Зуби розкривають таємниці древніх вірусів

ДНК бактерій і вірусів, які інфікували людей тисячі років тому, досі зберігаються у їхніх останках. Вчені з’ясовують, як вони можуть допомогти сучасній науці.

У 16 столітті на території сучасної Мексики відбулося раптове і різке скорочення населення. Хвороба поширилася після того, як цю територію завоювали європейці, і в результаті загинули мільйони корінних жителів. Донедавна вважали, що європейці привезли хворобу з собою з Європи, але конкретний її збудник був невідомий.

Тепер команда вчених вилучила ДНК стародавнього вірусу із зубів жертв спалаху, похованих під лікарнею та каплицею колоніальної епохи в Нью-Мексико. Ця ДНК показала, що вони були інфіковані вірусом гепатиту B і парвовірусом В19.

Також дослідники виявили, що віруси мають не європейське походження, як вважали раніше, а, ймовірно, походять з Африки.

"Віруси, схоже, мають африканське походження, і троє людей, яких ми проаналізували, також генетично були африканцями", - каже Марія К. Авіла Аркос, доцентка Міжнародної лабораторії дослідження геному людини в Національному автономному університеті Мексики.

У той час європейські торговці та колоністи насильно поневолювали африканців і перевозили їх за тисячі кілометрів до Америки. Жорстокі умови на кораблях сприяли швидкому поширенню інфекцій.

"Цих людей викрали, а потім помістили на переповнені кораблі в антисанітарних, абсолютно нелюдських умовах", - каже Авіла Аркос.

"Коли вірус прибув на американський континент, корінні жителі, які ніколи раніше не зазнавали його впливу, були надзвичайно вразливими до нього. Він знищив значну частину корінного населення", - пояснює вона.

Переписування історії

Це відкриття стало одним з останніх у галузі палеомікробіології, у якій дослідники вилучають фрагменти мікробної ДНК зі скелетів, яким сотні років.

Потім ДНК реконструюють, що дозволяє вченим діагностувати хворобу навіть через пів тисячі років після смерті людини. Таким чином ця технологія змінює те, як ми бачимо та розуміємо наше минуле.

Візьмімо віспу – хворобу, яка вбила близько 300 мільйонів людей лише в 20 столітті. Походження вірусу, який викликає хворобу, завжди було неясним.

Історики вважали, що він міг існувати приблизно з 10 000 років до нашої ери, але донедавна не було жодних наукових доказів цього, а найдавніший підтверджений випадок хвороби був датований 17 століттям за допомогою ДНК, вилученої з литовської мумії.

Однак у 2020 році Барбара Мюлеманн, докторантка Кембриджського університету, разом із колегами вилучили вірус віспи із зубів скелетів вікінгів, датованих 600 роком нашої ери. Скелети виявили в 11 місцях поховань в Данії, Норвегії, Росії та Британії.

Віспу також знайшли в численних людських останках з Еланда, острова біля східного узбережжя Швеції, що має довгу історію торгівлі. Це знахідка передує першим підтвердженим випадкам віспи на 1000 років. Дослідження надає чіткі докази того, що вікінги, які багато подорожували Європою та за її межами, перевозили з собою також і віспу.

Аналіз стародавньої ДНК також пролив світло на походження чуми. Дослідження 2015 року, під час якого аналізували мікробну ДНК із зубів 101 скелета, показало, що бактерія, яка викликає чуму, Y. pestis, поширювалася серед людей щонайменше за 3000 років до першої задокументованої пандемії чуми. Дослідники знайшли бактерії Y. pestis в ДНК семи скелетів, найстаріший з яких помер 5783 роки тому.

Хоча сучасна чума зазвичай поширюється через щурів, які переносять інфікованих бліх, дослідження показало, що бактерія чуми не мала мутацій, необхідних для зараження бліх, до початку І тисячоліття до нашої ери.

До того вона, ймовірно, поширювалася через контакт між людьми, що викликало менш серйозну легеневу чуму. Після того, як бактерія отримала здатність заражати бліх, вона швидко поширилася, що призвело до спалахів бубонної чуми, так званої чорної смерті - пандемії, яка знищила половину населення Європи в 14 столітті.

Стародавня ДНК також змінює наш погляд на іншу серйозну хворобу - сифіліс.

Раніше вважали, що перший спалах сифілісу в Європі стався в 1495 році в Італії, відразу після повернення Христофора Колумба зі своєї першої подорожі до Америки.

Хвороба, що передається статевим шляхом, була поширена серед піхоти короля Франції Карла VIII, який у той час планував завоювати Неаполітанське королівство. Потім вона швидко поширилася Європою.

Оскільки спалах стався одразу після повернення Колумба та його екіпажу з їхньої першої трансатлантичної подорожі, більшість істориків вважали, що сифіліс поширився до Європи з Нового світу. Але тепер популярності набуває інша теорія.

У 2020 році Верена Шунеманн, професорка археології з Базельського та Цюрихського університетів, очолила групу, яка вилучила ДНК у дев’яти людей, кістки яких мали характерні ураження сифілісом.

Їхні останки знайшли на кладовищах у Фінляндії, Естонії та Нідерландах. Дослідники виявили принаймні три окремі штами Treponema pallidum, збудника, який викликає сифіліс, а також інші захворювання, такі як фрамбезія, які зараз зустрічаються лише в тропіках.

Вуглецеве дослідження скелетів і трун підтвердило, що люди померли у 15 столітті, що свідчить про те, що сифіліс уже циркулював у Європі до того, як Колумб повернувся зі свого першого плавання.

Розрахунки, засновані на швидкості мутації бактерії сифілісу, також свідчать про те, що хвороба виникла ще до часу прибуття Колумба.

"Ми знаємо, що поширення хвороботворних мікроорганізмів пов’язане з торговими шляхами", - каже Шунеманн.

"Ми бачимо, що у випадку з сифілісом, чумою та проказою - щоразу, коли люди починали подорожувати та торгувати, вони також створювали можливості для подорожей патогенів", - додає вона.

Водночас вчені вважають, що близько 12 000 років тому, коли люди почали займатися землеробством, вони не контактували між собою настільки інтенсивно, щоб викликати пандемію якоїсь хвороби.

Для того, щоб передавати хвороби, потрібна певна кількість людей, тому ми бачимо, що ці хвороби з’являються разом із першими містами. Коли люди почали осідати - саме тоді почалася пандемія", - каже Шунеманн.

Підказки дають зуби

Чудовим місцем для пошуку стародавньої мікробної ДНК є зубний наліт. Залишки, які накопичуються на зубах, якщо їх не чистити належним чином, затримують бактерії, що зрештою спричиняє карієс і захворювання ясен.

Згодом зубний наліт проходить процес мінералізації, після чого він твердне і "консервує" у собі ДНК бактерій і вірусів, що мешкали в роті стародавніх людей. Розшифровка цього мікробного геному дає вченим доступ до скарбниці інформації про здоров’я наших предків.

Наприклад, в рамках міжнародного проєкту Medical вчені за допомогою зубного нальоту людей відтворюють історію лікування прокази в Європі в середні віки. Під керівництвом Емануели Крістіані з Римського університету Сапієнца, команда дослідників проаналізувала зубний камінь з останків людей із середньовічних кладовищ Святого Леонарда в Пітерборо в Англії та Сен-Томас д'Езьє у Франції.

У деяких людей вчені виявили сліди імбиру, що свідчить про те, що вони намагалися лікувати захворювання. Наприклад, Костянтин Африканський, відомий лікар 11-го століття нашої ери, писав про приготування засобів, що містять імбир та інші трави, щоб полегшити біль у шлунку, викликаний проказою.

У деяких пацієнтів також знайшли ртуть, яку могли використовувати для маскування недоліків шкіри та як знеболювальну мазь.

Це свідчить про те, що хворих не стигматизували, а навпаки, піклувалися про них.

Діагностика хвороб серця та Альцгеймера

Секвенування ДНК зубів може не лише розповісти нам про те, які інфекційні захворювання були у людини, коли вона померла. У майбутньому ця технологія також зможе відтворити мікробіом ротової порожнини людини – величезну різноманітну сукупність бактерій, архей і грибків.

Ця інформація, своєю чергою, може розповісти про поширеність неінфекційних захворювань (НІЗ) у давнину. НІЗ – це хронічні захворювання, які не є результатом дії окремого інфекційного збудника. Серед них - серцево-судинні захворювання, діабет, ревматоїдний артрит і хвороба Альцгеймера.

"Є дослідження, проведені десятиліття тому, які показують, як здоров’я порожнини рота та її мікробіом пов’язані з цими захворюваннями", - каже Ебігейл Ганч, біологічна антропологиня з Університету штату Пенсильванія.

У нещодавній статті Ганч стверджує, що оскільки зв’язки між мікробіомом порожнини рота та НІЗ настільки добре відомі, ми, можливо, зможемо використати давню мікробну ДНК, щоб дізнатися, чи давні людські популяції також страждали на ці захворювання.

Хоча їх часто вважають сучасними захворюваннями, спричиненими нездоровим способом життя, насправді ми не маємо уявлення про те, якою мірою вони були поширені в популяціях наших предків, тому що переважна більшість НІЗ не залишає помітних слідів на скелеті. Однак є ознаки того, що вони були присутні, хоча й не такою мірою, як сьогодні.

"У деяких із найдавніших письмових пам’яток давньоєгипетської літератури є описи симптомів, дуже схожих на діабет - наприклад, опис солодкого запаху сечі", - каже Ганч.

"Існує припущення, що люди в минулому мали коротке життя у важких умовах, але багато з них таки доживали до старшого віку мали ці неінфекційні захворювання", - вважає вчена.

Ганч очолює проєкт Ancient Systemic Disease, метою якого є виявлення зв’язку між стародавніми людськими мікробіомами та наявністю НІЗ. Наразі вони проаналізували скелети 192 британців, що датуються періодом середньовіччя та індустріальною добою.

У рамках проєкту мікробну ДНК, знайдену в зубному нальоті, ретельно розшифровують, щоб з’ясувати, які бактерії та віруси були в людини, коли вона померла. Потім ці дані порівнюють та співвідносять з відомими маркерами захворювання, присутніми в скелеті людини.

"На скелетах є різні пошкодження, які вказують на захворювання", - каже Ганч.

Наприклад, порожнини або абсцеси в зубах людини можуть свідчити про те, що вона страждала на пародонтоз. Також за кістками можна виявити ознаки системного запалення. Наприклад, артрит може призвести до візуальної деформації морфології кісток.

Кістки змінюються протягом життя, тому вони матимуть різні форми та текстури залежно від того, чи переживала людина активний стрес, говорить Ганч.

Це дослідження має дозволити вченим відстежувати, як такі захворювання, як артрит і ожиріння, змінювалися з часом, включно з тим, який вплив на них мали аграрна революція, індустріалізація та урбанізація.

Є вагомі підстави вважати, що такі глобальні зміни мали величезний вплив на здоров’я людей. Наприклад, дослідження 2013 року, яке провела Лаура Вейріх, доцентка антропології в Університеті штату Пенсильванія, виявило, що мікробіом порожнини рота наших предків змінився – у гірший бік – після того, як вони від мисливства та збиральництва перейшли до фермерства.

Але подібні дослідження мають не лише історичний інтерес - їх також можна використовувати для покращення здоров’я сучасних людей. Однією з цілей дослідження Вейріх є розробка трансплантації мікробіома – заміна нездорового мікробіому порожнини рота на здоровий.

"Уявіть собі день, коли вам не доведеться чистити зуби, оскільки у вашому роті живуть мікроби, які не спричиняють захворювань – ми зможемо прийти до цього, коли дослідимо, які мікроби були у людей до широкого поширення цих сучасних захворювань ротової порожнини", - каже Вейріх.

"Я завжди кажу людям, що хотіла б мати зуби, як у неандертальця, тому що неандертальці здебільшого мали напрочуд здорову ротову порожнину, - каже вчена. - Якби ми могли взяти їхній мікробіом за основу для розробки сучасної оральної мікробної трансплантації, ми могли б спробувати виправити у нинішню ситуації, коли 90% американців протягом життя мають карієс".