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用现代技术审判古代“凶手”

——基因测序让科学家解码历史上的致命疾病

作者:张章   单位:   时间:2013-12-31

 

 

 

去年8月,约奈斯-科劳斯进行了一个鲜有人尝试的“壮举”:他对一具有700年历史的人体骸骨进行了遗传尸检。他从一个死于14世纪丹麦麻风病人隔离区的年轻女性的牙齿中提取了DNA,并计算出其中细菌、污染物以及麻风病病原体的混杂遗传物的数量。

科劳斯惊讶地发现,40%的DNA与现代麻风分枝杆菌相匹配,只有9%的DNA是人类DNA。作为德国宾根大学古遗传学家的科劳斯认为,这不可能。

他再次做研究,得出同样的结论。他说:“我从未想过,人体骨骼中病原体的DNA多于人类DNA。而在当今麻风病患者中,你不会发现这种情况。”

重现历史

科劳斯和他的研究生、生物化学家维瑞那-舒恩曼意识到,自己撞上了一个科学头奖。“利用如此高浓度的细菌,我们试着让一个梦想成真。”舒恩曼说。他们立刻对该古代杆菌基因组测序,而非像过去那样依赖实验室技术捕获分化的古老DNA。

日前,科劳斯和同事在《科学》杂志网络版上公布,他们使用鸟枪测序法测序中世纪麻风分枝杆菌全基因序列。这个突破令人非常惊讶,因为研究人员尚未对从死去的麻风病人体内提取的麻风分枝杆菌基因进行过直接测序。这种细菌不能在细胞培养中生长,因此研究人员用人类麻风分枝杆菌感染了犰狳和老鼠,以便获得足够的样本用于测序。

科劳斯研究小组十分幸运地获得了样本。这对理解今天和过去的病原体之间的关系十分重要。

利用铺天盖地的数据,一些实验室陆续采集了“传奇杀手”的DNA,其中包括结核病、鼠疫、霍乱、利什曼虫、麻风病、马铃薯晚疫病以及艾滋病。他们从古代牙齿、骨头、头发、排泄物和土豆皮与叶子中,收集到了这些“罪犯”的线索,然后解码基因序列。

始于三年前的相关研究为人们理解历史事件打开了新局面,看清了引发人类最严重流行病的“元凶”的真实面目。  相关研究还揭示了病原体首先感染人体哪一部分,以及为何随着时间的推移,它们会变得更毒,或者索性消亡。

 PCR难题

上世纪90年代初,没有人相信这会成为可能。当时,斯通还是一名研究生,在德国马普学会斯万特·帕博实验室工作。她曾试着识别古老天花和TB的基因标记。这项研究是一项挑战,病原体的基因组比人类基因小1000倍。使用聚合酶链反应(PCR),测序来自化石的少量DNA标记,这让研究人员激动万分。

那时,斯通甚至无法攫取小块的片段。她试着放大取自一具400年前的意大利那不勒斯木乃伊的重型天花病毒,但是一无所获。她放弃了古病原体研究,转而研究古老DNA与猿和人类的进化。

数年过去了,其他研究人员宣布使用PCR从骨骼残骸中搜获了结核病杆菌,但是批评者担心证据受到了污染。甚至当他们能够确定古结核病杆菌时,PCR研究停滞在了如何关联古结核病杆菌菌株和现在的结核分枝杆菌,因为他们无法获得足够的古DNA,以揭示菌株间的不同。

这大约发生在高通量测序仪器引发该领域革命的10年前。当时PCR只能复制至少80个碱基对长度的DNA片段,但是古老DNA通常更小。新测序机器打开了古老基因的全新世界,包括轰动一时的冰河时代猛犸象,以及灭绝的尼安德特人和丹尼索瓦人的基因修复。

 捕获基因

历史文献记载的腹股沟淋巴结炎十分像由耶尔森氏鼠疫杆菌引起的疾病。在抗生素出现之前,鼠疫似乎足以杀死上百万生命,因此一些历史学家怀疑,它是黑死病背后的“推手”。早期PCR结果表明,中世纪受害者遗骨上的遗传标记属于现代耶尔森氏鼠疫杆菌的一部分。但是罪名无法成立:实验结果不能重复。

科劳斯和舒恩曼的两个实验室使用了来自现代耶尔森氏鼠疫杆菌的短基因片段,捕获古老序列的类似延伸。研究人员清除了无法附在现代诱饵上的DNA。这让他们不仅捕捉到了匹配序列,还发现了可能与现代基因不同的DNA。研究人员反复清洗了重叠的DNA片段,最终平均每个核苷酸收集了30个副本。

结果显示,伦敦瘟疫死者确实感染了耶尔森氏鼠疫杆菌。让该研究小组惊讶的是,14世纪该杆菌的基因组与现代十分相似。目前,研究小组在探索是什么引发了高死亡率,是一种古老菌株还是中世纪死者较差的健康状况。

 结核病疑云

结核病是世界致死率第二的传染病,仅排在艾滋病之后。在过去的10年中,研究人员修改了“所有人感染结核病杆菌都是由几乎相同的结核分枝杆菌引起的”这一观点。他们现在认识到存在7种不同的结核病菌株群落,有两个只在非洲和最近的非洲移民中发现。

 

结核病与人类的交情甚笃:最早的考古学证据来源于一具发现自意大利利古利亚7800年前的骸骨,其脊柱结节受损。最早的历史记录则出现在公元前4700年的中国。作为与人类和动物共同进化数千年的结果,菌株群落在旧世界(非洲、欧洲和亚洲)与新世界(美洲)出现单独进化。研究人员渴望了解新世界和旧世界菌株间、与动物菌株间的关联性,以及感染人类的过程如何改变菌株的毒性。

推翻了人最初是从牛身上感染结核病的旧观念。新研究追踪了现代菌株的共同祖先。结果显示,结核病可能早在300万年前就感染了非洲人。目前尚未测序出完整的古结核分枝杆菌基因序列。

去年,一个研究小组从在1840-1911年间葬于英国利兹圣佐治土窑的一个小女孩骸骨上提取了样本。他们使用新一代测序仪等技术,制作了500个“诱饵”,捕获了218个单核苷酸多态性。他们编译了首套历史上的结核病菌株的DNA标记。

通过比较,研究人员发现,利兹女孩感染的菌株与现代的不同,但是与1905年纽约隔离的一个患者体内的菌株几乎相同。该研究显示出病原体能够借助运输业的发达实现长距离传播。

 爱尔兰惨案

1845-1852年,爱尔兰马铃薯歉收导致100多万人死亡,另外超过100万人逃到了美国和其他国家。该国一直未从这场灾难中完全恢复过来。爱尔兰现有人口450万人,还不到饥荒发生时人口的3/4。

很多人将饥荒归咎于政治和植物,但是研究表明,马铃薯晚疫病是罪魁祸首。当时,爱尔兰主要依赖单一马铃薯品种来养活日益增长的人口。一旦这种大马铃薯受枯萎病的袭击,人们就没有其他的马铃薯可以食用。

大部分科学家认为爱尔兰马铃薯枯萎病是由一种名为US-1的马铃薯晚疫病菌引起的,它是1843年引发北美枯萎病菌株的一个直接分支。直到上世纪70年代末,这种菌株在世界范围内一直占主要地位。

研究人员发现这种菌株与1845-1896年收集自欧洲和北美洲枯死的马铃薯叶片的菌株不同。结果显示,这些古老植物感染了一种名为HERB-1的马铃薯晚疫病菌,它与现代的15个马铃薯晚疫病菌株不同,尽管US-1与它密切相关。这说明,一个已灭绝的菌株曾横行于爱尔兰和欧洲。

 中世纪苦难

 高分辨率麻风分枝杆菌全基因序列使得科劳斯和同事有机会深入研究这种自圣经时代就名声狼藉的可怕疾病。如今,麻风病早已不像中世纪那时横冲直撞。研究显示,14世纪前,斯堪的那维亚半岛25%甚至更多的成年人死后的骨骼留有麻风病的标记。

 科劳斯对中世纪麻风病死者的牙齿进行了分析,比较古麻风分枝杆菌基因和11种现代菌株。结果发现,这种细菌进化速度很慢。中世纪麻风病患者身上的病原体几乎与目前印度、泰国等地麻风病患者体内的病原体相同。另外还发现,中世纪斯堪的纳维亚女孩的麻风病菌株和当今伊朗和土耳其的一个菌株相同。这表明这种原始菌起源于亚洲。

科劳斯还揭开了最初困扰他的一个难题:为何在古老牙齿中麻风分枝杆菌DNA比人类DNA多。他认为,麻风分枝杆菌有特别厚的细胞膜,富含脂肪酸,能够抗侵蚀。如果其他细菌也是这样,将有希望追踪那些超越人类DNA退化极限的病原体。

  

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