Опасны ли древние вирусы и как их изучают

«Воскрешать» вирусы опасно, но это делают

Многолетняя мерзлота занимает около пятой части суши Северного полушария, и некоторые её слои остаются замороженными сотни тысяч лет. В криолитозоне сложились идеальные условия для сохранения биологических материалов. Если вирус сохранился там в жизнеспособном состоянии (что, правда, бывает редко), его можно «оживить». Первым вирусом, обнаруженным в многолетней мерзлоте, стал Pithovirus sibericum, возраст которого составляет около 30 тысяч лет. В 2014 году его вернули к жизни французский учёный Жан-Мишель Клавери и его коллеги. Затем они повторили эксперимент с другими вирусами, найденными в семи разных местах в Сибири. Для безопасности французские исследователи работают с вирусами, инфицирующими только одноклеточных амёб. Тем не менее во льдах могут скрываться патогены, способные нанести вред более сложным организмам, включая человека.

Не все микроорганизмы, найденные в вечной мерзлоте, являются патогенными и могут вызывать заболевания, некоторые из них безвредны  Изображение: © Nano Banana / промт Олеся Поповидченко / Сириус(Журнал

Работа с древними вирусами позволяет проследить их эволюцию и подготовиться к рискам таяния вечной мерзлоты. С другой стороны, она создаёт биологические риски, так что большинство учёных предпочитают не «воскрешать» патогены, опасные для человека. Ограничиваются лишь анализом фрагментов ДНК, которые могут дать больше информации о развитии этих микроорганизмов в древности и процессах их адаптации. 

Область древней метагеномики только развивается, и накопленных данных о том, какой физиологией обладали древние вирусы и насколько отличались от современных, пока нет. Специалисты не всегда могут предсказать вирулентность, поэтому для современного человека, у которого нет коллективного иммунитета к патогенам, существовавшим миллионы лет назад, новые вирусы могут представлять опасность.

Может ли спящий вирус «проснуться»? 

Постмортальные процессы, происходящие в организме после смерти, губительны как для человеческой ДНК, так и для ДНК патогенов, присутствовавших при жизни. Живой вирус способен проникнуть в клетку, реплицироваться и воспроизводить потомство. Мертвый же фрагмент вируса — это короткая, сильно деградировавшая последовательность ДНК, не способная к созданию вирусных частиц, либо утратившая гены, отвечающие за сборку капсида.

Даже при жизни в организме человека количество вирусной или бактериальной ДНК может быть настолько малым (либо она локализуется в определённых органах), что генетики не могут её обнаружить Фото: © Svitlana Hulko / Shutterstock / FotoDom

Даже если вирус находится в белковой оболочке, он менее устойчив во внешней среде по сравнению с бактериями. Многие ДНК-вирусы (герпесвирусы, папилломавирусы) в латентном состоянии вообще не имеют собственной защитной оболочки, существуя в виде эписом (кольцевых ДНК) в ядре клетки хозяина. 

Что касается бактерий, то они сохраняются лучше вирусов, но часто бывает так, что в почве находится масса непатогенных видов, генетически очень схожих с патогенными вариантами. Если при жизни в крови человека была низкая бактериальная нагрузка, то шансы достоверно что-то обнаружить невелики. 

Мутации древних вирусов и бактерий

Скорость мутаций у патогенов всегда была высокой, но она различается в зависимости от типа генетического материала и среды обитания. Так, РНК-содержащие вирусы (предки гриппа, гепатита С) всегда мутировали очень быстро — примерно сотни мутаций в геноме в год. Это связано с тем, что у них нет механизма коррекции ошибок.

Следы палочки Коха — возбудителя туберкулёза — нашли у мумии, жившей 4000 лет назад. Как показал анализ, микобактерия туберкулёза возникла примерно 70 000 лет назад Фото: © Jarun Ontakrai / Shutterstock / FotoDom

ДНК-содержащие вирусы и бактерии мутировали медленнее. У них есть механизмы репарации ДНК. Судя по всему, древние патогены мутировали медленно, потому что численность популяций была меньше, а цепочки передачи — более изолированными из-за низкой по сравнению с сегодняшней мобильностью людей. Если древние мигрировали, то небольшими группами, поэтому активной передачи и глобальных вспышек не происходило.

Так, возбудитель чумы — бактерия Yersinia pestis — сегодня хорошо изучен. Известно, что чумная палочка циркулировала в человеческих популяциях задолго до Чёрной смерти XIV века, но изначально не была столь смертоносной. Штамм бронзового века не имел гена ymt, позволявшего блохам эффективно передавать болезнь крысам и людям. Произошедшие со временем несколько десятков мутаций, в том числе повлиявшие на способность передаваться через блох и вызывать бубонную форму, сильно изменили вирулентность чумы. Впрочем, за 4000 лет эволюции геном Y. pestis поменялся незначительно. 

Чума

Чумная палочка спровоцировала две крупнейшие пандемии Средневековья — Юстинианову чуму и Чёрную смерть, совокупно унёсшие сотни миллионов жизней. Сепсис тогда развивался 5–7 дней, а болезнь протекала медленно и мучительно — с огромными воспалительными бубонами. Смертность составляла от 50 до 90 %. В наши дни бубонная остаётся самой частой формой заболевания чумой, но более опасной считается лёгочная из-за своего молниеносного течения: без своевременного применения антибиотиков (таких как стрептомицин или гентамицин) смерть наступает в течение суток. В обычных условиях лёгочная форма встречается редко, но она мгновенно становится доминирующей, если инфекция попадает в места скопления людей, не имеющих быстрого доступа к медицинской помощи. Ярким примером стала атипичная вспышка на Мадагаскаре в 2017 году: из-за скученности населения в городах лёгочная чума временно составила большинство случаев.
Yersinia pestis продолжает эволюционировать в эпоху урбанизации. Хотя штаммы мадагаскарской вспышки 2017 года сохранили чувствительность к лекарствам, всё чаще фиксируются случаи с появлением единичных штаммов с плазмидами устойчивости к антибиотикам. Стремительное распространение через кашель в условиях высокой плотности городов показывает, как патоген адаптируется к современной среде, стремясь передаться от человека к человеку до начала эффективного медицинского вмешательства.

Сотрудник школы в Антананариву проводит обработку класса во время вспышки чумы в Мадагаскаре в 2017 году Фото: © Alexander Joe / TASS

Важно отметить, что сегодня антибиотики и противовирусные вещества селективно влияют на инфекции. Разрабатывая и употребляя препараты, которые действуют на гены устойчивости, мы проводим естественный отбор и провоцируем мутации.

Изучение доисторических эпидемий в Сириусе

Несмотря на все сложности с выделением ДНК из древних образцов, даже по «молекулярным обломкам» можно узнать, какие инфекции вспыхивали на изучаемой территории, как это было связано с миграциями и чем древние патогены отличаются от современных штаммов. 

«При отборе потенциальных образцов помогают археологи и антропологи. Первые анализируют захоронения и изучают необычные случаи, вторые по морфологии костей могут найти инфицирование. Обычно речь идёт о захоронениях после эпидемий или о богатых погребениях, которые не были разграблены из-за предполагаемого страха заражения. С помощью метода обогащения можно извлечь участки вирусов, которые нас интересуют. Но базово всё строится на тотальном извлечении всей древней ДНК из пробы: человеческой, бактериальной, вирусной. Затем проводится полногеномное секвенирование пробы, а далее — чистый биоинформатический анализ», — объясняет аспирантка направления «Генетика» Научно- технологического Университета «Сириус» Марина Гашева.

Работа с древними образцами требует соблюдения особого режима чистоты, чтобы избежать «загрязнения» биоматериала современной ДНК  Фото: © из личного архива Марины Гашевой

Работа с древней ДНК позволила проследить источник и историю возникновения многих пандемий, например тех, что опустошали Европу в Средние века. Изучение древних вирусов помогает понять и то, как устроены их современные представители. Так, исследования древних предшественников коронавирусов показали, что человеческая популяция около 20 000 лет назад пережила крупную эпидемию коронавируса, следы которой остались в геномах людей из Восточной Азии. Другое важное направление исследований — паразитарные заболевания. Паразиты были с человеком на протяжении всей его истории. Их разнообразие тесно связано с климатом, рационом питания людей и бытовыми условиями. В этой связи один из источников информации — это грунт, собранный в области таза погребённых в древних захоронениях. В нём нередко сохраняются яйца гельминтов, благодаря которым можно выяснить, чем именно питались люди тысячи лет назад и какие нормы гигиены (или их отсутствие) были для них характерны.