Биологические образцы XVIII века помогли найти старейший риновирус
В анатомическом музее, среди старых медицинских образцов, ученые обнаружили следы вируса, который поразил жительницу Лондона почти 250 лет назад. Исследователи смогли восстановить его геном. Они утверждают, что на сегодня это старейший восстановленный геном РНК-содержащего вируса человека. Находка позволит на молекулярном уровне сравнить древний штамм с современными, проследить его эволюционные связи и при возможности выявить сопутствующие инфекции.
Ученые давно научились извлекать ДНК древних бактерий и вирусов из костей и зубов людей, умерших тысячи лет назад. С помощью генетического анализа такой материал находят в скелетах возрастом до 50 тысяч лет. Например, сообщалось о находках генетических фрагментов вируса в костях неандертальцев. Но с риновирусами, вызывающими острые респираторные вирусные инфекции (ОРВИ), а также с вирусами гриппа или кори все иначе. Их геном состоит не из ДНК, а из РНК.
РНК (рибонуклеиновая кислота) — это биологическая макромолекула, представляющая собой линейный полимер, состоящий из одной цепи нуклеотидов. Она играет ключевую роль в клетке: переносит генетическую информацию от ДНК, участвует в синтезе белков и регулирует работу генов.
В отличие от ДНК, РНК в обычных условиях разрушается быстрее: через несколько часов или сутки после смерти. РНК быстро распадается под действием группы ферментов (нуклеаз) и химических процессов. Однако при благоприятных условиях, например в низких температурах, она может сохраняться значительно дольше.
Долгое время ученые считали, что шансов найти древние РНК-вирусы практически нет. Но в последние годы это представление изменилось. Исследователи научились извлекать древнюю РНК из исключительно хорошо сохранившихся образцов — например, из тканей мамонта, пролежавших в вечной мерзлоте 40 тысяч лет. Но как быть с обычными больницами и моргами прошлого, где условия хранения были далеки от сибирского холода?
С конца XIX — начала XX века для сохранения структуры ткани врачи использовали формалин — химический раствор, который делает клетки и структуры в образце более «жесткими», предотвращает их гниение и самораспад. Однако формалин связывает молекулы внутри ткани, в том числе белки и нуклеиновые кислоты, что ухудшает качество РНК и ДНК. Иными словами, извлечь и проанализировать их становится гораздо сложнее.
Команда исследователей под руководством Эрин Барнетт (Erin Barnett) из Онкологического исследовательского центра Фреда Хатчинсона в США решила изучить некоторые европейские анатомические коллекции, которые появились еще до эпохи формалина, чтобы попытаться найти удобный для работы биологический материал.
Поиски увенчались успехом в Хантеровском анатомическом музее при Университете Глазго в Шотландии. Там хранились образцы легочной ткани двух людей. От более поздних коллекций их отличал способ консервации — вместо формалина ткани законсервировали в спирте.
Первый образец принадлежал женщине из Лондона, которая умерла в 1770-х. Второй — человеку, пол которого установить не удалось, скончавшемуся в 1877 году. Медицинские карты того времени указывали, что у обоих пациентов наблюдались симптомы ОРВИ.
Барнетт и ее коллеги одновременно извлекли из обоих образцов древнюю ДНК и РНК. Полученная РНК оказалась крайне фрагментированной: большинство обнаруженных фрагментов были очень короткими, всего 20-30 нуклеотидов. Для восстановления генома пришлось собирать «пазл» из тысяч мельчайших обрывков генетической информации, реконструируя последовательность биоинформатическими методами.
Работа продвигалась медленно, но в итоге исследователи смогли реконструировать геном РНК-содержащего вируса человека, выделенного из образца легочной ткани женщины XVIII века. На сегодня это старейший восстановленный геном РНК-содержащего вируса человека.
Параллельно ученые нашли доказательства того, что в момент смерти ее организм также боролся с опасными бактериями: пневмококком (Streptococcus pneumoniae), гемофильной палочкой (Haemophilus influenzae) и моракселлой (Moraxella catarrhalis) — классический набор возбудителей респираторных инфекций верхних и нижних дыхательных путей.
Собрав древний геном РНК-содержащего вируса, ученые сравнили его с базой данных Национальных институтов здравоохранения США, где хранятся миллионы записей о современных вирусах со всего света. Это необходимо было сделать для определения родства и типа. Филогенетический анализ показал, что вирус из 18 века принадлежит к группе риновирусов Human Rhinovirus A. Но это не прямой предок современных штаммов. Это вымершая линия, эволюционное тупиковое ответвление.
«Когда мы сравнили древний геном с современными базами последовательностей, то определили близость этого вируса к современному генотипу A19 и оценили, что их общий предок жил примерно в XVI–XVII веках», — пояснила Барнетт.
По словам авторов исследования, их открытие даст редкую возможность проследить эволюцию риновирусов на протяжении столетий.
Результаты исследования представлены на сайте препринтов по биологии bioRxiv.