Nuevas perspectivas sobre la evolución del patógeno de la peste.

26 de julio de 2023

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por Eva Sittig, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Los orígenes de la plaga se remontan a la Edad Neolítica, siendo los hallazgos más antiguos del patógeno causante, Yersinia pestis, provenientes de huesos humanos con aproximadamente 5,000 años de antigüedad. En la historia de la plaga, destacan la plaga justiniana del siglo VI y la llamada Peste Negra de la Baja Edad Media.

En ambos casos, está demostrado que fueron causados por Y. pestis, y según estimaciones, diezmaron hasta la mitad de la población en partes de Europa. Aunque brotes más pequeños y regionales ocurrieron repetidamente a lo largo de los siglos en diferentes continentes, una tercera pandemia de la plaga ocurrió desde mediados del siglo XIX hasta principios del siglo XX.

En un principio, afectó principalmente a Asia, con foco en India, y posteriormente se propagó a nivel mundial. Con alrededor de 15 millones de muertes confirmadas, es una de las pandemias más mortales en la historia humana. La plaga continúa ocurriendo regionalmente en la actualidad y es casi siempre mortal si no se trata rápidamente con antibióticos.

A lo largo de miles de años, Y. pestis ha evolucionado en numerosas cepas, tanto mediante la adquisición como la pérdida de genes. Investigadores de todo el mundo están estudiando la evolución de Y. pestis para conocer más acerca de las causas de las pandemias históricas y los peligros que la plaga aún representa.

En particular, están investigando las características genéticas del patógeno, responsables de la transmisión, distribución geográfica y gravedad de la enfermedad, entre otros. En un nuevo estudio, un equipo de investigación de la Universidad de Kiel y el Instituto Max Planck de Biología Evolutiva en Plön (MPI-EB) ha examinado los genomas antiguos y modernos de Y. pestis, desde el Neolítico hasta la pandemia moderna.

Los investigadores, liderados por el Dr. Daniel Unterweger, líder del grupo de investigación en el MPI-EB y la Universidad de Kiel, y los profesores Almut Nebel y Ben Krause-Kyora del Instituto de Biología Molecular Clínica (IKMB) de la Universidad de Kiel, descubrieron que Y. pestis debió haber adquirido un nuevo elemento genético, conocido como el profago YpfΦ, entre la Edad Media y la pandemia moderna, el cual está relacionado con la virulencia del patógeno, es decir, su capacidad para causar enfermedad.

El profago produce una proteína que se asemeja mucho a ciertas toxinas de otros patógenos, como el agente causante del cólera. Los investigadores, que contribuyen al Centro de Evolución de Kiel (KEC) en la Universidad de Kiel, entre otros, recientemente publicaron sus resultados junto con colegas de la Universidad del Sur de Dinamarca en Odense (SDU) en la revista Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences.

El equipo de investigación de Kiel obtuvo las muestras genéticas gracias a una colaboración con el Departamento de Medicina Forense de la SDU, que gestiona material óseo de varios museos daneses. En este caso en particular, los científicos examinaron los restos óseos de 42 personas enterradas en dos cementerios parroquiales daneses entre los siglos XI y XVI.

La información genética contenida en las muestras fue secuenciada y los genes de Y. pestis contenidos en ellas se compararon con otros genomas publicados que datan del Neolítico, la Edad Media y la época moderna.

"Investigaciones anteriores han demostrado que al principio de su evolución, el patógeno carecía del material genético necesario para una transmisión eficaz a través de las pulgas, lo cual es típico de la peste bubónica actual. A lo largo de su evolución, Y. pestis adquirió un nivel notable de virulencia, lo que contribuyó a los brote posteriores de algunas de las pandemias más mortales en la historia humana", dice la Dra. Joanna Bonczarowska, primera autora del artículo quien realizó esta investigación como parte de su doctorado en el IKMB con el apoyo de la Escuela Internacional de Investigación Max Planck para Biología Evolutiva (IMPRS).

“En nuestro estudio, mostramos que todas las cepas conocidas de Y. pestis anteriores al siglo XIX carecían de un cierto elemento genético, el profago YpfΦ", dice Bonczarowska.

Es probable que el profago haya sido adquirido desde el ambiente mediante la transferencia lateral de genes. Esta información genética influye en la virulencia del patógeno, es decir, la gravedad de la enfermedad que resulta de una infección. Se demostró que las cepas de Y. pestis que tienen el profago requieren una dosis letal significativamente menor en comparación con aquellas sin YpfΦ. Esta adquisición de nuevos elementos genéticos podría proporcionar una ventaja para Y. pestis durante la pandemia moderna de la plaga.

The mechanisms by which the prophage contributes to the increased virulence of the modern plague pathogen have not yet been researched in detail. Previous studies suggest that such new genetic information can help the pathogen to infect body tissues far away from the original site of infection. In their search for such a mechanism, the Kiel researchers examined all proteins encoded by the new DNA in question. They discovered that one of these proteins is very similar to a toxin known from other pathogens.

'This protein is similar in structure to zonula occludens toxin (ZOT), which facilitates the exchange of harmful substances between infected cells and has a damaging effect on the mucosa and epithelia. This connection was first discovered in the cholera pathogen, where it causes the typical gastroenteritis symptoms,' explains Bonczarowska. The Kiel researchers, therefore, want to investigate this ZOT-like protein in Y. pestis more closely in the future, as it offers a plausible explanation for the increased virulence of the plague pathogen in the present and recent past.

Such a rapid evolution of Y. pestis adds to the pandemic threat it continues to pose. 'Acquisition of new genetic elements may bring new symptoms of infection. These misleading signs of illness can make it difficult to diagnose plague in time and thus delay rapid treatment, which is essential for survival,' stresses Unterweger. 'In addition, some strains of the plague pathogen are already showing resistance to various antibiotics, which further contributes to the great potential danger of this disease,' Unterweger continues.

An important aspect of the work is also the newly discovered parallels to other bacterial species, as genetic elements highly similar to YpfΦ, were also found in other bacteria. These findings provide clues to their future evolution towards increased virulence.

Overall, the research results underline that there is a great deal of knowledge to be gained for modern science and medical application in the study of historical disease evolution using aDNA, which goes back hundreds or even thousands of years. 'Understanding how the pathogen was able to increase its harmfulness in the past, sometimes by leap evolution, will help us detect new forms of the disease and prevent new pandemics in the future,' summarizes Krause-Kyora.

Journal information: Proceedings of the Royal Society B

Provided by Christian-Albrechts-Universität zu Kiel