基因测序让科学家解码历史上的致命疾病

在中世纪，一个服务员正在清洗麻风病人的褥疮。照片来源:SPL/科学资源

利用这种新方法，研究人员分析了从受害者骨骼和牙齿中提取的几个世纪前的病原体。

去年八月，约翰内斯·克劳斯完成了一项很少有人尝试的“壮举”:他对一具700年前的人类骨骼进行了基因解剖。克劳斯从一名14世纪死于丹麦麻风病隔离区的年轻女性的牙齿中提取了DNA，并计算了来自细菌、污染物和麻风病病原体(麻风杆菌)的混合遗传物质的数量。

他惊讶地发现，40%的DNA与现代麻风杆菌匹配，只有9%的DNA是人类DNA。德国宾根大学的古遗传学家克劳斯认为这是不可能的。

他又做了一次研究，得出了同样的结论。“这太疯狂了。”他说，“我从来没有想到人类骨骼中包含的病原体的DNA比人类的多。在今天的麻风病人中，你不会发现这种情况。”

再现历史

克劳斯和他的研究生、生物化学家韦列娜·舒恩曼意识到他们已经获得了科学一等奖。“有了这么高浓度的细菌，我们正努力让梦想成真。”舒恩曼说。他们立即对古代细菌的基因组进行了测序，而不是像过去那样依靠实验室技术来捕获分化的古代DNA。

克劳斯和他的同事最近在《科学》杂志的在线版上发表了研究结果，宣布了中世纪麻风分枝杆菌的整个基因序列通过鸟枪测序法测序。这一突破非常令人惊讶，因为研究人员还没有对从活的麻风病人身上提取的麻风分枝杆菌基因进行直接测序。这种细菌不能在细胞培养中生长，所以研究人员用人类麻风分枝杆菌感染犰狳和小鼠，以获得足够的样本进行测序。

克劳斯的团队很幸运拿到了样本。"我们在基因测序方面取得了令人难以置信的进展。"哈佛大学的进化遗传学家查尔斯·纳恩说，“理解今天和过去传播的病原体之间的关系非常重要。”

利用大量数据，一些实验室已经成功收集了“传奇杀手”的DNA，包括结核病、鼠疫、霍乱、利什曼病、麻风病、马铃薯晚疫病和艾滋病。他们从古代牙齿、骨头、毛发、粪便、马铃薯皮和树叶中收集了关于这些“罪犯”的线索，然后解码了基因序列。

三年前开始的相关研究，为人们了解历史事件开辟了新的局面，也清楚地看到了造成人类最严重流行病的“罪魁祸首”的真实面目。"历史记录中存在许多疾病，我们不知道病原体是什么."亚利桑那州立大学的分子人类学家安妮·斯通说。

相关研究还揭示了病原体首先感染人体的哪一部分，以及随着时间的推移，它们变得更加有毒或消失的原因。例如，英国曼彻斯特大学的生物分子考古学家特伦斯·布朗(Terence Brown)说，知道城市化很久以前就引发了严重结核杆菌的进化，在当今城市化的世界中，“可以找到最好的疫苗接种和药物治疗策略”。

聚合酶链反应挑战

20世纪90年代初，没有人相信这是可能的。斯通当时还是一名研究生，在德国马克斯·普朗克研究所的斯旺特·巴勃罗实验室工作。她曾试图识别古代天花和结核病的遗传标记。这项研究是一个挑战。病原体的基因组比人类基因小1000倍。那时，如果研究人员能够利用聚合酶链式反应(聚合酶链反应)从化石中提取少量的DNA标记，他们会非常激动。

斯通甚至抓不到几个小碎片。她试图从意大利那不勒斯一具400岁的木乃伊身上扩增出严重的天花病毒，但一无所获。她放弃了对古代病原体的研究，转而研究古代DNA以及猿类和人类的进化。

几年后，其他研究人员宣布使用聚合酶链反应从骨骼残骸中提取结核病，但是批评家担心证据被污染了。即使当他们能够鉴定出古代结核，聚合酶链反应研究也停滞在如何将古代结核菌株与现在的结核分枝杆菌联系起来，因为他们无法获得足够的古代DNA来揭示菌株之间的差异。“我不在乎有人说他们从15000年前的样本中提取了结核病。我只想知道你能告诉我关于结核病的什么情况。”丹麦哥本哈根大学的进化生物学家托马斯·吉尔伯特说。

这发生在大约10年前，当时高通量测序仪器引发了该领域的一场革命。当时，聚合酶链反应只能复制长度至少为80个碱基对的DNA片段，但古代DNA通常更小。新的测序机开辟了一个全新的古代基因世界，包括轰动一时的冰河时代猛犸象和已经灭绝的尼安德特人和杰尼索夫人的基因修复。

捕获基因

通缉名单上的头号杀手是黑死病的“代理人”。从1347年到1351年，它席卷欧洲，杀死了一半的人。历史文献中记载的腹股沟淋巴结炎与鼠疫杆菌引起的腹股沟淋巴结炎非常相似。在抗生素出现之前，瘟疫似乎夺去了数百万人的生命，所以一些历史学家怀疑它是黑死病背后的“驱动力”。早期的聚合酶链反应结果显示，中世纪受害者遗体上的遗传标记是现代鼠疫耶尔森菌的一部分。然而，指控不能成立:实验结果不能重复。

2011年，加拿大麦克马斯特大学的亨德里克·普瓦纳尔(Hendrik Poinar)、南卡罗来纳大学的莎伦·德威特(Sharon DeWitte)和麦克马斯特大学的研究生柯尔斯顿·博斯(Kirsten Bos)，从英格兰东伦敦史密斯菲尔德公墓的牙齿和骨骼中提取了DNA。14世纪瘟疫的受害者被埋葬在这里。

这两个实验室与克劳斯和舒恩曼合作，使用“诱饵”(一种从现代鼠疫耶尔森菌中发现的短基因片段)来捕捉古代序列的类似延伸。研究人员移除了不能附着在现代诱饵上的DNA。这使得他们不仅能捕获匹配的序列，还能捕获可能不同于现代基因的DNA。研究人员反复清理重叠的DNA片段，最终平均每个核苷酸收集了30个拷贝。

结果表明，伦敦的鼠疫受害者确实感染了鼠疫耶尔森菌。令研究小组惊讶的是，这种细菌的基因组在14世纪与现代非常相似。目前，研究小组正在探索是什么导致了高死亡率，是古老的菌株还是中世纪死者的健康状况不佳。

疑似肺结核

结核病是世界上第二大致命传染病，仅次于艾滋病。2011年，它导致140万人死亡。在过去的10年里，研究人员修改了“所有人的结核病感染都是由几乎相同的结核分枝杆菌引起的”的观点。他们现在意识到有七种不同的结核菌株，其中两种只在非洲和最近的非洲移民中发现。

结核病与人类有着密切的友谊:最早的考古证据来自于在意大利城市古利阿斯发现的一具7800年前的骨骼，其脊柱结节受损。最早的历史记录出现在公元前4700年的中国。作为人类和动物几千年共同进化的结果，细菌群落在旧世界(非洲、欧洲和亚洲)和新世界(美洲)分别进化。研究人员渴望了解新旧世界的菌株如何相互关联以及与动物菌株的关系，以及感染人类的过程如何改变结核病的毒性。他们还想知道耐药性是否出现在不同菌株的同一位置，以及出现的速度有多快。

答案可能藏在时间的深处。斯通和研究生鲁兹-安德烈·普菲斯特推翻了人们首先从牛身上感染结核病的旧观念——但人们是自己感染的。这项新的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300万年前就已经感染了非洲人。目前，结核分枝杆菌的完整基因序列尚未测序，但科学家们已经取得了重大突破。

去年，一个研究小组从1840年至1911年英国利兹的圣乔治土窑中一个小女孩的骨头中提取了样本。布朗和他的博士后同事阿比盖尔·鲍曼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(SNPs)。通过分析古代和现代结核菌株中存在或不存在的单核苷酸多态性，他们汇编了历史上第一套结核菌株的DNA标记。

通过比较，研究人员发现利齐女孩感染的病毒株与现代病毒株不同，但与1905年在纽约分离的一名患者的病毒株几乎相同。这项研究生动地展示了病原体是如何在航空工业发展之前成功穿越了这么长的距离。"有许多人穿越大西洋，其中许多人去了美国。"布朗说。

爱尔兰大*

从1845年到1852年，爱尔兰的马铃薯收成导致100多万人死亡，100多万人逃到美国和其他国家。这个国家还没有完全从灾难中恢复过来。爱尔兰有450万人口，不到饥荒时人口的3/4。

许多人将饥荒归咎于政治和植物，但毫无疑问，马铃薯晚疫病是罪魁祸首。当时，爱尔兰主要依靠单一的马铃薯品种——绰号“码头工人”的大钟马铃薯——来养活其不断增长的人口。一旦这个大土豆受到枯萎病的侵袭，人们就没有别的土豆可吃了。

大多数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年引起北美枯萎病的菌株的直接分支。直到20世纪70年代末，这种菌株在世界上一直占据主要地位。

然而，研究人员发现这种菌株不同于他们通过分析从1845年到1896年从欧洲和北美收集的死土豆和西红柿的叶子发现的菌株。英国塞恩斯伯里实验室的健太郎·吉田、舒恩曼及其同事对这些样本的DNA进行了测序:就像700年前的麻风病样本一样，马铃薯枯萎病的病原体保存完好，他们使用鸟枪测序法直接对其基因序列进行测序。

结果表明，这些古老的植物感染了一种称为HERB-1的马铃薯晚疫病菌，它不同于15个现代马铃薯晚疫病菌株，尽管US-1与它密切相关。"一种已经灭绝的品种曾在爱尔兰和欧洲漫游."合作研究员克劳斯说。

中世纪的苦难

现在，麻风分枝杆菌的高分辨率全基因序列给了克劳斯和他的同事进一步研究这种可怕疾病的机会，这种疾病自圣经时代以来就臭名昭著。今天，麻风病不再像中世纪那样猖獗。德国基尔大学的分子考古学家本·克劳斯-乔拉说，就在14世纪之前，斯堪的纳维亚25%或更多的成年人在死后骨头上有麻风病痕迹。

克劳斯-乔拉把中世纪麻风病人的牙齿送到克劳斯那里进行分析。他们将古代麻风杆菌基因与11种现代菌株进行了比较，发现这种细菌进化缓慢。中世纪麻风病人的病原体与印度、泰国等地的麻风病人几乎相同。

克劳斯的团队还发现，中世纪斯堪的纳维亚女孩的麻风病菌株可能是从今天在伊朗和土耳其发现的菌株中分离出来的。这表明最初的菌株来自亚洲。在11世纪，十字军或其他旅行者可能把它带到了欧洲，最终到达了斯堪的纳维亚。

最后，克劳斯还发现了最初困扰他的难题:为什么古代牙齿中麻风杆菌的DNA比人类的DNA多。他认为麻风杆菌的细胞膜特别厚，富含脂肪酸，能够抵抗侵蚀。如果其他细菌也是如此，那么追踪超过人类脱氧核糖核酸降解极限(100万年)的病原体是有希望的。(张张)

《中国科学新闻》(第三版国际，2013年6月18日)