captare din plin Y. pestis specifice pPCP1 a relevat o C a T daune model caracteristic de autentic endogene vechi DNA9, și de asamblare a reunite Illuminati citește permis reconstrucția 98.68% din 9.,Plasmidă de 6-kilobază la minimum o acoperire dublă3.

Pentru a evalua caracterul adecvat al captura pe bază de metode pentru reconstrucția completă vechi genom, mai multe ADN extrase din ambele rădăcini și coroane care decurg din patru dintre cele cinci dinți care a adus cea mai mare pPCP1 coverage3 au fost folosite pentru matrice pe bază de îmbogățire (Agilent) și, ulterior, high-throughput secvențiere pe Illuminati ÎNDRĂZNEALA platform10. Îndepărtarea moleculelor duplicate și filtrarea ulterioară au produs un total de 2.366.647 citiri cromozomiale de înaltă calitate (tabelul suplimentar 1A, b) cu o lungime medie a fragmentului de 55.,53 perechi de baze (suplimentar Fig. 4), care este tipic pentru ADN-ul antic. Acoperire estimări a dat o medie de 28,2 citește pe site-ul de cromozom, și 35.2 și 31.2 pentru pCD1 și pMT1 plasmide, respectiv (Fig. 1a, c, d și tabelul suplimentar 1b, c). Acoperirea a fost previzibil scăzută pentru pPCP1 (Fig. 1E) deoarece sondele specifice acestei plasmide nu au fost incluse pe matrice. Acoperire corelată cu conținutul de GC (Fig. 6), o tendință observată anterior pentru data11 secvență de mare debit., Acoperirea pe fiecare jumătate a cromozomului a fost inegală datorită diferențelor de adâncime de secvențiere între cele două matrice, cu 36.46 și 22.41 citiri medii pe site pentru array 1 și array 2, respectiv. Deși mai mare profunzime a contribuit la mai multe medii citește pe site-ul, nu crește de acoperire globală, cu ambele tablouri acoperă 93.48% din regiunile vizate la un minim de onefold acoperire (Tabel Suplimentar 1b)., Aceasta indică faptul că ne procedură de captare preluate cu succes șablon de molecule din regiuni genomice accesibil prin această metodă, și că mai adânc secvențiere nu ar duce la costuri suplimentare de date pentru CO92 șablon regiuni care nu sunt cuprinse în setul nostru de date.

Figura 1: Parcele de acoperire pentru regiunile genomice secvențiate.

Genomul arhitectura este cunoscut variază pe scară largă în rândul existente Y. pestis strains12. Pentru a extrapola gene scopul nostru vechi genom, am analizat citește cartografiere la CO92 de referință pentru toate extracte provenite de la un singur individ care a dat cea mai mare acoperire (individuale 8291). În ciuda scurt citit lungimea noastre vechi secvențe și extrem de caracterul repetitiv al Y. pestis genomului, 2,221 de contig-uri de potrivire CO92-au extras, cuprinzând un total de 4,367,867 bp., Pentru a identifica potențiale regiuni de vechi genom, care sunt distincte din punct de vedere arhitectural din CO92, tot nu citește cartografiere la CO92 de referință au fost, la rândul său considerat de contig de construcție. După filtrare pentru o lungime minimă de 500 bp, 2,134 de contig-uri rămas cuprinde 4,013,009 bp, din care 30,959 provenit din unmapped citește. Căutarea convențională a exploziei a fost interogată împotriva genomului CO92 identificat pentru 2,105 contigs. Dovezi ale arhitecturii modificate au fost identificate în 10 contigs (tabelul suplimentar 2). Un exemplu de astfel de variantă structurală este prezentat în Fig., 2, în cazul în care ansamblul ghidat de referință care încorporează citirile nemapate pentru a acoperi punctul de întrerupere validează reconstrucția acestuia. Acest genetice specifice de orientare este de găsit numai în Y. pseudotuberculosis și Y. pestis tulpini Mictrotus 91001, Angola, Pestoides F și B42003004, care sunt de rudenie la toate Y. pestis frecvent asociate cu infectii umane (ramura 1 și ramura 2 strains13,14). Mai mult, discrepanțele în aranjarea acestei regiuni în ramurile 1 și 2 tulpini moderne de Y. pestis indică faptul că rearanjările au avut loc ca evenimente separate pe diferite linii.,

Figura 2: Alinierea mapate reconstruit de contig-uri împotriva CO92 și Microtus genomuri.

Single-nucleotide diferențe între vechi genom și CO92 de referință surprinzător constat doar 97 cromozomiale poziții, iar 2 și 4 poziții în pCD1 și pMT1 plasmide, respectiv (Tabel Suplimentar 3), indicând strâns conservare genetică în acest organism în ultimii 660 de ani. Douăzeci și șapte dintre aceste poziții au fost neraportate într-o analiză anterioară a y existent., pestis diversitate14 (tabelele suplimentare 3 și 4). Comparația genomului nostru antic cu strămoșul său Y. pseudotuberculosis a arătat că secvența medievală conținea nucleotida ancestrală pentru toate cele 97 de poziții, indicând faptul că nu posedă nicio poziție derivată absentă în alte tulpini Y. pestis. Doi raportate anterior cromozomiale differences3 nu au fost prezente în nostru genomice secvență de date, ceea ce sugerează că, probabil, derivate din deaminated cytosines că ar fi fost eliminat în ancheta actuală, prin intermediul ADN-uracil-glycosylase tratament înainte de matrice de captare.,

La locul nostru vechi genom într-un filogenetic context, ne caracterizează toate 1,694 identificate anterior filogenetic informativ positions14 (Tabel Suplimentar 4), și comparativ cu cei de la noastre vechi organismului împotriva agregate baza datelor apel pentru 17 la dispoziția publicului Y. pestis genomuri și ancestral Y. pseudotuberculosis. Când sunt luate în considerare separat, secvențele de la trei dintre cele patru victime cad doar două substituții de la rădăcina tuturor tulpinilor patogene umane existente Y. pestis (Fig. 3a), și arată o relație mai strânsă cu ramura 1 Y., pestis decât să ramura 2; cu toate acestea, una dintre cele patru victime (individuale 6330) a fost infectat cu o tulpina care conținea trei suplimentare derivate poziții văzut în toate celelalte filiala 1 genomes14. Acest lucru sugerează prezența mai multor tulpini în Londra 1348-1350 pandemie sau microevolutionary modificări provenite de la o singură tulpină, care este cunoscut să apară în boala outbreaks15. Suport suplimentar pentru Y., microevoluția pestis este indicată de prezența mai multor poziții variante pentru care datele de secvență de la un individ prezintă două nucleotide diferite la frecvențe comparabile (tabelul suplimentar 5). Poziția 2896636, de exemplu, este un cunoscut polimorfă poziția în existente Y. pestis populations14, și această poziție arată fix derivate de stat într-un singur individ (6330) și polimorfe de stat în altul (individuale 8291) cel puțin cinci ori mai mare acoperire (Suplimentare Fig. 7). Aceasta oferă un exemplu remarcabil de microevoluție capturat în timpul unei pandemii istorice., Pozițiile de variație rămase sunt neschimbate în cele 18 genomuri Yersinia existente, astfel încât acestea pot fi unice pentru organismul antic și sunt, prin urmare, de interes suplimentar. Eșantionarea suplimentară a genomilor antici va ajuta la determinarea frecvenței acestor mutații în tulpinile co-circulante Y. pestis și va clarifica apariția tulpinilor din ramura 2 care nu sunt încă raportate în probele antice.

Figura 3: plasarea filogenetică și contextul istoric pentru tulpina East Smithfield.,

în Concordanță copac topologii au fost produse folosind mai multe metode de construcție și toate marile noduri au fost susținute de către posterior probabilitate (pp) valorile >0.96 și valorile bootstrap >90 (Fig. 3b și figurile suplimentare 8 și 9). Arborii plasează secvența Smithfield de Est aproape de nodul ancestral al tuturor tulpinilor patogene umane existente Y. pestis (doar două diferențe în pozițiile 1,694) și la baza ramurii 1 (Fig. 3b)., O sigură dată pentru East Smithfield-ul din 1348-1350 ne-a permis pentru a atribui un sfat de calibrare antice secvență și, astfel, data de divergență timp moderne de genomuri și East Smithfield genomului folosind o abordare Bayesiană. Estimările temporale indică faptul că toate Y., pestis frecvent asociate cu infecția umană avut un strămoș comun, cândva între 668 și 729 de ani în urmă (ad 1282-1343, 95% mai mare densitate de probabilitate, HPD), cuprinzând-o de mult intervalul de timp mai mici decât publicat recent estimates14 și în continuare indică faptul că tot circulă în prezent ramura 1 și ramura 2 izolate au apărut în secolul al xiii-lea, cel mai devreme (Fig. 3b), care ar putea proveni dintr-o sursă din Asia de Est, așa cum s-a sugerat anterior14., Aceasta implică faptul că ciuma medievală a fost principalul eveniment istoric care a introdus populațiile umane strămoșului tuturor tulpinilor patogene cunoscute de Y. pestis. Aceasta și alte întrebări etiologia cea de-a șasea a secolului al viii-lea Ciuma lui Iustinian, popular presupune că au rezultat din același agent patogen: estimările noastre temporale implică faptul că pandemia a fost fie cauzate de Y. pestis varianta, care este distinct de toate, în prezent, circulă tulpini frecvent asociate cu infectii umane, sau a fost o alta boala cu totul.

deși abordarea noastră de a folosi un y existent., pestis model de referință pentru momeala design exclus capacitatea noastră de a identifica regiuni genomice care au fost prezente în organism vechi și-au pierdut ulterior în CO92, genomice comparații ale noastre vechi secvență împotriva său cel mai apropiat outgroups poate produce perspective valoroase în Y. pestis evoluție. Tulpina Microtus 91001 este cea mai apropiată ramură 1 și ramură 2 relativ confirmată a fi nepatogenă pentru oameni16, prin urmare modificările genetice pot reprezenta contribuții la adaptarea agentului patogen la o gazdă umană., Comparații împotriva acestei outgroup dezvăluit 113 modificări (Tabel Suplimentar 6a, b), dintre care multe se găsesc în genele care afectează virulență asociate funcții, cum ar fi formarea de biofilm (hmsT), fier de achiziție (iucD) sau de adaptare la mediul intracelular (phoP). În mod similar, deși virulență potențial la om nu a fost încă să fie confirmată pentru a cunostintele noastre, Y. pestis B42003004 izolate de la un Chinez marmot population17 a fost identificat ca tulpina cel mai apropiat de rudenie nod de toate Y., pestis frecvent asociate cu ciuma umane, și, astfel, poate oferi informații cheie cu privire la evoluția organismului. Comparația completă a genomului față de secvența East Smithfield a relevat doar opt diferențe de un singur nucleotid (tabelul suplimentar 6c), dintre care șase au ca rezultat modificări non-sinonime (tabelul suplimentar 6d). Deși aceste diferențe probabil nu afectează virulența, influența pierderii genelor, a câștigului genelor sau a rearanjamentelor genetice,toate fiind bine documentate în Y. pestis12, 18, este încă nedeterminată., În ultimii termeni evoluționiști, single-nucleotide diferențe în mai multe cunoscut patogenitate-associated gene au fost găsite între vechi genom și CO92 de referință secvență (Suplimentar Tabelul 3), care pot reprezenta alte adaptări la gazde umane.,

prin îmbogățirea prin captarea ADN-ului cuplată cu secvențierea ADN-ului cu randament ridicat, am reconstruit un proiect de genom pentru ceea ce este probabil cel mai devastator agent patogen uman din istorie și a dezvăluit că ciuma medievală a secolului al XIV-lea a fost probabil responsabilă pentru introducerea și distribuția sa pe scară largă în populațiile umane. Acest lucru indică faptul că agentul patogen implicat în Moartea Neagră are rude apropiate în secolul xxi, care sunt atât de endemic și emerging19., Introduceri de noi agenți patogeni la populațiile sunt adesea asociate cu creșterea incidenței și severității disease20 și, deși mecanismele care guvernează acest fenomen sunt complex21, date genetice din cele mai vechi boli infecțioase va oferi neprețuit contribuții la înțelegerea noastră de gazdă–patogen coevoluția. Moartea Neagră este un exemplu seminal de o nouă infecție, care pleacă în Europa și a curmat viața a aproximativ 30 de milioane de oameni în numai 5 ani, care este mult mai rapid decât contemporane ratele de bubonică sau ciuma pneumonic infection22 și dissemination7,8., Indiferent, deși nu existente Y. pestis tulpina are același profil genetic nostru organism vechi, datele noastre sugerează că puține schimbări în cunoscut virulență-asociat genele s-au acumulat în organism este de 660 de ani de evoluție ca patogen uman, mai departe sugerând că perceput crescut de virulență în history23 nu poate fi cauza pentru romanul punct fix mutații detectabile prin abordarea analitică este descris aici., La rezoluția actuală, putem afirma că modificări moleculare în agenți patogeni, dar sunt o componentă de o constelație de factori care contribuie la schimbarea boli infecțioase prevalență și severitate, în cazul în care genetica a gazdei population24, climate25, vector dynamics26, sociale conditions27 și interacțiuni sinergice cu concurente diseases28 ar trebui să fie în primul rând în discuțiile de populație susceptibilitatea la boli infecțioase și gazdă–patogen relații cu referire la Y. pestis infecții.

Un proiect de genomul de Yersinia pestis din victimele de Moartea Neagră

Lasă un răspuns Anulează răspunsul