В статье, опубликованной в Nature Communications, Латем и первый автор Дэниел Цимблер, доктор философии, постдокторант Файнберга, продемонстрировали, как приобретение одного гена привело к тому, что Y. pestis превратился из желудочно-кишечной инфекции в инфекцию. более серьезное и часто смертельное респираторное заболевание. Они также показали, как более поздние модификации этого гена способствовали усилению инфекций, связанных с бубонной чумой.
«Наши результаты показывают, что Y. pestis обладал способностью вызывать тяжелое респираторное заболевание на очень раннем этапе своей эволюции. Это исследование помогает нам лучше понять, как бактерии могут адаптироваться к новой среде хозяина и вызывать заболевание, приобретая небольшие фрагменты ДНК», — сказал Латем. .Команда исследовала наследственные штаммы бактерий на моделях мышей, чтобы узнать, когда Y. pestis приобрел способность инфицировать легкие и вызывать тяжелую форму заболевания, известную как легочная чума.На основе наиболее древних из всех существующих в настоящее время штаммов Y. pestis они показали, как бактерии могут успешно колонизировать легкие, но не могут вызывать тяжелое заболевание, связанное с легочной чумой.
Самым большим различием, которое они обнаружили между этим штаммом и близкородственными штаммами, которые могли вызвать легочную чуму, был ген поверхностного белка Pla.Латем предположил, что приобретение бактериями гена Pla увеличило их способность вызывать инфекцию в легких и было всем, что нужно этому предковому штамму Y. pestis, чтобы вызвать фатальную инфекцию легких.Итак, Латем и его команда вставили ген Pla в этот штамм, чтобы наблюдать за изменениями в состоянии легких. Они обнаружили, что недавно мутировавший штамм приобрел способность вызывать респираторную инфекцию, идентичную современным штаммам Y. pestis, которые вызывают заболевание сегодня, продемонстрировав, что ген Pla был необходим Y. pestis для заражения легких.
Кроме того, они обнаружили, что никаких других изменений в Y. pestis не потребовалось, даже несмотря на то, что бактерии продолжали приобретать и терять гены в течение последних нескольких тысяч лет.Лаборатория также изучила варианты гена Pla и обнаружила, что единственная модификация, обнаруживаемая только в современных штаммах Y. pestis, является критически важной адаптацией для бактерий, распространяющихся в организме и заражающих лимфатические узлы, что является одной из форм инфекции, вызывающей бубонная чума. По словам Латема, удивительный вывод из этого аспекта исследования заключается в том, что, вопреки текущим представлениям в этой области, Y. pestis, возможно, сначала развился как респираторный патоген, прежде чем он смог вызвать более распространенную форму болезни — бубонную чуму.
Латем сказал, что новое исследование может объяснить, как Y. pestis перешел от вызывания только локальных вспышек чумы к пандемическому распространению Y. pestis, таким как Юстиниановая чума шестого века и Черная смерть четырнадцатого века.«Наши данные предполагают, что вставка, а затем последующая мутация Pla позволила получить новые, быстро развивающиеся штаммы болезни», — сказал Латем. «Эта информация может показать, как новые респираторные патогены могут появиться с небольшими генетическими изменениями».
Эта работа была поддержана грантами Национальных институтов здравоохранения R01AI093727, R21652A103658 и T32AI007476.