БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 2, с. 258 - 277

УДК 57.075

ГЕНОМИКА ДРЕВНИХ ПАТОГЕНОВ:

ПЕРВЫЕ УСПЕХИ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Обзор

А.Б. Малярчук¹*, Т.В. Андреева^1,2, И.Л. Кузнецова^2,3, С.С. Кунижева^2,3,

М.С. Протасова², Л.И. Уральский^2,3, Т.В. Тяжелова²,

Ф.Е. Гусев², А.Д. Манахов^2,3, Е.И. Рогаев^2,3,4*

¹ Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет,

кафедра генетики, Центр генетики и генетических технологий, 119234 Москва, Россия;

электронная почта: a_malyarchuk98@mail.ru

² Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН,

119991 Москва, Россия; электронная почта: rogaev@vigg.ru

³ Университет Сириус, Центр генетики и наук о жизни, 354340 Сочи, Россия

⁴ Медицинская школа Чан Массачусетского университета, Департамент психиатрии, 01545 Шрусбери, США

Поступила в редакцию 14.12.2021

После доработки 08.01.2022

Принята к публикации 21.01.2022

Развитие палеогеномных исследований - одно из актуальных и перспективных направлений междисцип

линарных исследований в современной мировой науке. Новые геномные методы анализа древней

ДНК (дДНК), такие как технологии высокопроизводительного секвенирования (NGS), позволяют не толь

ко получать подробную генетическую информацию об исторических и доисторических популяциях челове

ка, но и изучать отдельные микробные и вирусные патогены и микробиомы из разных древних и историчес

ких объектов. Исследования дДНК патогенов путём реконструкции их геномов позволили к настоящему

времени получить полные последовательности древних геномов для патогенов, сыгравших значительную

роль в истории человечества: Yersinia pestis (возбудитель чумы), Variola virus (оспа), Vibrio cholerae (холера),

HBV (вирус гепатита B), а также не менее важных эндемичных инфекционных агентов человека -

Mycobacterium tuberculosis (туберкулёз), Mycobacterium leprae (проказа) и Treponema pallidum (сифилис). Ге

номные данные этих патогенов дополнили сведения, полученные ранее палеопатологами, и позволили не

только идентифицировать возбудителей пандемий прошлого, но и выявить ныне несуществующие линии

патогенов, уточнить хронологию появления патогенов в популяциях человека, а также реконструировать

эволюционную историю патогенных микроорганизмов, которые остаются актуальными для общественно

го здравоохранения сегодня. В настоящем обзоре описывается современное состояние геномных исследо

ваний происхождения и эволюции многих древних патогенных микроорганизмов и вирусов, а также рас

сматриваются механизмы возникновения и распространения древних инфекций в истории человечества.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: популяции человека, древняя ДНК, палеопатология, палеогеномика, патоген, чума,

холера, лепра, сифилис, оспа, туберкулёз.

DOI: 10.31857/S0320972522020087

ВВЕДЕНИЕ

лиотек, обогащения ДНК, секвенирования; раз

виваются и инструменты для биоинформати

В последние десятилетия значительно воз

ческого анализа геномных данных. Растёт число

росли технические возможности в области сек

работ, посвящённых идентификации и характе

венирования древней ДНК (дДНК), в том числе

ристике на молекулярно генетическом уровне

древних патогенов. Появляются всё более со

патогенных микроорганизмов, извлечённых из

вершенные методы подготовки геномных биб

древних останков. Таким образом, появилась

новая область исследований - молекулярная

палеоэпидемиология [1], в задачи которой вхо

Принятые сокращения: дДНК - древняя ДНК; дит исследование вопросов возникновения ин

CPXV - вирус коровьей оспы; NGS - высокопроизводи

фекций и распространения патогенов в популя

тельное секвенирование; TIR - инвертированные конце

вые повторы; VARV - вирус натуральной оспы человека;

циях человека.

VACV - вакцинный вирус оспы.

Долгое время изучение перенесённых ин

* Адресат для корреспонденции.

фекционных заболеваний проводилось тради

258

ПАЛЕОГЕНОМИКА ПАТОГЕНОВ

259

ционным путём палеопатологической оценки

специфическими особенностями. Археологи

костей древних скелетов из археологических

ческие образцы обычно содержат смеси эндо

раскопок, однако этот подход имеет существен

генной (прижизненной) и экзогенной (посмерт

ные ограничения, связанные с тем, что многие

ной) микробной ДНК, которая может включать

инфекции не оставляют видимых следов на кос

комменсальные бактерии (например, микроб

тях, а другой материал оказывается недоступен

ные колонии в зубном камне), эпидемические

для исследования [2].

патогены (например, Y. pestis в пульповой по

Первые успехи в изучении ДНК древних

лости зубов) и бактерии окружающей среды

бактерий и вирусов стали возможны с появле

(например, почвенные микроорганизмы, участ

нием метода полимеразной цепной реак

вующие в разложении). Кроме того, загрязне

ции (ПЦР). Этот подход позволяет обнаружить

ние дДНК в образце может возникнуть на всём

присутствие инфекционных агентов, но даёт ог

протяжении анализа - с момента археологичес

раниченную информацию об эволюционной

ких раскопок и обработки древнего материала

истории патогена, поскольку генетический ма

при контакте с исследователями (например,

териал микроорганизмов в таком случае анали

кожные микробы), при нарушении условий

зируется по одному или нескольким коротким

хранения (например, чрезмерный рост бакте

фрагментам, амплифицированным из препара

рий и грибов), а также от лабораторных источ

тов ДНК, выделенных из останков древних лю

ников загрязнения, таких как реагенты (напри

дей [3, 4]. Кроме того, дДНК, извлечённая из

мер, ДНК полимеразы и другие ферменты, бу

археологического материала, обычно присут

феры, загрязнённые бактериальной ДНК) [7].

ствует в нём в небольших количествах, сильно

Целевая составляющая выделенной дДНК нас

фрагментирована и содержит химические моди

читывает в среднем 1-10%, при этом на фрак

фикации [5, 6], что затрудняет амплификацию.

цию патогена, которую можно выделить, при

С развитием методов высокопроизводитель

ходится менее 0,5% от общего метагенома. Ис

ного секвенирования (NGS) в большом количе

ключение составляют образцы, полученные из

стве стали появляться последовательности пол

вечной мерзлоты, либо препараты ДНК, выде

ных геномов современных организмов, включая

ленные из слуховых косточек. Поэтому важной

микробы и вирусы. Таким образом, выросло ко

задачей при исследовании древних патогенов и

личество референсных геномных последова

других микроорганизмов является подтвержде

тельностей, включая отдельные штаммы. Для

ние аутентичности полученных результатов,

палеогенетических исследований такой прорыв

т.е. доказательство того, что выделенная ДНК

позволил не только однозначно констатировать

принадлежит древнему образцу (бактерии или

наличие инфекционного возбудителя в суммар

вирусу), а не является результатом контамина

ной ДНК, выделенной из древнего образца, но и

ции. Следовательно, анализ дДНК и проверка

более точно определить филогению выделенно

полученных результатов требуют строгого со

го штамма. Первой удачной попыткой собрать

блюдения определённых методологических

полный геном древнего патогена стал геном из

стандартов.

вестного бактериального возбудителя чумы

К настоящему времени древняя микробная

Yersinia pestis, опубликованный в 2011 г., за кото

ДНК была успешно выделена из различных ти

рым последовало множество работ по геномным

пов образцов - костей, зубов, копролитов, му

исследованиям различных патогенов.

зейных образцов, кальцинированного зубного

К настоящему времени наибольшее количе

налета, почвы и т.д. (таблица).

ство геномных данных получено для Y. pestis

Однако основным объектом для извлечения

(возбудитель чумы), Variola virus (оспа), Vibrio

ДНК древних патогенов пока остаются костные

cholerae (холера), а также трёх не менее важных

останки человека. Современные методологи

эндемичных инфекционных агентов человека -

ческие подходы к выделению дДНК и подготов

Mycobacterium tuberculosis (туберкулёз), MycobacA

ке её для проведения геномного секвенирова

terium leprae (проказа) и Treponema pallidum (си

ния методом масштабного параллельного секве

филис).

нирования на платформе «Illumina» представле

ны в обзоре [8]. В данном разделе мы ограни

чимся примерами специальных методов, кото

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПАЛЕОГЕНЕТИКИ

рые используются для оценки и подтверждения

подлинности ДНК древних патогенов (процессу

При работе с дДНК, в том числе микробно

идентификации таксономии, проверки и аутен

го происхождения, извлечённой из историчес

тификации древних микробов с использовани

ких и археологических образцов, существует

ем данных высокопроизводительного секвени

ряд проблем и ограничений, обусловленных её

рования ДНК).

БИОХИМИЯ том 87 вып. 2 2022

260

МАЛЯРЧУК и др.

Источники бактериальной древней ДНК и примеры микроорганизмов и патогенов, которые были выделены

и охарактеризованы

Образец

Патоген

Кости

Mycobacterium tuberculosis, Mycobacterium leprae, Brucella melitensis, Brucella abortus,

Treponema pallidum

Зубы (пульпа)

различные патогены, передающиеся через кровь человека

Зубы (зубной камень)

бактерии микробиома полости рта (Streptococcus mutans, Porphyromonas gingivalis и др.)

Кальцинированные включения

M. tuberculosis

в легких

Мумифицированные останки

различные патогены и различные комменсальные бактерии микробиома человека

Копролиты

источник кишечной микробиоты человека

Музейные медицинские образцы

Bacillus anthracis, Vibrio cholerae, Variola virus (VARV)

органов, залитые в парафин

Янтарь

грамотрицательные протеобактерии Brevundimonas

Образцы ископаемого льда и

палеовирусы, например, Pithovirus sibericum

вечной мерзлоты

Проверка таксономии древних патогенов и

генетическое положение микроорганизмов, так

микроорганизмов. Традиционные методы опре

и надёжно идентифицировать их на родовом, а

деления таксономической принадлежности, та

иногда и на видовом уровнях. Возможность

кие как характеристика гомологий методом

быстро и недорого секвенировать десятки или

ДНК-ДНК реассоциации, для которой необхо

сотни тысяч целевых гипервариабельных после

димо изолировать и культивировать отдельные

довательностей гена 16S рРНК одновременно с

микроорганизмы, не могут применяться при ис

использованием методов секвенирования ново

следовании древних бактерий. Поэтому на на

го поколения была успешно применена в круп

чальных этапах использовался генетический

ном проекте «Human Microbiome Project» [12].

анализ древних патогенов методом ПЦР с ис

Этот подход также применялся в исследовани

пользованием праймеров, специфичных для

ях дДНК, например, для определения таксоно

маркёрных генов возбудителей инфекционных

мии ДНК, полученной из смеси костных остан

заболеваний, как, например, гена rpoB (возбуди

ков, принадлежащих различным видам живот

теля чумы Y. Pestis) [3, 4]. Основная сложность в

ных [13]. Однако этот метод не может быть на

интерпретации результатов ПЦР - присутствие

прямую применён к исследованиям древних

в древних образцах смеси бактериальных орга

бактерий, т.к. целевые гипервариабельные об

низмов, что может привести к неспецифичес

ласти гена 16S рРНК превышают среднюю дли

ким или даже ложноположительным результа

ну получаемых фрагментов молекулы бактери

там, как, например, в случае с ДНК почвенных

альной дДНК.

бактерий, содержащих последовательности, вы

В настоящее время при изучении таксоно

сокогомологичные ДНК M. tuberculosis и Y. pestis

мии метагеномных данных используют биоин

[9, 10].

форматические подходы, ориентированные на

Другой метод идентификации микроорга

сопоставление считываний с последовательнос

низмов, получивший наиболее широкое рас

тями генов 16S рРНК (например, QIIME [14] и

пространение, основан на сравнении нуклеотид

Mothur [15]) или с панелями однокопийных ге

ных последовательностей гена 16S рРНК [11].

нов (например, MetaPhlAn2 [16, 17], MIDAS [18]

Так как последовательность гена 16S рРНК

и PhyloSift [19]), сопоставление всего генома на

сходна у разных таксонов микробов, для его

основе k меров (например, Kraken

[20] и

ПЦР амплификации используют универсаль

CLARK [21, 22]), а также метод с гибридным со

ные праймеры. Анализ нуклеотидных последо

поставлением на основе k меров c расширением

вательностей 16S рРНК позволяет с высокой

выравнивания (MALT [23, 24]). Целевая ампли

степенью достоверности определять как фило

фикация гена 16S рРНК популярна для профи

БИОХИМИЯ том 87 вып. 2 2022

ПАЛЕОГЕНОМИКА ПАТОГЕНОВ

261

лирования сложных микробных сообществ, а

мер, нужно попытаться собрать геном из всех

такие программы, как QIIME и Mothur, помога

прочтений, отнесённых к одному виду). Однако

ют обрабатывать данные ампликонов, прово

обнаружение настоящих видов с малой числен

дить сортировку и таксономическое профили

ностью (особенно вирусов и бактериофагов) с

рование на основе больших баз данных генов

помощью CLARK S невозможно из за высокой

16S рРНК, таких как Greengenes

[25].

частоты ложноположительных идентификаций

DADA2 [26] и Deblur [27] - новые методы сор

с численностью менее 0,1%.

тировки прочтений гена 16S рРНК, которые бы

MALT уникален тем, что он может обеспе

ли внедрены в QIIME v2.0 и обеспечивают более

чить функциональную классификацию прочте

точную группировку прочтений, чем методы,

ний, а также таксономическую классификацию,

представленные в QIIME v1. Эти программы

но он испытывает трудности с присвоением,

требуют нескольких копий каждой последова

когда используемая база данных содержит боль

тельности, которые, хотя и являются обычными

шое количество близкородственных видов.

в наборах данных ампликонов гена 16S рРНК,

Кроме того, как и CLARK S, MALT имеет высо

вряд ли могут иметь место в наборе древних

кий процент ложноположительных определе

прочтений, которые выбираются из набора ме

ний в малочисленных таксонах.

тагеномных данных, полученных методом shot

Наименее точный метод QIIME/UCLUST

gun секвенирования, из за недостаточного пок

включает множество ложноположительных ре

рытия. В исследовании Velsko et al. [28] было по

зультатов даже при отсеивании таксонов с низ

казано, что целевая амплификация гена

кой численностью. Также результаты работы

16S рРНК из сильно фрагментированных древ

Velsko et al. [28] показывают, что это единствен

них образцов ДНК может приводить к таксоно

ная программа, чья производительность замет

мическим ошибкам из за длинных гипервариа

но отличалась между древними и современными

бельных областей и полиморфизмов длины [29],

образцами.

а ген 16S рРНК трудно собрать из метагеномов

Влияние моделей повреждения ДНК на так

из за его высококонсервативных областей [30].

сономическое распределение варьируется в раз

Одно из основных различий между разными

ных программах, но большинство протестиро

программами заключается в способе вычисления

ванных программ [28] подвержены неправиль

относительной численности. Используя набор

ному распределению только в небольшой части

однокопийных маркёрных генов, MetaPhlAn2 и

прочтений из за повреждения ДНК. В целом,

MIDAS пытаются представить долю клеток каж

результаты показывают, что для видов с высокой

дого вида, обнаруженных в образце. Это отлича

численностью таксономические ошибки сход

ется от методов на основе k меров, таких как

ны между современными и древними смодели

CLARK S и MALT, которые сообщают о доле об

рованными наборами метагеномных данных.

щей ДНК, отнесённой к каждому виду. Размер

Повреждение ДНК по разному влияет на

генома может существенно различаться между

частоту ложных срабатываний пяти протестиро

видами бактерий, и виды с большими геномами

ванных программ, но смещение базы данных го

могут казаться более многочисленными в образ

раздо сильнее влияет на профилирование наи

це, потому что большая доля ДНК принадлежит

более распространённых видов. CLARK S,

этим видам, даже если количество клеток мало.

MetaPhlAn2, MIDAS и QIIME/UCLUST имеют

Относительное число видов, полученное с по

большее количество ложноположительных оп

мощью методов идентификации на основе k ме

ределений в древних, чем в современных набо

ров, может быть нормировано на предсказанный

рах данных, однако в MetaPhlAn2 эти различия

размер генома, чтобы приблизительно опреде

не существенны. Это может быть проблемой

лить число копий клеток, даже если точный

при сравнении и сопоставлении микробных

штамм неизвестен, поскольку размер генома в

профилей древних и современных метагеномов,

значительной степени совпадает в пределах вида.

особенно для определения присутствия и рас

При рассмотрении метагеномных профилей со

пределения видов с низкой численностью. Если

обществ следует иметь в виду различие между от

не учесть более высокий процент ложнополо

носительной численностью, сообщаемой метаге

жительных результатов в древних образцах по

номными профилировщиками, нормирующими

сравнению с современными, можно сделать не

(MetaPhlAn2 и MIDAS) и ненормирующими

верный вывод о том, что многочисленные виды

(CLARK S, MALT, QIIME) число копий клеток.

с низкой частотой встречаемости были утраче

CLARK S лучше всего подходит для получе

ны в процессе эволюции. Поэтому очень жела

ния наибольшего количества определённых

тельно иметь одинаковые показатели ложнопо

прочтений или для выявления относительного

ложительных результатов для древних и совре

содержания всех фрагментов ДНК (если, напри

менных наборов данных, и такие программы,

БИОХИМИЯ том 87 вып. 2 2022

262

МАЛЯРЧУК и др.

как MALT и MetaPhlAn2, больше подходят для

Третий вид баз данных - базы данных, со

этих целей, чем CLARK S, MIDAS и QIIME/

держащие полные геномы. Их преимущество

UCLUST, поскольку показатели ложноположи

заключается в том, что они позволяют иденти

тельных результатов в древних и современных

фицировать известные микроорганизмы и пато

образцах сопоставимы как до, так и после

гены, присутствующие даже в небольших коли

фильтрации.

чествах в образце, так как любой секвенирован

Недавно Hübler et al. [31] разработали новый

ный фрагмент ДНК определённого вида микро

биоинформационный инструмент HOPS для эв

организма потенциально содержится в целевой

ристического скрининга патогенов на основе

базе данных. Следовательно, именно полноге

алгоритма mapDamage, который анализирует

номные базы данных могут быть наиболее по

данные, полученные при помощи MALT, для

лезны в исследованиях по обнаружению древ

идентификации и подтверждения подлинности

них патогенов, когда в образце ожидается при

бактериальных патогенов в древних метагеном

сутствие только следовых количеств ДНК пато

ных образцах и извлечения этой информации

генного организма. Ниже приводится перечень

для дальнейшего анализа. В сочетании с гибри

баз данных, доступных в настоящее время.

дизационным захватом для получения большего

• Genomes OnLine Database (GOLD; https://

числа последовательностей древних эукариот

gold.jgi.doe.gov), DOE Joint Genome Institute,

HOPS может позволить оценить подлинность

США.

дДНК на основе профилей повреждения ДНК,

• NCBI Reference Sequence Database (RefSeq;

даже если доступно очень мало последователь

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/refseq), National

ностей (≤50 прочтений на вид).

Center for Biotechnology Information, U.S.

Результаты выполнения HOPS можно визуа

National Library of Medicine, США.

лизировать при помощи программы MaltExtract

• NCBI GenBank Sequence Database (GenBank;

Interactive Plotting Application (MEx IPA, автор

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/), National

J. Fellows Yates; https://github.com/jfy133/MEx

Center for Biotechnology Information, U.S.

IPA) для визуализации профилей повреждения

National Library of Medicine, США.

дДНК целевых таксонов.

• Metagenome analyzer (MEGAN; https://

Базы данных, используемые при анализе древ<

computomics.com/services/megan6.html), Center

них патогенов и микроорганизмов. В настоящее

for Bioinformatics, Tübingen University, Германия.

время доступно множество разнообразных баз

• Microbial Database for Activated Sludge

данных, которые используются для метатаксо

(MiDAS; https://www.midasfieldguide.org/global),

номического анализа древних образцов. К ним

Center for Microbial Communities, Department of

относятся базы данных, ориентированные на

Chemistry and Bioscience, Aalborg University, Да

один локус, такой как ген 16S рРНК, или другие

ния.

гены, в которых представлены ортологи этих ге

• Virus Pathogen Resource (ViPR; https://www.

нов у всех видов микроорганизмов, содержа

viprbrc.org/), collaboration between the University

щихся в базе данных. Существует несколько

of Chicago and J. Craig Venter Institute, США.

крупномасштабных общедоступных баз данных

• Greengenes

16S rRNA gene database

генов 16S рРНК, каждая из которых содержит

(Greengenes, https://greengenes.secondgenome.com),

миллионы выровненных эталонных последова

Center for Environmental Biotechnology, Lawrence

тельностей: например, Ribosomal Database

Berkeley National Laboratory, California, США.

Project (RDP) - http://rdp.cme.msu.edu (свыше

• Global Initiative on Sharing Avian Influenza

млн последовательностей), база данных

Data (GISAID; http://gisaid.org).

Greengenes - https://greengenes.secondgenome.

• Virus Host DB (https://www.genome.jp/

com и проект SILVA - https://www.arb silva.de

virushostdb/), Institute for Chemical Research,

(больше 2 млн последовательностей).

Kyoto University, Япония.

Кроме того, существуют базы данных, осно

• Viral Bioinformatics Resource Center (VBRC;

ванные на нескольких локусах, состоящих из

https://4virology.net/organisms/dsdna viruses/

небольшого набора генов домашнего хозяйства

poxviridae/), University of Victoria, Канада.

бактерий. Среди них, например, база данных

• Nextstrain (https://nextstrain.org/), collabora

MetaPhlAn36, которая содержит свыше миллио

tion between researchers in Seattle, США и Basel,

на уникальных маркёрных генов, отобранных

Швейцария.

для определения конкретных микробных клад

Оценка повреждений ДНК. Так как дДНК

(бактериальных, архейных и вирусных - более

сильно фрагментирована в результате процесса

17 000 референсных последовательностей гено

депуринизации с последующим гидролизом ос

ма, полученных из более чем 7000 таксонов на

новной цепи ДНК, молекулы древней ДНК

уровне видов).

представляют собой короткие фрагменты, чаще

БИОХИМИЯ том 87 вып. 2 2022

ПАЛЕОГЕНОМИКА ПАТОГЕНОВ

263

всего 30-60 п.н., этот признак можно использо

анализом структуры и функций микробио

вать как один из маркёров для дифференциации

ма [34]. Авторы работы установили, что архео

древних последовательностей ДНК от контами

логические образцы зубного камня, демонстри

нации современной ДНК, характеризующейся

рующие плохие профили SourceTracker, не под

более длинными последовательностями. Присут

ходят для определения древнего микробиоце

ствие дезаминирования цитозина, специфич

ноза полости рта, так как он мог быть изменён в

ных замен C → T и G → A в анализируемых

результате процессов разложения или загрязне

фрагментах также может считаться признаком

ния [34].

того, что это аутентичная дДНК [6]. Оценку

Обогащение геномных библиотек. Вслед за

предполагаемого уровня дезаминирования ци

возросшей доступностью технологии массивно

тозина возможно провести при анализе резуль

го параллельного секвенирования ДНК были

татов полногеномного секвенирования по про

разработаны и методы обогащения библио

филю неправильного включения нуклеотидов

тек ДНК для изучения древних микробов.

(сдвиг нуклеотидного состава GC > TA), при

Во многих случаях нет необходимости секвени

сравнении секвенированной последовательнос

ровать весь геном патогена - иногда для целей

ти с референсным геномом, используемым при

исследования бывает достаточно получить пос

выравнивании последовательности. В настоя

ледовательности нуклеотидов нескольких опре

щее время для более достоверной количествен

деленных локусов. В таких случаях проводят

ной оценки паттернов повреждений дДНК па

обогащение библиотек для секвенирования це

тогенов широко используются биоинформаци

левыми фрагментами ДНК с помощью гибриди

онные программы, такие как, например,

зации, используя в качестве зондов одноцепо

mapDamage [32].

чечные последовательности ДНК или РНК с

Оценка стойкости возбудителя. При оценке

высокой гомологией (Hybridization capture). Та

повреждений дДНК патогенов необходимо учи

ким способом был, например, идентифициро

тывать разное время сохранности различных

ван древний штамм патогена Y. pestis, ответ

микроорганизмов. Например, известно, что

ственный за вспышку первой эпидемии чумы

грамположительные бактерии, такие как возбу

(VI-VIII вв.) [35].

дители туберкулёза и проказы (M. tuberculosis и

M. leprae), имеют клеточную стенку в несколько

раз толще, чем грамотрицательные, а присут

БАКТЕРИАЛЬНЫЕ ИНФЕКЦИИ

ствие определённых химических компонентов в

их бактериальной стенке, служащих, вероятно,

Лепра (проказа, болезнь Хансена) считается

защитой от повреждающего действия воды, мо

одной из старейших известных болезней челове

жет играть ключевую роль в сохранности

ка, основным возбудителем которой является

их ДНК. Это учитывается при оценке поврежде

бактерия M. leprae (открытая в XIX в., она стала

ний ДНК у этих патогенов, так, например, ана

первым известным человечеству возбудителем

лиз древних геномов M. leprae показал снижение

болезни). Небольшое количество случаев наи

сигнала дезаминирования [33].

более тяжёлой формы проказы связано с

Моделирование источника древней ДНК мик<

Mycobacterium lepromatosis, бактерией из сестрин

роорганизмов - один из инструментов для оцен

ского таксона [36]. Лепра - это хроническое за

ки аутентичности. Для анализа древних бакте

болевание, передающееся воздушно капельным

рий из таких источников, как зубной камень и

путём от человека к человеку, характерной осо

палеофекалии, рекомендуется проведение

бенностью болезни является поражение костей

оценки на биологическую достоверность соста

черепа (риномаксиллярный синдром) и дефор

ва микробиомного сообщества перед дальней

мации кистей и стоп. Сложность диагностики

шим анализом. Например, в исследовании

лепры в древних скелетных останках связана с

Warinner et al. [34] совокупность выделенной

тем, что идентичные изменения скелета могут

ДНК из образца зубного камня была смодели

быть вызваны другими заболеваниями, такими

рована с помощью программного инструмента

как сифилис или псориатический артрит [37].

SourceTracker как смесь ДНК, происходящая из

Поскольку M. leprae является облигатным пато

бактерий, образующих зубной налет, кожных

геном, его присутствие в останках древних лю

бактерий, почвенных бактерий и др. Используя

дей считается явным доказательством инфек

сравнение с референсными наборами совре

ции [38].

менных метагеномных данных, выбранными

Ранее на основе исторических и эпидемио

для каждого из этих источников, алгоритм оце

логических данных был проведён анализ геогра

нивал долю образца зубного камня, происходя

фического распространения проказы в древнос

щего из каждого источника, перед дальнейшим

ти, и было установлено, что вспышки проказы

БИОХИМИЯ том 87 вып. 2 2022

264

МАЛЯРЧУК и др.

связаны с периодами глобализации, такими как

стрирована возможность успешного выделе

эпоха Великого переселения народов или созда

ния ДНК и реконструкции генома M. leprae из

ние Римской империи, когда формировались

зубного камня для дальнейшего полногеномно

обширные пространства, связанные с регуляр

го секвенирования на платформе «Illuminа» в

ными контактами населения различных терри

режиме одноконцевых прочтений. Авторы по

торий или торговыми путями [39-43]. В России

лучили дДНК M. leprae, где 76% генома было

проказа известна со времён Киевской Руси, о

представлено с 5 кратным покрытием. Филоге

чём свидетельствуют палеопатологические ис

нетический анализ с использованием 164 ранее

следования костных останков из погребений

опубликованных древних и современных гено

X в. на территории Киева, который находился

мов M. leprae показал выраженное генетическое

на пересечении Великого шёлкового пути в Ев

сходство полученного древнего норвежского ге

ропе и входил в зону риска распространения

нома M. leprae с геномами других современных и

проказы в древности [44].

древних штаммов из Северной Европы. Таким

Впервые схема эволюции возбудителя про

образом, было показано, что зубной камень че

казы была предложена Monot et al. [45] на осно

ловека может служить альтернативным материа

ве сравнительного генетического анализа боль

лом для обнаружения и геномного анализа

шого количества современных образцов из раз

M. leprae в древних скелетных останках вместо

ных географических мест. Исследование пока

использования материала из костей и зубов, что

зало, что все ныне существующие случаи лепры

особенно актуально в случае невозможности диа

можно отнести к одному клону, было определе

гностики данного заболевания палеопатологи

но четыре основных штамма M. leprae, на осно

ческими методами.

вании распространения которых была предло

Вопрос о происхождении лепры на островах

жена гипотеза о возникновении заболевания в

Тихого океана является спорным. Считалось,

Восточной Африке или на Ближнем Востоке и о

что проказа была завезена на острова европей

его последующем распространении в процессе

цами во время колонизации в XIX в., но некото

миграций людей. Европейцы или выходцы из

рые палеопатологические данные предполага

Северной Африки занесли проказу в Западную

ют более раннее распространение болезни [51].

Африку и Америку в течение последних 500 лет.

Результаты недавнего исследования девяти ге

Дополнительные исследования с использовани

номов M. leprae с островов Тихого океана [52]

ем в том числе генетических данных бактерии

позволяют предположить, что бактерия могла

M. leprae, выделенной из древних останков (воз

быть завезена в Океанию во время первых миг

раст которых 1500 лет) больного проказой из

раций человека около 3000 лет назад с повтор

Египта, увеличили количество сохранившихся

ной интродукцией во время последующих миг

до наших дней разновидностей M. leprae до

раций, что подтверждает гипотезу о более ран

шестнадцати [46].

нем занесении лепры в Тихоокеанский реги

С целью анализа генетического разнообра

он [53].

зия и популяционной структуры M. leprae в ис

Культура изоляции людей, больных прока

следовании Schuenemann et al. [47] были получе

зой, и, соответственно, организация отдельных

ны геномы десяти штаммов M. leprae из костных

захоронений при лепрозориях дала возмож

останков больных проказой из различных реги

ность проведения уникального сравнительного

онов средневековой Европы (Италии, Венгрии,

генетического анализа останков людей, зара

Чехии, Великобритании и Дании), датируемых

жённых лепрой с останками из обычных захоро

IV-XIV вв. Филогения, реконструированная на

нений из той же местности и того же периода.

основе всех опубликованных средневековых и

Например, был проведён популяционный ана

современных геномов, продемонстрировала вы

лиз индивидов из кладбища лепрозория

сокое разнообразие штаммов M. leprae в средне

St. Jørgen (Дания, XIII-XVI вв.), в котором были

вековой Европе, относящихся к четырём основ

исследованы гены, связанные с иммунным ста

ным филогенетическим ветвям M. leprae, вклю

тусом. Были показаны значимые ассоциации

чая самые базальные из них, редко обнаруживае

аллеля лейкоцитарного антигена человека

мые где бы то ни было [47]. Было также показа

DRB1*15:01 и сочетание гаплотипов

но, что два древних штамма M. leprae и 52 совре

DRB1*15:01 и DQB1*06:02 с заболеванием леп

менных штамма из США являются филогенети

роматозной проказой в средневековых популя

чески близкими, что может свидетельствовать о

циях [54]. В современных популяциях аллель

том, что Европа являлась ключевым регионом

DRB1*15:01 также является фактором воспри

для раннего распространения проказы [48-50].

имчивости к проказе. Интересно, что комбина

В работе Fotakis et al. [48] на примере норвеж

ция аллелей DRB1*15:01-DQB1*06:02 пред

ского индивида XVI в. была впервые продемон

ставляет собой гаплотип, широко распростра

БИОХИМИЯ том 87 вып. 2 2022

ПАЛЕОГЕНОМИКА ПАТОГЕНОВ

265

ненный у современных европейцев [55, 56], ко

вибриона в одном из образцов седиментов

торый является генетическим фактором риска

крестцовых отверстий удалось выявить мето

развития язвенного колита, саркоидоза и рассе

дом ПЦР и секвенирования по Сэнгеру [67].

янного склероза [57-59], в то же время он защи

На сегодняшний день это единственный случай

щает от диабета 1 го типа [60].

обнаружения дДНК V. cholerae, что подтвержда

Эти различные ассоциации заболеваний

ет расширение возможностей обнаружения па

подчёркивают хорошо известную плейотропию

тогенов в археологических образцах при вклю

вариантов HLA, которые влияют на популяци

чении в анализ образцов седиментов.

онную частоту определённых гаплотипов и вно

Туберкулёз. Ещё одно заболевание, поража

сят вклад в генетическое разнообразие в области

ющее людей на протяжении тысячелетий и яв

HLA в целом. В более общем плане эти резуль

ляющееся самым смертельным из бактериаль

таты предоставляют новые доказательства гипо

ных инфекций - это туберкулёз, вызываемый

тезы о том, что древние эпидемии, например,

бактерией M. tuberculosis [68]. Несмотря на то

такие как проказа, повлияли на частоту аллелей

что геном палочки Коха активно изучается, еди

генов, связанных с воспалительными заболева

ного мнения о происхождении болезни и време

ниями в современных популяциях [61-63].

ни её появления до сих пор нет [69]. Выявление

В перспективе реконструкция того, как люди

патогена в древних останках обычно произво

адаптировались к крупным эпидемиям в прош

дится с помощью метода ПЦР с использовани

лом, поможет понять генетические факторы,

ем праймеров на гены пероксидазы, катала

участвующие в нашей нынешней предрасполо

зы (katG) и фосфолипазы C (mpt40), которые

женности к инфекционным заболеваниям.

обнаружены исключительно у бактерий

Холера - острое заболевание, вызываемое

M. tuberculosis complex (хотя mpt40 отсутствует у

грамотрицательными бактериями V. cholerae,

Mycobacterium bovis, Mycobacterium caprae и, воз

колонизирующими тонкий кишечник и выраба

можно, в некоторых других штаммах туберкулё

тывающими холерный токсин [64]. До начала

за), и, следовательно, используются в качестве

XIX в. холера была эндемична в Азии, но

специфических маркёров наличия ДНК

в 1817 г. глобализация привела к распростране

M. tuberculosis [70].

нию заболевания из Индии в другие регионы и

На основе молекулярных исследований сов

возникновению первой пандемии. Всего в

ременных геномов бактерии M. tuberculosis была

XIX-XX вв. было 6 волн эпидемии, седьмая на

выдвинута гипотеза, предполагающая, что са

чалась в конце XX в. и продолжается до сих пор;

мый недавний общий предок M. tuberculosis сле

случаи холеры регистрируются в эндемичных

довал вместе с людьми во время миграций из

районах Юго Восточной Азии, Африки и Латин

Африки на протяжении примерно 70 000 лет.

ской Америки [65]. Причиной всех волн эпиде

В то же время исследования с использованием

мии является загрязнённая вода.

древних геномов в качестве точек калибровки

К настоящему времени проведены лишь

дают гораздо более молодой возраст общего

единичные геномные исследования холерных

предка - менее 6000 лет [70, 71]. Например, ре

вибрионов из палеообразцов. Так, в 2014 г. груп

зультаты байесовского филогенетического ана

па исследователей с использованием методов

лиза недавно реконструированного генома

NGS реконструировала геном V. cholerae из сох

M. tuberculosis из останков шведского епископа

ранённого желудка жертвы второй пандемии хо

XVII в. Педера Винструпа (на сегодняшний

леры (вспышки в Филадельфии в 1849 г.). Было

день - это бактериальный геном с самым высо

показано, что этот штамм гомологичен

ким покрытием (141 кратным) и самого высо

на 95-97% референсному штамму классическо

кого качества), пять ранее опубликованных

го биовара холеры O395, отличаясь от него

древних и 255 современных геномов этого воз

203 однонуклеотидными заменами, отсутствием

будителя свидетельствуют о появлении комп

трёх геномных локусов и наличием тандемных

лекса M. tuberculosis в неолите [72].

повторов профага, содержащего ген холерного

Штаммы M. tuberculosis из человеческих ос

токсина, потенциально влияющих на вирулент

танков тысячелетнего возраста с территории

ность [66]. Выявление холерного вибриона в ар

прибрежного Перу оказались наиболее близки к

хеологических образцах затруднено тем, что в

штаммам Mycobacterium pinnipedii, поражающим

наиболее удобном материале для выделения

тюленей и морских львов [70]. Авторами выска

ДНК - костной ткани и зубной эмали, по види

зано предположение, что ластоногие могли пе

мому, невозможно обнаружить ДНК данного

реносить микобактерию от неизвестного вида

вибриона. Однако при исследовании останков

хозяина с берегов Африки к побережью Перу,

«холерного» кладбища времен пятой волны эпи

где добыча мяса и меха морского зверя способ

демии холеры в Аргентине наличие холерного

ствовала передаче бактерий людям [73]. Также

8 БИОХИМИЯ том 87 вып. 2 2022

266

МАЛЯРЧУК и др.

существуют палеопатологические свидетельства

с возвращением Колумба. Быстрое распростра

наличия туберкулёзных поражений в человечес

нение заболевания среди европейцев при этом

ких останках с островов Тихого океана, которые

объясняют отсутствием у них иммунитета к но

могли появиться ещё до контакта с европейца

вой болезни.

ми [74].

Вторая гипотеза, называемая «доколумбо

Недавнее открытие того, что гомозиготы по

вой», предполагает, что сифилис присутствовал

полиморфизму TYK2 P1104A подвержены более

у населения Старого Света ещё до контакта с

высокому риску развития клинических форм ту

Америкой, и болезнь могла распространиться в

беркулёза, стало первым доказательством моно

Евразии и Африке ещё в доисторические време

генной предрасположенности к туберкулёзу, тем

на [78]. Согласно этой версии, сифилис в древ

самым дав нам уникальную возможность изу

них европейских образцах мог быть не диагнос

чать совместную эволюцию человека и смер

тирован из за сходства симптомов с другими па

тельного патогена M. tuberculosis [75]. С исполь

тологиями, например с лепрой [79], или болезнь

зованием методов байесовского анализа на

могла стать более вирулентной, а её течение бо

большом наборе данных (1013 древних челове

лее тяжёлым только в XV в., начав быстро рас

ческих геномов, принадлежащих к семи истори

пространяться в том числе из за социальных

ческим эпохам) было показано, что современ

факторов.

ный вариант P1104A произошел от варианта об

Третья гипотеза возникновения сифилиса

щих предков жителей Западной Евразии около

является разновидностью «доколумбовой» ги

30 000 лет назад [76]. Кроме того, было выявле

потезы и предполагает, что все трепонематозы

но заметное колебание частоты P1104A в тече

(сифилис, фрамбезия, пинта, беджель) являют

ние последних 10 000 лет европейской истории

ся одним заболеванием, проявляющимся в раз

после крупномасштабных миграций анатолийс

ных формах в зависимости от климата и других

ких неолитических фермеров и евразийских

условий. Однако в настоящее время пока нет

степных пастухов в Европу. Также результатом

достоверных подтверждений этой гипотезы, хо

анализа стало обнаружение резкого уменьше

тя высказаны предположения о возможных ре

ния частоты полиморфизма после бронзового

комбинационных событиях между разными

века, что может быть связано с сильным отрица

штаммами трепонем [80].

тельным отбором, начавшимся около 2000 лет

ДНК бледной трепонемы была впервые вы

назад, с относительным снижением приспособ

явлена в образцах ДНК из костей человека

ленности гомозигот на 20%, такой показатель

в 1999 г. [81] с помощью ПЦР, но более поздние

является одним из самых высоких в геноме че

попытки закончились неудачей [82]. Исследова

ловека.

тели долгое время считали трепонему неподхо

Таким образом, источники появления и

дящим объектом для палеогенетических иссле

распространения туберкулёза в популяциях че

дований: спирохеты присутствуют в небольшом

ловека остаются не до конца изученными, по

количестве в организме и даже при жизни паци

этому дальнейшие исследования, в том числе с

ентов их бывает сложно детектировать генети

помощью методов палеогенетики, являются

ческими методами [83]. Филогенетические ис

весьма актуальными.

следования, выполненные на материале от сов

Сифилис - это древнее инфекционное забо

ременных пациентов и образцах, собранных

левание, вызываемое спирохетой T. pallidum

в 1912 г. и культивируемых в лабораторных усло

(бледная трепонема). Эпидемия этой болезни

виях, позволили реконструировать эволюцион

разразилась в Европе в конце XV в., и с тех пор

ную историю T. pallidum и обнаружить домини

вспышки сифилиса периодически возникают в

рующий кластер, всё разнообразие которого

разных частях мира (с миллионами заболевших

сформировалось в XX в. после открытия анти

каждый год), даже несмотря на открытие анти

биотиков [84].

биотиков. Вопрос происхождения сифилиса ос

Возможность проведения полногеномных

таётся спорным, выдвигались две основные ги

исследований стала прорывом в изучении сифи

потезы: «колумбовая» (американская) и «доко

лиса, поскольку короткие участки, амплифици

лумбовая» (европейская). Ещё одна гипотеза

рованные с использованием ПЦР, не могли дать

предполагает общее доколумбовое происхожде

достаточной информации о медленно эволюци

ния сифилиса и других патологий, вызванных

онирующем патогене [77]. Исследования, осно

бактериями рода Treponema [77].

ванные на методах NGS, были впервые успешно

Согласно американской гипотезе, сифилис

выполнены на трепонемах из костей приматов.

возник в Новом Свете и был завезён в Европу

После этого стало появляться всё больше и

экипажем первой американской экспедиции,

больше работ, связанных с извлечением ДНК

так как время вспышки этой болезни совпадает

трепонемы из археологических образцов.

БИОХИМИЯ том 87 вып. 2 2022

ПАЛЕОГЕНОМИКА ПАТОГЕНОВ

267

В 2018 г. был проведён первый сравнительный

ВИРУСНЫЕ ИНФЕКЦИИ

анализ полных геномов T. pallidum из древних

человеческих скелетов из колониальной Мекси

Как и в случае бактерий, гипотезы об эволю

ки XVII-XIX вв., в результате которого были по

ции вирусов высказывались только на основе

лучены данные, свидетельствующие о вероят

данных о разнообразии современных штаммов.

ных рекомбинационных событиях между раз

Накопление геномных данных из археологичес

ными подвидами трепонем [85].

ких образцов позволило сочетать в анализе

Анализ последовательностей ДНК 25 кост

древние и современные геномы. Так, исходя из

ных образцов из Рио де Жанейро позволил вы

эволюционного анализа штаммов вируса гепа

явить присутствие сифилиса в Бразилии времён

тита B, начиная с эпохи неолита, было высказа

колониального периода [86]. Также подтвержде

но предположение о том, что данный вирус су

но с помощью молекулярных методов палеопа

ществует не менее 20 000 лет [93, 94]. Помимо

тологическое предположение о случае сифилиса

изучения разнообразия штаммов вирусов во

в 150 летних останках плода (29 недель) во

временном разрезе, ещё одним актуальным нап

Франции [87]. Недавнее исследование, показав

равлением изучения истории пандемий, выз

шее более сложную, чем считалось ранее, карти

ванных вирусами, является анализ результатов

ну географического распределения ранних эпи

медицинской защиты человека от заболеваний,

демий трепонем, было основано на реконструк

в том числе вакцинации. Таким историческим

ции четырёх геномов T. pallidum из средневеко

примером служит борьба с вирусом оспы.

вой Европы (XIV-XVII вв.). Исследованные

Оспа. Натуральная оспа является высокоза

древние геномы свидетельствуют о генетичес

разным вирусным заболеванием, возбудителем

ком разнообразии T. pallidum, существовавшем в

которого является вирус оспы VARV, относя

Средние века в Старом Свете, в частности, было

щийся к семейству Poxviridae, роду Orthopoxvirus.

показано присутствие как трепонем, вызываю

Род Orthopoxvirus включает множество иммуно

щих сифилис, так и подвидов, связанных с дру

логически родственных поксвирусов, которые

гими типами трепонематозов. Однако эти ре

сильно различаются по своей способности ин

зультаты не опровергают гипотезы об интродук

фицировать разных хозяев. Вирус натуральной

ции новых штаммов трепонем из Нового Света

оспы VARV уникален среди других видов

участниками европейских экспедиций и потен

Orthopoxvirus тем, что является исключительно

циальных изменений в геномах в результате ре

человеческим патогеном.

комбинационных событий между ними и евро

Патогенный вирус VARV существует в двух

пейскими трепонемами [80].

разновидностях: Variola major, вызывающий бо

Чума. Yersinia pestis является возбудителем

лее тяжёлую клиническую форму болезни с ле

чумы - болезни, унесшей жизни около 60% на

тальностью 20-40%, а в некоторых эпидемиях -

селения Старого Света во время трёх разруши

до 90%, и Variola minor, отличающийся низкой

тельных пандемий: первой, или юстиниановой

летальностью (1-3%) [95]. На протяжении мно

чумы (VI-VIII вв.), второй, или Чёрной смерти

гих столетий оспа, или как её называли в древ

(XIV-XVIII вв.), и третьей, или современной

ности «Чёрная оспа», вызывала несколько круп

пандемии (XVIII-XIX вв.), начавшейся в Ки

номасштабных эпидемий, уровень смертности в

тае [88-90]. Сейчас чума считается проблемой

которых доходил до 70% [96]. Так, уже в XX в. от

прошлого, хотя до сих пор ежегодно регистри

оспы погибло свыше 300 млн человек [97].

руются сотни случаев заболевания в африканс

В настоящее время натуральная оспа является

ких странах [91].

единственной болезнью человека, которая была

Подробное описание последних достиже

ликвидирована в мире в результате кампании

ний в области генетических исследований

всеобщей вакцинации к 1980 г., и это достиже

Y. pestis и полученные с их помощью новые дан

ние остаётся одним из величайших триумфов

ные о наиболее известных эпидемиях чумы в

современной медицинской науки [95]. Геном

истории человечества представлены в обзоре

вируса натуральной оспы представляет собой

Кузнецовой с соавт. [92]. Наиболее важными, с

линейную двухцепочечную ДНК, содержащую

точки зрения пополнения исторических фактов

186-187 т.п.н., с инвертированными концевыми

и изучения эволюции чумной палочки, были

повторами (TIR) на обоих концах последова

находки Y. pestis в останках, датированных

тельности. Локализация генов с различными

бронзовым веком, т.е. намного ранее известных

функциями в геноме вируса натуральной оспы

пандемий. Кроме того, по мере накопления ге

не случайна: центральная часть генома разме

номных данных были установлены возможные

ром ~100 т.п.н. занята генами, которые являют

причины окончания исторически известных

ся общими с другими поксвирусами и кодируют

пандемий.

~100 белков, участвующих в первую очередь в

БИОХИМИЯ том 87 вып. 2 2022

268

МАЛЯРЧУК и др.

репликации и экспрессии вирусного генома, а

пример, вируса коровьей оспы (CPXV), чьи

также в морфогенезе вирионов [97, 98]. Вспомо

предковые CPXV подобные штаммы эволюцио

гательные гены, кодирующие белки, участвую

нировали во все современные ортопоксвирусы)

щие в различных аспектах взаимодействия ви

показал, что штаммы вируса натуральной оспы,

руса с человеком, группируются преимущест

в том числе наиболее вирулентные, после их

венно в периферических областях генома, при

расхождения от общего предка потеряли множе

мыкающих к TIR последовательностям. Эти

ство вспомогательных генов, что коррелирует с

вирусные белки отвечают за противодействие

их узким (исключительно человеческим) кругом

антивирусным ответам, включая такие, как

хозяев. Эти вирусные гены кодируют белки, со

врождённый иммунитет и запрограммирован

держащие домены межбелкового взаимодей

ную гибель клеток, и играют основную роль в

ствия, участвующие в различных внутриклеточ

уклонении от иммунитета, патогенности и ви

ных и внеклеточных сигнальных путях, такие

рулентности вируса [99, 100] (рис. 1). В 2006 г.

как белки кельх домена (kelch), анкириновые

была составлена обширная база данных с пол

белки поксвирусов (ANK), белки Bcl 2 домена

ными геномными последовательностями совре

и др. [103] (рис. 1).

менного вируса оспы VARV из ряда географи

Несмотря на то что вирус оспы активно изу

чески разделённых изолятов, собранных со все

чается с помощью молекулярно генетических

го мира [101]. Геномы всех секвенированных

методов, до сих пор остаются неизвестными

современных штаммов вируса VARV оказались

временные рамки возникновения и распростра

очень сходны между собой, что объясняется

нения вируса VARV в популяциях человека.

медленными эволюционными изменениями в

В последние десятилетия было предпринято

ДНК вирусов [102].

несколько попыток реконструировать ДНК ви

Сравнительный анализ геномов виру

руса натуральной оспы из археологических об

са VARV с геномами других поксвирусов (на разцов: последовательности геномов древних

Рис. 1. Схема строения генома вируса оспы. Сокращения: ПЛК - палиндромная концевая область; КР - конкатемер;

ТП - тандемные повторы; УНК - уникальная последовательность (без повторов). На рисунке представлены схемы стро

ения геномов: вируса коровьей оспы (CPXV) [104], древнего вируса оспы (aVARV) из археологических останков, обнару

женных на севере Европы и датируемых эпохой викингов (600-1050 гг. н.э.) [105], современного вируса натуральной ос

пы (VARV) [103], вакцинного вируса оспы (VACV). На схеме обозначены вспомогательные вирусные гены, по которым

различаются представленные геномы. Гены сортируются слева направо по категориям, в зависимости от функции (отме

чены цветом), а затем - по их положению в геноме относительно друг друга. Жёлтым, синим и красным цветом обозна

чены гены, которые присутствуют и функционируют (в случае aVARV - предположительно функционируют); серым цве

том обозначены гены, которые отсутствуют или инактивированы (в случае aVAR - это отсутствующие или предположи

тельно инактивированные гены); частично окрашенные гены обозначают, что они функционируют/инактивированны у

некоторых aVARV/VARV/VACV; белым цветом обозначены гены, информация для которых неизвестна в случае

aVARV [105, 106]

БИОХИМИЯ том 87 вып. 2 2022

ПАЛЕОГЕНОМИКА ПАТОГЕНОВ

269

вирусов оспы VARV были реконструированы из

штаммов VARV, в результате которого были об

сибирских мумий XVII-XVIII вв., мумии ребён

наружены различия в количестве функциональ

ка из Литвы, датированной XVII в., и из чешс

ных генов, относящихся к группе вспомогатель

ких музейных образцов XIX в. [107-109]. Древ

ных генов поксвирусов, отвечающих за проти

нюю ДНК патогена удалось выделить из мягких

водействие антивирусным ответам. В последо

тканей мумии, для обогащения геномных биб

вательностях ряда генов были выявлены мута

лиотек была использована стратегия гибридиза

ции (а именно: вставки, делеции или точечные

ции с последующим массивным параллельным

замены, которые приводили к появлению стоп

секвенированием на платформе «Illumina», а за

кодонов либо сдвигу рамки считывания), кото

тем было проведено сравнение с референсным

рые приводят к инактивации гена. Оказалось,

геномом современного образца вируса оспы

что по крайней мере 3 гена (CrmB, C1L и E5R),

VARV. В случае анализа древнего вируса из му

активные во всех образцах современных виру

мии ребёнка из Литвы, датированной XVII в.,

сов VARV, инактивированы у древних штаммов

авторы также предприняли попытку сборки

вирусов оспы, существовавших более

de novo генома древнего штамма VARV. Конеч

1000 лет назад.

ный геном de novo имел длину 187 565 п.н., а

В то же время 14 генов, инактивированных

консенсусная последовательность de novo имела

или отсутствующих у современных штаммов ви

идентичность 97,5% по 185 578 п.н. с референс

руса VARV, предположительно были активны в

ной последовательностью современного штам

некоторых или во всех образцах древнего виру

ма VARV. Также был реконструирован геном ви

са. Среди них обнаружилось 8 генов, которые

руса натуральной оспы из музейного образца

кодируют различные факторы вирулентности,

XVIII в. в Англии, представляющего собой сох

например, такие как C2L, F3L и A55R или, напри

ранённые в парафине ткани ребёнка, поражён

мер, ген IL1B, кодирующий цитокин IL 1 бета

ные оспой. В данном случае выделенную ДНК

семейства интерлейкина 1 (IL 1), участвующий

использовали для создания библиотек и после

в регуляции иммунных реакций и в воспали

дующего полногеномного секвенирования на

тельных процессах [105] (рис. 1). Как уже упо

платформе «Illumina» без предварительного

миналось выше, потеря подобных генов ведёт к

обогащения геномных библиотек. Филогенети

изменению вирулентности и приводит к огра

ческий анализ древнего генома со всеми доступ

ничению круга «хозяев» поксвирусов [112]. Об

ными современными и историческими генома

наруженные древние варианты вируса оспы

ми VARV продемонстрировал, что вирус XVIII в.

эпохи викингов оказались частью ранее неизвест

относится к самостоятельной линии древних

ной, а ныне вымершей вирусной клады, которая

штаммов, отличной от геномов вируса XVII в., и

эволюционировала независимо от современно

занимает эволюционное положение между ис

го VARV. Полученные данные подтверждают тео

торическими образцами вирусов XVII в. из Лит

рию редуктивной эволюции поксовирусов о

вы и современными европейскими штаммами

том, что уменьшение количества генов предпо

XX в. [110]. На основе собранных данных ранее

лагаемого предкового вируса играет решающую

был сделан вывод о времени существования об

роль в видообразовании и приводит к тому, что

щего предка всех штаммов вируса натуральной

любой вновь появляющийся вид вируса ограни

оспы - между XIV и XVII вв. Однако историчес

чивается определённой, только ему присущей

кие источники, упоминающие об оспе, такие

экологической нишей (одним

«хозяином»)

как письменные свидетельства о возможных

[105, 113].

инфекциях оспы в Индии, датируются

Данные анализа геномов древних штаммов

1500 г. до н.э., а египетские мумии с кожными

вируса натуральной оспы свидетельствуют о су

поражениями, сходными с оспой, датируются

ществовавшем высоком генетическом разнооб

ещё раньше (3570 г. до н.э.) [111].

разии вирусов оспы VARV в Европе до разработ

Результаты недавнего исследования 13 пол

ки противооспенной вакцины. Давление отбора

ногеномных последовательностей вируса нату

со стороны возрастающего уровня вакцинации,

ральной оспы, выделенных из археологических

вероятно, постепенно привело к исчезновению

останков, обнаруженных на севере Европы и да

сразу нескольких древних линий вируса VARV, а

тируемых эпохой викингов (600-1050 г. н.э.),

доступные в настоящее время геномы вируса ос

сдвинули дату самого раннего случая заболева

пы VARV представляют лишь часть генетичес

ния натуральной оспой на тысячелетие и дали

кого разнообразия VARV в прошлом [108, 110].

возможность говорить о присутствии вируса ос

Другим направлением в изучении древних

пы в Европе уже в конце VI-начале VII в. [105].

штаммов вируса оспы является вопрос истории

Авторы провели сравнение геномных последо

и эволюционных отношений различных штам

вательностей древних вирусов и современных

мов противооспенной вакцины, который до сих

БИОХИМИЯ том 87 вып. 2 2022

270

МАЛЯРЧУК и др.

пор остаётся неясным, так как нет достоверных

собой отдельный штамм коровьего вируса [116].

данных о происхождении и разнообразии виру

Ранее был проведён полногеномный анализ ис

сов, используемых в программах ранней вакци

торического штамма вируса осповакцины, вы

нации. В конце XVIII в. первооткрыватель вак

деленного из глицеринового образца, содержав

цины от оспы, Эдвард Дженнер, показал, что

шего противооспенную вакцину

«Mulford»

людей можно вакцинировать против заражения

1902 г. из Европы. В результате анализа было об

оспой, используя материал на основе вируса ко

наружено, что геном этого штамма вируса оспо

ровьей оспы (CPXV), что было намного безопас

вакцины VACV на 99,7% совпадает с вирусом ос

нее, чем существующая на тот момент практика

пы лошади HPXV, что подтверждает предпола

«вариоляции» с помощью вируса оспы VARV

гаемую роль вируса конской оспы в происхож

[114]. Вирус коровьей оспы CPXV, в отличие от

дении исторической противооспенной вакци

вируса натуральной оспы VARV, обладает наи

ны. Также авторы обнаружили у «Mulford» уни

большим генетическим разнообразием и широ

кальные делеции на обоих концах последова

ким кругом хозяев и имеет весь набор генов,

тельности размером 10,7 т.п.н. слева и 5,5 т.п.н.

присутствующих во всех других ортопоксвиру

справа, примыкающие к области TIR повторов,

сах. Предполагают, что потеря генов сыграла

присутствующие в современных штаммах VACV,

важную роль в эволюции Orthopoxvirus и что

но отсутствующие в геноме вирусов конской ос

предковые CPXV подобные штаммы эволюцио

пы HPXV и коровьей оспы CPXV [117]. Таким

нировали во все современные ортопоксвирусы в

образом, на основании данных исследований

результате «редуктивной эволюции» [113]. Од

исторических штаммов осповакцины можно

нако вирус осповакцины (VACV), который в ко

заключить, что для иммунизации европейского

нечном итоге был использован для искоренения

населения в XIX в. взаимозаменяемо использо

оспы и который содержится во всех современ

вались прививки, полученные как от коровьей,

ных противооспенных вакцинах, отличается от

так и от конской оспы. Вероятно, что существо

любого известного современного штамма CPXV.

вал и предковый вирус осповакцины (аVACV),

Биологическое происхождение VACV неизвест

который мог циркулировать в популяциях раз

но, хотя было высказано предположение о том,

личных домашних животных (лошадей и коров)

что его предком мог быть вирус, похожий на ви

в Европе в XIX в., но затем исчез и теперь не

рус конской оспы, хотя геном современного ви

имеет естественных хозяев, за исключением

руса конской оспы (HPXV) несет в себе множе

случаев заражения животных в отдельных стра

ство дополнительных генов [115]. Эта гипотеза

нах, таких как Бразилия и Индия.

подтверждается сообщением Jenner [114] о том,

В настоящее время на основе полногеном

что он получил свою более позднюю инокуля

ного анализа современных и исторических вак

цию от инфекции лошадей.

цинных штаммов все существующие штаммы

Геномный анализ вируса, ассоциированного

осповакцины разделены на 3 основных филоге

с вакциной в исторических образцах, позволил

нетических кластера: евразийский кластер,

получить данные об исторических вакцинных

включающий британский штамм Lister, китайс

штаммах вируса оспы VACV, циркулирующих в

кий штамм Tian tan и российский штамм

Филадельфии в XIX в. во время активной вакци

Tashkent; южноамериканский кластер, включа

нации американских военнослужащих [116].

ющий бразильские полевые штаммы осповак

Авторы исследовали происхождение, разнооб

цины, представленные вирусом Cantagalo; и

разие и распространение ранних штаммов про

американский или Dryvax кластер, который

тивооспенной вакцины методом полногеном

объединяет все вирусные клоны, выделенные из

ного анализа как вириона, так и метагенома,

американской вакцины Dryvax [118]. Авторы

выделенных из исторических музейных «набо

показали, что центральная часть генома VACV

ров» для вакцинации. Проведённый авторами

оказалась высококонсервативна у всех вакцин

филогенетический анализ помещает выделен

ных штаммов, а наибольшая часть основного ге

ные исторические вакцинные штаммы в кла

нетического разнообразия (делеции и инвер

ду Orthopoxvirus (OPXV). Наиболее близкими к

сии) находится в районе теломер. Обнаружено,

историческим вакцинным штаммам вируса ока

что все современные штаммы осповакци

зались как современные североамериканские

ны VACV характеризуются тремя генетическими

вакцинные штаммы VACV, так и различные

особенностями: две делеции 10,7 и 5,5 т.п.н, рас

штаммы вируса осповакцины, циркулирующие

положенные в области повторов TIR на концах

в природной среде обитания, включая южно

вирусной ДНК, а также мутация или делеция ге

американский крупный рогатый скот (Бразилия)

на DVX_213, кодирующего анкириновый белок

и буйволов из Юго Восточной Азии (Индия), а

F домена, гомолога гена B18R у вируса нату

также вирус Cantagalo (CTGV), представляющий

ральной оспы (Бангладеш), потеря которого

БИОХИМИЯ том 87 вып. 2 2022

ПАЛЕОГЕНОМИКА ПАТОГЕНОВ

271

Рис. 2. Схема модель эволюции вируса осповакцины VACV, составленная на основе геномов современных штаммов ос

повакцины VACV и исторических штаммов осповакцины, полученных из разных источников. Показаны эволюционные

процессы, которые привели к разнообразию штаммов вакцинных вирусов натуральной оспы VACV. Красным отмечены

современные вакцинные штаммы, серым - исторические вакцинные штаммы; aVACV - пул из различных исторических

предшественников всех современных вакцинных штаммов; HPXV - вирус конской оспы, гипотетический предшествен

ник исторического вакцинного вируса; CPXV - вирус коровьей оспы, гипотетический предшественник исторического

вакцинного вируса; пунктиром показан один из вероятных эволюционных процессов происхождения вируса конской ос

пы HPXV от вируса коровьей оспы CPXV

могла повлиять на вирулентность вируса VACV.

ставления об эволюционных взаимосвязях сре

Нужно отметить, что современные штаммы ви

ди ортопоксвирусов (OPV) и улучшили понима

руса осповакцины VACV не всегда группируют

ние эволюционной истории натуральной оспы.

ся в простые филогенетические деревья, соответ

Однако ещё остаются вопросы, связанные с

ствующие известным историческим отношени

происхождением вируса натуральной оспы,

ям между этими штаммами. Скорее, можно

например, каким образом VARV эволюциони

предположить, что все существующие штаммы

ровал в патоген, специфичный для человека, на

осповакцины VACV происходят из сложного на

которые должны ответить дальнейшие исследо

бора различных вакцинных вирусов (пула виру

вания.

сов), предшественников современного VACV,

которые в течение продолжительного времени

вакцинации в XIX-XX вв. были многократно

БЛИЖАЙШИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ

пассированы, распределены и произвольно

выбраны для создания штаммов современных

Длительная совместная эволюция человека

вакцин (рис. 2).

и возбудителей инфекционных заболеваний

Таким образом, можно заключить, что рекон

привела к тому, что генетическая структура че

струкция геномов древних вирусов оспы с ис

ловеческих популяций изменялась под воздей

пользованием технологий широкомасштабного

ствием инфекционных агентов. Подобные из

геномного секвенирования существенно рас

менения зачастую сопровождались отбором ге

ширила наши представления об эволюции виру

нетических вариантов в локусах, связанных с ус

са натуральной оспы. Полученные новые дан

тойчивостью к конкретным инфекционным

ные о взаимосвязях между вирусом натуральной

агентам, что уже было отмечено в первых рабо

оспы человека и другими ортопоксвирусами, в

тах, посвящённых одновременному анализу

том числе и вымершими древними штаммами

50 и более образцов дДНК [119, 120]. Ожидает

вирусов человека и животных, изменили пред

ся, что проведение исследований с использова

БИОХИМИЯ том 87 вып. 2 2022

272

МАЛЯРЧУК и др.

нием ранее неизученных древних образцов поз

отмечалось выше, важной проблемой для пра

волит выявить схожие эволюционные измене

вильной интерпретации результатов секвениро

ния в человеческих популяциях в ответ на воз

вания является сходство патогенных форм бак

действие инфекционных агентов.

терий и непатогенных форм, представленных в

Отдельный интерес представляют собой од

почве в большом количестве. Одним из путей

номоментные коллективные захоронения, по

решения этой проблемы может являться анализ

скольку возможной причиной таких захороне

почвы и седиментов из коллективных захороне

ний в некоторых случаях являлись вспышки ин

ний. Работы, опубликованные за последние два

фекционных заболеваний. Метагеномный ана

года в области генетических исследований древ

лиз ДНК из таких образцов потенциально может

них седиментов, демонстрируют их большой

выявить патоген, ставший причиной смерти.

потенциал. Во первых, в пробах из седиментов

Параллельно с увеличением технических

может содержаться ДНК, совпадающая с ДНК

возможностей секвенирования развиваются и

останков скелета [128], а также патогенов, насе

биоинформатические подходы. Большинство

лявших внутренние органы [67]. Во вторых, по

аналитических методов основано на сравнении

является возможность анализировать ДНК ок

с известными референсными последователь

ружающей среды исследуемого периода [129].

ностями современных прокариот, которых на

Молекулы РНК деградируют ещё быстрее,

текущий момент получено почти 200 000 [121].

чем ДНК, тем самым накладывая ограничения

Тем не менее даже такое количество референс

на исследования эволюции патогенов с РНК ге

ных последовательностей может быть проана

номами (вирус гриппа, вирус кори, ВИЧ и вирус

лизировано в течение нескольких часов и даже

желтой лихорадки). Тем не менее недавние ис

минут [122, 123]. Следует учитывать, однако, что

следования показывают, что в благоприятных

геномные последовательности древних образ

условиях РНК может сохраняться в течение ты

цов могут иметь большую дивергированность по

сячелетий [130, 131]. Cеквенирование геномов

сравнению с современными образами, которая

древних РНК вирусов кори и чумы крупного

дополнительно отягощается химическими мо

рогатого скота [132] является значимым событи

дификациями ДНК. Тем не менее эти методы

ем, которое позволит нам лучше понять исто

успешно применяются и для анализа древних

рию возникновения многих других патогенов на

метагеномов [124]. Однако как для современ

основе РНК. Интересно также, что фиксация

ных, так и для древних метагеномов могут при

формалином, губительная для ДНК, по види

меняться методы сборки de novo [125, 126] без

мому, не оказывает такого влияния на РНК, а,

использования референсных баз данных, что

наоборот, сохраняет её, как было показано в

позволяет получить более точную последова

случае успешной реконструкции ВИЧ из архив

тельность генома. Кроме того, регулярно прово

ных тканей [133].

дятся новые исследования: на сегодняшний

день опубликовано уже более тысячи древних

метагеномов [127]. Это позволит в будущем про

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

изводить более широкий систематический ана

лиз, а не только точечные исследования отдель

Таким образом, древняя ДНК является цен

ных образцов.

ным материалом для углубления нашего пони

Необходимо отметить основные техничес

мания того, когда возникли и как распространя

кие сложности в исследованиях, связанных с

лись и эволюционировали многие патогены. Мы

палеогенетикой, которые предстоит решить в

можем видеть, что благодаря использованию мо

ближайшем будущем. Как правило, археологи

лекулярно генетических методов палеоэпиде

ческие образцы представлены останками в виде

миология развивается быстрыми темпами, а ре

костей и зубов, однако многие известные пато

зультаты новых работ зачастую опровергают ста

гены присутствуют в других тканях, которые не

рые гипотезы или находят подтверждения тем

сохраняются с течением времени. На сегодняш

сценариям, которые считались маловероятными

ний день есть успешные работы по выделению

на основании классических подходов. Наши ны

ДНК древних патогенов из мумифицированных

нешние успехи были немыслимы ещё несколько

тканей и исторических образцов, но они пред

десятилетий назад, и можно предположить, что

ставляют собой единичные случаи. Ещё одним

дальнейший научный прогресс позволит полу

препятствием для получения полного генома

чить ещё больше информации о происхождении

древнего патогена является малое количество

и разнообразии древних патогенов.

самого патогена в археологическом материале,

Пандемия COVID 19 заставила ученых всего

что возможно решить путём увеличения числа

мира задуматься об истоках и причинах возник

«прочтений» при секвенировании. Так же, как

новения новых опасных инфекционных заболе

БИОХИМИЯ том 87 вып. 2 2022

ПАЛЕОГЕНОМИКА ПАТОГЕНОВ

273

ваний, а также о поиске механизмов возможно

ным патогенам, а также оценить влияние эпиде

го перехода вирусных патогенов от вида к виду, в

мий на генетическую структуру популяций че

частности зоонозных вирусов к человеку. В све

ловека и животных.

те этого одним из перспективных направлений в

исследовании геномов древних патогенов явля

Финансирование. Работа выполнена при фи

ется поиск и выделение ДНК и РНК палеовиру

нансовой поддержке проекта Минобрнауки

сов и бактерий, сохранившихся в мягких тканях

России, системный номер

075 10 2020 116

животных времен палеолита, найденных в Арк

(грант № 13.1902.21.0023).

тике на территории России, а также в образцах

Конфликт интересов. Авторы заявляют об от

почв из районов многолетней мерзлоты. Их изу

сутствии конфликта интересов.

чение поможет лучше понять эволюционные

Соблюдение этических норм. Настоящая

процессы формирования вирусов, исследовать

статья не содержит описания каких либо иссле

молекулярные и эволюционные механизмы

дований с участием людей или животных в каче

адаптации животных к вирусным и бактериаль

стве объектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Zink, A. R., Reischl, U., Wolf, H., and Nerlich, A. G.

13.

Murray, D. C., Haile, J., Dortch, J., White, N. E.,

(2002) Molecular analysis of ancient microbial infections,

Haouchar, D., et al. (2013) Scrapheap challenge: a novel

FEMS Microbiol. Lett., 213, 141 147, doi: 10.1111/j.1574

bulk bone metabarcoding method to investigate ancient

6968.2002.tb11298.x.

DNA in faunal assemblages, Sci. Rep.,

3371,

Buikstra, J. E., and Roberts, C. (2012) The Global History

doi: 10.1038/srep03371.

of Paleopathology: Pioneers and Prospects, Oxford

14.

Caporaso, J. G., Kuczynski, J., Stombaugh, J.,

Univ. Press.

Bittinger, K., Bushman, F. D., et al. (2010) QIIME allows

Arriaza, B. T., Salo, W., Aufderheide, A. C., and Holcomb,

analysis of high throughput community sequencing data,

T. A. (1995) Pre Columbian tuberculosis in northern

Nat. Methods, 7, 335 336, doi: 10.1038/nmeth.f.303.

Chile: Molecular and skeletal evidence, Am. J. Phys.

15.

Schloss, P. D., Westcott, S. L., Ryabin, T., Hall, J. R.,

Anthropol., 98, 37 45, doi: 10.1002/ajpa.1330980104.

Hartmann, M., et al. (2009) Introducing Mothur: open

Drancourt, M., Aboudharam, G., Signoli, M., Dutour, O.,

source, platform independent, community supported

and Raoult, D. (1998) Detection of 400 year old Yersinia

software for describing and comparing microbial commu

pestis DNA in human dental pulp: An approach to the

nities, Appl. Environ. Microbiol.,

75,

75377541,

diagnosis of ancient septicemia, Proc. Natl. Acad. Sci. USA,

doi: 10.1128/AEM.01541 09.

95, 12637 12640, doi: 10.1073/pnas.95.21.12637.

16.

Segata, N., Waldron, L., Ballarini, A., Narasimhan, V.,

Pääbo S. (1989) Ancient DNA: Extraction, characteriza

Jousson, O., et al. (2012) Metagenomic microbial commu

tion, molecular cloning, and enzymatic amplification,

nity profiling using unique clade specific marker genes,

Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 86, 1939 1943, doi: 10.1073/

Nat. Methods, 9, 811 814, doi: 10.1038/nmeth.2066.

pnas.86.6.1939.

17.

Truong, D. T., Franzosa, E. A., Tickle, T. L., Scholz, M.,

Briggs, A. W., Stenzel, U., Johnson, P. L., Green, R. E.,

Weingart, G., et al. (2015) MetaPhlAn2 for enhanced

Kelso, J., et al. (2007) Patterns of damage in genomic DNA

metagenomic taxonomic profiling, Nat. Methods, 12, 902

sequences from a Neandertal, Proc. Natl. Acad. Sci. USA,

903, doi: 10.1038/nmeth.3589.

104, 14616 14621, doi: 10.1073/pnas.0704665104.

18.

Nayfach, S., Rodriguez Mueller, B., Garud, N., and

Warinner, C., Herbig, A., Mann, A., Fellows Yates, J. A.,

Pollard, K. S. (2016) An integrated metagenomics pipeline

Weiß, C. L., et al. (2017) A Robust framework for microbial

for strain profiling reveals novel patterns of bacterial trans

archaeology, Annu. Rev. Genomics Hum. Genet., 18, 321

mission and biogeography, Genome Res., 26, 1612 1625,

356, doi: 10.1146/annurev genom 091416 035526.

doi: 10.1101/gr.201863.115.

Latham, K. E., and Miller, J. J. (2018) DNA recovery and

19.

Darling, A. E., Jospin, G., Lowe, E., Matsen, F. A., Bik,

analysis from skeletal material in modern forensic contexts,

H. M., et al. (2014) PhyloSift: phylogenetic analysis of

Forensic Sci. Res., 4, 51 59, doi: 10.1080/20961790.2018.

genomes and metagenomes, PeerJ, 2, e243, doi: 10.7717/

1515594.

peerj.243.

Müller, R., Roberts, C. A., and Brown, T. A. (2016)

20.

Wood, D. E., and Salzberg, S. L. (2014) Kraken: Ultrafast

Complications in the study of ancient tuberculosis: pres

metagenomic sequence classification using exact align

ence of environmental bacteria in human archaeological

ments, Genome Biol., 15, R46, doi: 10.1186/gb 2014 15 3 r46.

remains, J. Archaeol. Sci., 68, 5 11, doi: 10.1016/j.jas.2016.

21.

Ounit, R., Wanamaker, S., Close, T. J., and Lonardi, S.

03.002.

(2015) CLARK: Fast and accurate classification of metage

10.

Gilbert, M., Cuccui, J., White, W., Lynnerup, N., Titball,

nomic and genomic sequences using discriminative k mers,

R. W., et al. (2004) Absence of Yersinia pestis specific DNA

BMC Genomics, 16, 236, doi: 10.1186/s12864 015 1419 2.

in human teeth from five European excavations of putative

22.

Ounit, R., and Lonardi, S. (2016) Higher classification

plague victims, Microbiology (Reading), 150, 341 354,

sensitivity of short metagenomic reads with CLARK S,

doi: 10.1099/mic.0.26594 0.

Bioinformatics, 32, 3823 3825, doi: 10.1093/bioinformatics/

11.

Gilbert, J. A., Jansson, J. K., and Knight, R.

(2014)

btw542.

The Earth microbiome project: successes and aspirations.

23.

Vågene, Å. J., Herbig, A., Campana, M. G., Robles

BMC Biol., 12, 69, doi: 10.1186/s12915 014 0069 1.

Garc a, N. M., Warinner, C., et al. (2018) Salmonella

12.

Human Microbiome Project Consortium (2012) Structure,

enterica genomes from victims of a major sixteenth centu

function and diversity of the healthy human microbiome,

ry epidemic in Mexico, Nat. Ecol. Evol., 2, 520 528,

Nature, 486, 207 214, doi: 10.1038/nature11234.

doi: 10.1038/s41559 017 0446 6.

БИОХИМИЯ том 87 вып. 2 2022

274

МАЛЯРЧУК и др.

24.

Weyrich, L. S., Duchene, S., Soubrier, J., Arriola, L.,

40.

Manchester, K. (1984) Tuberculosis and leprosy in antiqui

Llamas, B., et al. (2017) Neanderthal behaviour, diet, and

ty: an interpretation, Med. Hist.,

28,

162173,

disease inferred from ancient DNA in dental calculus,

doi: 10.1017/S0025727300035705.

Nature, 544, 357 361, doi: 10.1038/nature21674.

41.

Lechat, M. F. (1999) The paleopathology of leprosy: an

25.

DeSantis, T. Z., Hugenholtz, P., Larsen, N., Rojas, M.,

overview, Int. J. Lepr. Other Mycobact. Dis., 67, 460 470.

Brodie, E. L., et al. (2006) Greengenes, a chimera

42.

Brothwell, D. R., Powers, R., and Hirst, S. M. (2000) In

checked 16S rRNA gene database and workbench compat

Cannington Cemetery: Excavations 1962A3 of Prehistoric,

ible with ARB, Appl. Environ. Microbiol., 72, 5069 5072,

Roman, postARoman and Later Features at Cannington Park

doi: 10.1128/AEM.03006 05.

Quarry, Near Bridgewater, Somerset, London: Britannia

26.

Callahan, B. J., McMurdie, P. J., Rosen, M. J., Han,

Monograph Series No. 17, Society for the Promotion of

A. W., Johnson, A. J. A., et al. (2016) DADA2: High reso

Roman Studies, pp. 195 256.

lution sample inference from Illumina amplicon data, Nat.

43.

Blondiaux, J., Dürr, J., Khouchaf, L., and Eisenberg, L. E.

Methods, 13, 581 583, doi: 10.1038/nmeth.3869.

(2002) In The Past and Present of Leprosy. Archaeological,

27.

Amir, A., McDonald, D., Navas Molina, J. A.,

Historical, Palaeopathological and Clinical Approaches

Kopylova, E., Morton, J. T., et al. (2017) Deblur rapidly

(Roberts, Ch. A., Lewis, M., and Manchester, K., eds.)

resolves single nucleotide community sequence patterns,

BAR International Series 1054, Oxford, Archaeopress.

mSystems, 2, e00191 16, doi: 10.1128/mSystems.00191 16.

44.

Козак А. Д. (2002) К вопросу о существовании проказы

28.

Velsko, I. M., Frantz, L. A. F., Herbig, A., Larson, G., and

в древнем Киеве, OPUS: междисциплинарные исследоваA

Warinner, C. (2018) Selection of appropriate metagenome

ния в археологии, Изд во ИА РАН, Москва, вып. 1 2.

taxonomic classifiers for ancient microbiome research,

45.

Monot, M., Honoré, N., Garnier, T., Araoz, R., Coppée,

mSystems, 3, e00080 18, doi: 10.1128/mSystems.00080 18.

J. Y., et al. (2005) On the origin of leprosy, Science, 308,

29.

Ziesemer, K. A., Mann, A. E., Sankaranarayanan, K.,

1040 1042, doi: 10.1126/science/1109759.

Schroeder, H., Ozga, A. T., et al. (2015) Intrinsic chal

46.

Monot, M., Honoré, N., Garnier, T., Zidane, N.,

lenges in ancient microbiome reconstruction using 16S

Sherafi, D., et al. (2009) Comparative genomic and phylo

rRNA gene amplification, Sci. Rep.,

16498,

geographic analysis of Mycobacterium leprae, Nat. Genet.,

doi: 10.1038/srep16498.

41, 1282 1289, doi: 10.1038/ng.477.

30.

Yuan, C., Lei, J., Cole, J., and Sun, Y.

(2015)

47.

Schuenemann, V. J., Avanzi, C., Krause Kyora, B.,

Reconstructing 16S rRNA genes in metagenomic data,

Seitz, A., Herbig, A., et al. (2018) Ancient genomes reveal

Bioinformatics, 31, i35 i43, doi: 10.1093/bioinformatics/

a high diversity of Mycobacterium leprae in medieval

btv231.

Europe, PLoS Pathog., 14, 1 17, doi: 10.1371/journal.ppat.

31.

Hübler, R., Key, F. M., Warinner, C., Bos, K. I., Krause, J.,

1006997.

et al. (2019) HOPS: Automated detection and authentica

48.

Fotakis, A. K., Denham, S. D., Mackie, M., Orbegozo,

tion of pathogen DNA in archaeological remains, Genome

M. I., Mylopotamitaki, D., et al. (2020) Multi omic detec

Biol., 20, 280, doi: 10.1186/s13059 019 1903 0.

tion of Mycobacterium leprae in archaeological human den

32.

Jónsson, H., Ginolhac, A., Schubert, M., Johnson, P. L.,

tal calculus, Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci., 375,

and Orlando, L. (2013) mapDamage2.0: Fast approximate

1812, doi: 10.1098/rstb.2019.0584.

Bayesian estimates of ancient DNA damage parameters,

49.

Mendum, T. A., Schuenemann, V. J., Roffey, S., Taylor,

Bioinformatics, 29, 1682 1684, doi: 10.1093/bioinformatics/

G. M., Wu, H., et al. (2014) Mycobacterium leprae

btt193.

genomes from a British medieval leprosy hospital: Towards

33.

Schuenemann, V. J., Singh, P., Mendum, T. A., Krause

understanding an ancient epidemic, BMC Genomics, 15,

Kyora, B., Jäger, G., et al. (2013) Genome wide compari

270, doi: 10.1186/1471 2164 15 270.

son of medieval and modern Mycobacterium leprae,

50.

Neukamm, J., Pfrengle, S., Molak, M., Seitz, A.,

Science, 341, 179 183, doi: 10.1126/science.1238286.

Francken, M., et al.

(2020)

2000 year old pathogen

34.

Warinner, C., Rodrigues, J. F., Vyas, R., Trachsel, C.,

genomes reconstructed from metagenomic analysis of

Shved, N., et al. (2014) Pathogens and host immunity in

Egyptian mummified individuals, BMC Biol., 18, 108,

the ancient human oral cavity, Nat. Genet., 46, 336 344,

doi: 10.1186/s12915 020 00839 8.

doi: 10.1038/ng.2906.

51.

Robbins, G., Tripathy, V. M., Misra, V. N., Mohanty, R.

35.

Wagner, D. M., Klunk, J., Harbeck, M., Devault, A.,

K., Shinde, V. S., et al. (2009) Ancient skeletal evidence for

Waglechner, N., et al. (2014) Yersinia pestis and the plague

leprosy in India

(2000

B.C.), PLoS One, 4, e5669,

of Justinian 541 543 AD: A genomic analysis, Lancet Infect.

doi: 10.1371/journal.pone.0005669.

Dis., 14, 319 326, doi: 10.1016/S1473 3099(13)70323 2.

52.

Blevins, K. E., Crane, A. E., Lum, C., Furuta, K., Fox, K.,

36.

Skinsnes O. K. (1973) Notes from the history of leprosy. I.

et al. (2020) Evolutionary history of Mycobacterium leprae

Interpretive chronology of leprosy concept and practice,

in the Pacific Islands, Philos. Trans. R Soc. B, 378,

Int. J. Lepr. Other Mycobact. Dis., 41, 220 233.

20190582, doi: 10.1098/rstb.2019.0582.

37.

Ortner, D. J., and Putschar, W. G. J. (1985) Identification of

53.

Stone, A. C., Lewis, C. M. Jr., and Schuenemann, V. J.

Pathological Conditions in Human Skeletal Remains,

(2020) Insights into health and disease from ancient bio

Washington DC: Smithsonian Institution Press.

molecules, Phil. Trans. R. Soc. B, 375, doi: 10.1098/

38.

Donoghue, H. D., Gladykowska Rzeczycka, J.,

rstb.2019.0568.

Marcsik, A., Holton, J., and Spigelman, M.

(2002)

54.

Krause Kyora, B., Nutsua, M., Boehme, L., Pierini, F.,

Mycobacterium leprae in archaeological samples, in The

Pedersen, D. D., et al. (2018) Ancient DNA study reveals

Past and Present of Leprosy. Archaeological, Historical,

HLA susceptibility locus for leprosy in medieval

Palaeopathological and Clinical Approaches (Roberts,

Europeans, Nat. Commun., 9, 1569, doi: 10.1038/s41467

Ch. A., Lewis, M., and Manchester, K., eds.) BAR

018 03857 x.

International Series 1054, Bradford, pp. 271 286.

55.

Schipper, R. F., Schreuder, G. M., D’Amaro, J., and

39.

Buzhilova, A. (2002) In The Past and Present of Leprosy.

Oudshoorn, M. (1996) HLA gene and haplotype frequen

Archaeological, Historical, Palaeopathological and Clinical

cies in Dutch blood donors, Tissue Antigens, 48, 562 574,

Approaches (Roberts, Ch. A., Lewis, M., and

doi: 10.1111/j.1399 0039.1996.tb02670.x.

Manchester, K., eds.) BAR International Series 1054,

56.

Müller, C. R., Ehninger, G., and Goldmann, S. F. (2003)

Oxford, Archaeopress, pp. 123 133.

Gene and haplotype frequencies for the loci HLA A,

БИОХИМИЯ том 87 вып. 2 2022

ПАЛЕОГЕНОМИКА ПАТОГЕНОВ

275

HLA B, and HLA DR based on over 13,000 German

terium tuberculosis genome supports a Neolithic emergence

blood donors, Hum. Immunol., 64, 137 151, doi: 10.1016/

of the Mycobacterium tuberculosis complex, Genome Biol.,

s0198 8859(02)00706 1.

21, 201, doi: 10.1186/s13059 020 02112 1.

57.

International Multiple Sclerosis Genetics Consortium,

73.

Silva Pereira, T. T., Ikuta, C. Y., Zimpel, C. K.,

Hafler, D. A., Compston, A., Sawcer, S., Lander, E. S.,

Camargo, N., de Souza Filho, A. F., et al. (2019) Genome

et al. (2007) Risk alleles for multiple sclerosis identified by

sequencing of Mycobacterium pinnipedii strains: genetic

a genomewide study, N. Engl. J. Med., 357, 851 862,

characterization and evidence of superinfection in a South

doi: 10.1056/NEJMoa073493.

American sea lion (Otaria flavescens), BMC Genomics, 20,

58.

Gregersen, J. W., Kranc, K. R., Ke, X., Svendsen, P.,

1030, doi: 10.1186/s12864 019 6407 5.

Madsen, L. S., et al. (2006) Functional epistasis on a com

74.

McDonald, S. K., Matisoo Smith, E. A., Buckley, H. R.,

mon MHC haplotype associated with multiple sclerosis,

Walter, R. K., Aung, H. L., et al. (2020) “TB or not TB”:

Nature, 443, 574 577, doi: 10.1038/nature05133.

the conundrum of pre European contact tuberculosis in

59.

Fischer, A., Grunewald, J., Spagnolo, P., Nebel, A.,

the Pacific, Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci., 375,

Schreiber, S., et al. (2014) Genetics of sarcoidosis, Semin.

doi: 10.1098/rstb.2019.0583.

Respir. Crit. Care Med., 35, 296 306, doi: 10.1055/s 0034

75.

Abel, L., Fellay, J., Haas, D. W., Schurr, E., Srikrishna, G.,

1376860.

et al. (2018) Genetics of human susceptibility to active and

60.

Hu, X., Deutsch, A. J., Lenz, T. L., Onengut

latent tuberculosis: Present knowledge and future perspec

Gumuscu, S., Han, B., et al. (2015) Additive and interac

tives, Lancet Infect. Dis., 18, e64 e75, doi: 10.1016/S1473

tion effects at three amino acid positions in HLA DQ and

3099(17)30623 0.

HLA DR molecules drive type 1 diabetes risk, Nat. Genet.,

76.

Kerner, G., Laval, G., Patin, E., Boisson Dupuis, S.,

47, 898 905. doi: 10.1038/ng.3353.

Abel, L., et al. (2021). Human ancient DNA analyses

61.

Karlsson, E. K., Kwiatkowski, D. P., and Sabeti, P. C.

reveal the high burden of tuberculosis in Europeans over

(2014) Natural selection and infectious disease in human

the last 2,000 years, Am. J. Hum. Genet., 108, 517 524,

populations, Nat. Rev. Genet., 15, 379 393, doi: 10.1038/

doi: 10.1016/j.ajhg.2021.02.009.

nrg3734.

77.

Gogarten, J. F., Düx, A., Schuenemann, V. J., Nowak, K.,

62.

Dom nguez Andrés, J., Kuijpers, Y., Bakker, O. B.,

Boesch, C., et al. (2016) Tools for opening new chapters in

Jaeger, M., Xu, C. J., et al. (2021) Evolution of cytokine

the book of Treponema pallidum evolutionary history, Clin.

production capacity in ancient and modern European pop

Microbiol. Infect.,

22,

916921, doi:

10.1016/j.cmi.

ulations, Elife, 10, e64971, doi: 10.7554/eLife.64971.

2016.07.027.

63.

Kerner, G., Patin, E., and Quintana Murci, L. (2021) New

78.

Hackett, C. J. (1963) On the origin of the human trepone

insights into human immunity from ancient genomics,

matoses (pinta, yaws, endemic syphilis and venereal

Curr. Opin. Immunol., 72, 116 125, doi: 10.1016/j.coi.2021.

syphilis), Bull. World Health Organ., 29, 7 41.

04.006.

79.

Rothschild, B. M. (2005) History of syphilis, Clin. Infect.

Faruque, S. M., Albert, M. J., and Mekalanos, J. J. (1998)

Dis., 40, 1454 1463, doi: 10.1086/429626.

Epidemiology, genetics, and ecology of toxigenic Vibrio

80.

Majander, K., Pfrengle, S., Kocher, A., Neukamm, J., du

cholerae, Microbiol. Mol. Biol. Rev., 62, 13011314,

Plessis, L., et al. (2020) Ancient bacterial genomes reveal a

doi: 10.1128/MMBR.62.4.1301 1314.1998.

high diversity of Treponema pallidum strains in early mod

65.

Piret, J., and Boivin, G. (2021) Pandemics throughout his

ern Europe, Curr. Biol., 30, 3788 3803, doi: 10.1016/

tory, Front. Microbiol., 11, 631736, doi: 10.3389/fmicb.

j.cub.2020.07.058.

2020.631736.

81.

Kolman, C. J., Centurion Lara, A., Lukehart, S. A.,

66.

Devault, A. M., Golding, G. B., Waglechner, N., Enk,

Owsley, D. W., and Tuross, N. (1999) Identification of

J. M., Kuch, M., et al. (2014) Second pandemic strain of

Treponema pallidum subspecies pallidum in a 200 year old

Vibrio cholerae from the Philadelphia cholera outbreak of

skeletal specimen, J. Infect. Dis.,

180,

20602063,

1849, N. Engl. J. Med., 370, 334 340, doi: 10.1056/

doi: 10.1086/315151.

NEJMoa1308663.

82.

Von Hunnius, T. E., Yang, D., Eng, B., Waye, J. S., and

67.

Ramirez, D. A., Saka, H. A., and Nores, R. (2021)

Saunders, S. R. (2007) Digging deeper into the limits of

Detection of Vibrio cholerae aDNA in human burials from

ancient DNA research on syphilis, J. Archaeol. Sci., 34,

the fifth cholera pandemic in Argentina (1886 1887 AD),

2091 2100, doi: 10.1016/j.jas.2007.02.007.

Int. J. Paleopathol., 32, 74 79, doi: 10.1016/j.ijpp.2020.

83.

Bouwman, A. S., and Brown, T. A. (2005) The limits of

12.004.

biomolecular palaeopathology: ancient DNA cannot be

68.

Gagneux, S.

(2018) Ecology and evolution of

used to study venereal syphilis, J. Archaeol. Sci., 32, 703

Mycobacterium tuberculosis, Nat. Rev. Microbiol., 16, 202

713, doi: 10.1016/j.jas.2004.11.014.

213, doi: 10.1038/nrmicro.2018.8.

84.

Arora, N., Schuenemann, V. J., Jäger, G., Peltzer, A.,

69.

Menardo, F., Duchene, S., Brites, D., and Gagneux, S.

Seitz, A., et al. (2016) Origin of modern syphilis and emer

(2019) The molecular clock of Mycobacterium tuberculosis,

gence of a pandemic Treponema pallidum cluster, Nat.

PLoS Pathol., 15, e1008067, doi: 10.1371/journal.ppat.

Microbiol., 2, 16245, doi: 10.1038/nmicrobiol.2016.245.

1008067.

85.

Schuenemann, V. J., Lankapalli, A. K., Barquera, R.,

70.

Bos, K. I., Harkins, K. M., Herbig, A., Coscolla, M.,

Nelson, E. A., Ira z Hernández, D., et al. (2018) Historic

Weber, N., et al. (2014) Pre Columbian mycobacterial

Treponema pallidum genomes from Colonial Mexico

genomes reveal seals as a source of New World human

retrieved from archaeological remains, PLoS Negl. Trop.

tuberculosis, Nature,

514,

494497, doi:

10.1038/

Dis., 12, e0006447, doi: 10.1371/journal.pntd.0006447.

nature13591.

86.

Guedes, L., Dias, O., Neto, J., Ribeiro da Silva, L. D. P.,

71.

Kay, G. L., Sergeant, M. J., Zhou, Z., Chan, J. Z.,

Mendonça de Souza, S. M. F., et al. (2018) First paleoge

Millard, A., et al. (2015) Eighteenth century genomes

netic evidence of probable syphilis and treponematoses

show that mixed infections were common at time of peak

cases in the Brazilian Colonial Period, Biomed Res. Int.,

tuberculosis in Europe, Nat. Commun.,

6717,

8304129, doi: 10.1155/2018/8304129.

doi: 10.1038/ncomms7717.

87.

Meffray, A., Perrin, M., Richier, A., Schmitt, A.,

72.

Sabin, S., Herbig, A., Vågene, Å. J., Ahlström, T.,

Ardagna, Y., et al.

(2019) Molecular detection of

Bozovic, G., et al. (2020) A seventeenth century MycobacA

Treponema pallidum subspecies pallidum in 150 year old

БИОХИМИЯ том 87 вып. 2 2022

276

МАЛЯРЧУК и др.

foetal remains, southeastern France, J. Med. Microbiol.,

105. Mühlemann, B., Vinner, L., Margaryan, A.,

68, 761 769, doi: 10.1099/jmm.0.000978.

Wilhelmson, H., de la Fuente Castro, C., et al. (2020)

88. Stenseth, N. C., Atshabar, B. B., Begon, M., Belmain,

Diverse variola virus (smallpox) strains were widespread in

S. R., Bertherat, E., et al. (2008) Plague: Past, present, and

northern Europe in the Viking Age, Science,

369,

future, PLoS Med., 5, e3, doi: 10.1371/journal.pmed.

eaaw8977, doi: 10.1126/science.aaw8977.

0050003.

106. Shchelkunov, S. N. (2012) Orthopoxvirus genes that medi

89. Scott, S., and Duncan, C. J. (2001) Biology of Plagues:

ate disease virulence and host tropism, Adv. Virol., 2012,

Evidence from Historical Populations, Cambridge University

524743, doi: 10.1155/2012/524743.

Press, Cambridge, UK.

107. Pajer, P., Dresler, J., Kab ckova, H., P sa, L., Aganov, P.,

90. Frith, J. (2012) The history of plague - Part 1. The three

et al. (2017) Characterization of two historic smallpox

great pandemics, J. Mil. Veterans’ Health, 20, 11 16.

specimens from a Czech Museum, Viruses, 9, 200,

91. Barbieri, R., Signoli, M., Chevé, D., Costedoat, C.,

doi: 10.3390/v9080200.

Tzortzis, S., et al. (2020) Yersinia pestis: the natural history

108. Duggan, A. T., Perdomo, M. F., Piombino Mascali, D.,

of Plague, Clin. Microbiol. Rev.,

34, e00044 19,

Marciniak, S., Poinar, D., et al. (2016) 17th century Variola

doi: 10.1128/CMR.00044 19.

virus reveals the recent history of smallpox, Curr. Biol., 26,

92. Кузнецова И. Л., Андреева Т. В., Малярчук А. Б., Ку

3407 3412, doi: 10.1016/j.cub.2016.10.061.

нижева С. С., Тяжелова Т. В., и др. (2021) Геномика

109. Biagini, P., Thèves, C., Balaresque, P., Géraut, A.,

древних патогенов на примере чумной палочки

Cannet, C., et al. (2012) Variola virus in a 300 year old

(Yersinia pestis) в историческом контексте, Российская

Siberian mummy, N. Engl. J. Med., 367, 2057 2059,

археология (в печати).

doi: 10.1056/NEJMc1208124.

93. Kocher, A., Papac, L., Barquera, R., Key, F. M., Spyrou,

110. Ferrari, G., Neukamm, J., Baalsrud, H. T., Breidenstein,

M. A., et al. (2021) Ten millennia of hepatitis B virus evo

A. M., Ravinet, M., et al. (2020) Variola virus genome

lution, Science, 374, 182188, doi: 10.1126/science.

sequenced from an eighteenth century museum specimen

abi5658.

supports the recent origin of smallpox, Philos. Trans.

94. Mühlemann, B., Jones, T.C., Damgaard, P. B., Allentoft,

R. Soc. Lond. B Biol. Sci., 375, doi: 10.1098/rstb.

M. E., Shevnina, I., et al. (2018) Ancient hepatitis B virus

2019.0572.

es from the Bronze Age to the Medieval period, Nature,

111.

Hopkins, D. R. (1983) Princes and Peasants: Smallpox in

557, 418 423, doi: 10.1038/s41586 018 0097 z.

History, Univ. of Chicago Press, Chicago and London.

95. Fenner, F., Henderson, D. A., Arita, I., Ježek, Z., and

112. Kochneva, G., Kolosova, I., Maksyutova, T.,

Ladnyi, I. D. (1988) Smallpox and Its Eradication, World

Ryabchikova, E., and Shchelkunov, S. (2005) Effects of

Health Organization, Geneva, Switzerland.

deletions of kelch like genes on cowpox virus biological

96. Hopkins, D. R. (2002) The Greatest Killer: Smallpox in

properties, Arch. Virol., 150, 1857 1870, doi: 10.1007/

History, University of Chicago Press, Chicago, IL.

s00705 005 0530 0.

97. Massung, R. F., Liu, L. I., Qi, J., Knight, J. C., Yuran,

113. Hendrickson, R. C., Wang, C., Hatcher, E. L., and

T. E., et al. (1994) Analysis of the complete genome of

Lefkowitz, E. J (2010) Orthopoxvirus genome evolution:

smallpox Variola major virus strain Bangladesh 1975,

the role of gene loss, Viruses, 2, 1933 1967, doi: 10.3390/

Virology, 201, 215 240, doi: 10.1006/viro.1994.1288.

v2091933.

98. Massung, R. F., Loparev, V. N., Knight, J. C., Totmenin,

114. Jenner, E. (1798) An Inquiry into the Causes and Effects of

A. V., Chizhikov, V. E., et al. (1996) Terminal region

the Variolae Vaccinae: A Disease Discovered in Some of the

sequence variations in variola virus DNA, Virology, 221,

Western Counties of England, Particularly Gloucestershire,

291 300, doi: 10.1006/viro.1996.0378.

and Known by the Name of Cow Pox, London: Printed for

99. Shchelkunov, S. N., Massung, R. F., and Esposito, J. J.

the author by Samson Low, No. 7, Berwick Street, Soho.

(1995) Comparison of the genome DNA sequences of

115. Tulman, E. R., Delhon, G., Afonso, C. L., Lu, Z.,

Bangladesh 1975 and India 1967 variola viruses, Virus

Zsak, L., et al. (2006) Genome of horsepox virus, J. Virol.,

Res., 36, 107 118, doi: 10.1016/0168 1702(94)00113 q.

80, 9244 9258, doi: 10.1128/JVI.00945 06.

100. Shchelkunov, S. N., Totmenin, A. V., Loparev, V. N.,

116. Duggan, A. T., Klunk, J., Porter, A. F., Dhody, A. N.,

Safronov, P. F., Gutorov, V. V., et al. (2000) Alastrim small

Hicks, R., et al. (2020) The origins and genomic diversity

pox Variola minor virus genome DNA sequences, Virology,

of American Civil War Era smallpox vaccine strains,

266, 361 386, doi: 10.1006/viro.1999.0086.

Genome Biol., 21, 175, doi: /10.1186/s13059 020 02079 z.

101. Esposito, J. J., Sammons, S. A., Frace, A. M., Osborne,

117. Schrick, L., Tausch, S. H., Dabrowski, P. W., Damaso,

J. D., Olsen Rasmussen, M., et al. (2006) Genome

C. R., Esparza, J., et al. (2017) An early American small

sequence diversity and clues to the evolution of variola

pox vaccine based on horsepox, N. Engl. J. Med., 377,

(smallpox) virus, Science, 313, 807 812, doi: 10.1126/

1491 1492, doi: 10.1056/NEJMc1707600.

science.1125134.

118. Qin, L., Favis, N., Famulski, J., and Evans, D. H. (2015)

102. Duchêne, S., Holmes, E. C., and Ho, S. Y. (2014) Analyses

Evolution of and evolutionary relationships between extant

of evolutionary dynamics in viruses are hindered by a time

vaccinia virus strains, J. Virol.,

89,

18091824,

dependent bias in rate estimates, Proc. Biol. Sci., 281,

doi: 10.1128/JVI.02797 14.

20140732, doi: 10.1098/rspb.2014.0732.

119. Mathieson, I., Lazaridis, I., Rohland, N., Mallick, S.,

103. Senkevich, T. G., Yutin, N., Wolf, Y. I., Koonin, E. V., and

Patterson, N., et al. (2015) Genome wide patterns of

Moss, B. (2021) Ancient gene capture and recent gene loss

selection in 230 ancient Eurasians, Nature, 528, 499 503,

shape the evolution of orthopoxvirus-host interaction

doi: 10.1038/nature16152.

genes, mBio, 12, e0149521, doi: 10.1128/mBio.01495 21.

120. Lindo, J., Huerta Sánchez, E., Nakagome, S.,

104. Shchelkunov, S. N., Safronov, P. F., Totmenin, A. V.,

Rasmussen, M., Petzelt, B., et al. (2016) A time transect of

Petrov, N. A., Ryazankina, O. I., et al. (1998) The genom

exomes from a Native American population before and

ic sequence analysis of the left and right species specific

after European contact, Nat. Commun.,

13175,

terminal region of a cowpox virus strain reveals unique

doi: 10.1038/ncomms13175.

sequences and a cluster of intact ORFs for immunomodu

121. Li, W., O’Neill, K. R., Haft, D. H., DiCuccio, M.,

latory and host range proteins, Virology, 243, 432 460,

Chetvernin, V., et al. (2021) RefSeq: expanding the

doi: 10.1006/viro.1998.9039.

Prokaryotic Genome Annotation Pipeline reach with pro

БИОХИМИЯ том 87 вып. 2 2022

ПАЛЕОГЕНОМИКА ПАТОГЕНОВ

277

tein family model curation, Nucleic Acids Res., 49, D1020

128. Vernot, B., Zavala, E. I., Gómez Olivencia, A., Jacobs, Z.,

D1028, doi: 10.1093/nar/gkaa1105.

Slon, V., et al. (2021) Unearthing Neanderthal population

122. Pierce, N. T., Irber, L., Reiter, T., Brooks, P., and Brown,

history using nuclear and mitochondrial DNA from cave sed

C. T. (2019) Large scale sequence comparisons with sour

iments, Science, 372, eabf1667, doi: 10.1126/science.abf1667.

mash, F1000Res., 8, 1006, doi: 10.12688/f1000research.

129. Zavala, E. I., Jacobs, Z., Vernot, B., Shunkov, M. V.,

19675.1.

Kozlikin, M. B., et al. (2021) Pleistocene sediment DNA

123. Wood, D. E., Lu, J., and Langmead, B. (2019) Improved

reveals hominin and faunal turnovers at Denisova Cave,

metagenomic analysis with Kraken 2, Genome Biol., 20,

Nature, 595, 399 403, doi: 10.1038/s41586 021 03675 0.

257, doi: 10.1186/s13059 019 1891 0.

130. Ng, T. F., Chen, L. F., Zhou, Y., Shapiro, B., Stiller, M.,

124. Cárdenas, Y. O. A., Neuenschwander, S., and

et al. (2014) Preservation of viral genomes in 700 y old cari

Malaspinas, A. S. (2021) Benchmarking metagenomics

bou feces from a subarctic ice patch, Proc. Natl. Acad. Sci.

classifiers on ancient viral DNA: a simulation study,

USA, 111, 16842 16847, doi: 10.1073/pnas.1410429111.

bioRxiv, doi: 10.1101/2021.04.30.442132.

131. Smith, O., Dunshea, G., Sinding, M. S., Fedorov, S.,

125. Wibowo, M. C., Yang, Z., Borry, M., Hübner, A., Huang,

Germonpre, M., et al. (2019) Ancient RNA from Late

K. D., et al. (2021) Reconstruction of ancient microbial

Pleistocene permafrost and historical canids shows tissue

genomes from the human gut, Nature, 594, 234 239,

specific transcriptome survival, PLoS Biol., 17, e3000166,

doi: 10.1038/s41586 021 03532 0.

doi: 10.1371/journal.pbio.3000166.

126. Borry, M., Hübner, A., Rohrlach, A. B., and Warinner, C.

132. Düx, A., Lequime, S., Patrono, L. V., Vrancken, B.,

(2021) PyDamage: automated ancient damage identifica

Boral, S., et al. (2020) Measles virus and rinderpest virus

tion and estimation for contigs in ancient DNA de novo

divergence dated to the sixth century BCE, Science,

assembly, PeerJ, 9, e11845, doi: 10.7717/peerj.11845.

368:1367 1370, doi: 10.1126/science.aba9411.

127. Fellows Yates, J. A., Andrades Valtueña, A., Vågene, Å. J.,

133. Gryseels, S., Watts, T. D., Kabongo Mpolesha, J. M.,

Cribdon, B., Velsko, I. M., et al. (2021) Community curat

Larsen, B. B., Lemey, P., et al. (2020) A near full length

ed and standardised metadata of published ancient metage

HIV 1 genome from 1966 recovered from formalin fixed

nomic samples with AncientMetagenomeDir, Sci. Data, 8,

paraffin embedded tissue, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 117,

31, doi: 10.1038/s41597 021 00816 y.

12222 12229, doi: 10.1073/pnas.1913682117.

GENOMICS OF ANCIENT PATHOGENS:

FIRST ADVANCES AND PROSPECTS

Review

A. B. Malyarchuk¹*, T. V. Andreeva^1,2, I. L. Kuznetsova^2,3, S. S. Kunizheva^2,3,

M. S. Protasova², L. I. Uralsky^2,3, T. V. Tyazhelova², F. E. Gusev²,

A. D. Manakhov^2,3, and E. I. Rogaev^2,3,4*

¹ Center for Genetics and Genetic Technologies, Faculty of Biology, Lomonosov Moscow State University,

119234 Moscow, Russia; eAmail: a_malyarchuk98@mail.ru

² Vavilov Institute of General Genetics, Russian Academy of Sciences, 119333 Moscow, Russia; eAmail: rogaev@vigg.ru

³ Center for Genetics and Life Science, Sirius University of Science and Technology, 354340 Sochi, Russia

⁴ Department of Psychiatry, UMass Chan Medical School, Shrewsbury, MA 01545, USA

The development of paleogenomic studies is one of the actual and perspective areas of interdisciplinary research in

today’s world science. New genomic methods of ancient DNA (aDNA) analysis, such as high throughput sequenc

ing (NGS) technologies, allow not only to obtain detailed genetic information about historical and prehistoric human

populations, but also to study individual microbial and viral pathogens and microbiomes from different ancient and

historical sites. Studies of aDNA of pathogens by reconstructing their genomes have so far yielded the complete

sequences of ancient pathogens that have played a significant role in the history of the world: Yersinia pestis (plague),

Variola virus (smallpox), Vibrio cholerae (cholera), HBV (hepatitis B virus), as well as the equally important endemic

human infectious agents - Mycobacterium tuberculosis (tuberculosis), Mycobacterium leprae (leprosy) and Treponema

pallidum (syphilis). Genomic data from these pathogens complemented information previously obtained by pale

opathologists and allowed not only to identify pathogens from past pandemics, but also to recognize pathogen lineages

that are now extinct, to refine the chronology of pathogen appearance in human populations, and to reconstruct the

evolutionary history of pathogens that are still relevant to public health today. In this review, we describe the state of

the art of genomic research of the origins and evolution of many ancient pathogens and viruses and examine the

mechanisms of the emergence and spread of ancient infections in the history of mankind.

Keywords: human populations, ancient DNA, paleopathology, paleogenomics, pathogen, plague, cholera, leprosy,

syphilis, smallpox, tuberculosis

БИОХИМИЯ том 87 вып. 2 2022