Nuovi approfondimenti sull'evoluzione del patogeno della peste

26 luglio 2023

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di Eva Sittig, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Le origini della peste risalgono all'Età neolitica, con i più antichi ritrovamenti del patogeno causativo Yersinia pestis provenienti da ossa umane di circa 5000 anni fa. Nella storia della peste, si distinguono la peste giustinianea del tardo antico del VI secolo e la cosiddetta Morte Nera del tardo Medioevo. Sono stati causati in modo provato da Y. pestis e, secondo le stime, hanno decimato metà della popolazione in parti d'Europa. Mentre si sono verificati ripetutamente nel corso dei secoli focolai più piccoli e regionalmente limitati su diversi continenti, una terza pandemia della peste si è verificata dalla metà del XIX secolo all'inizio del XX secolo.

All'inizio, ha colpito principalmente l'Asia, concentrandosi in India, per poi diffondersi a livello globale. Con circa 15 milioni di morti confermati, è una delle pandemie più mortali nella storia dell'umanità. La peste continua a verificarsi a livello regionale ai giorni nostri ed è quasi sempre fatale se non trattata tempestivamente con antibiotici.

In migliaia di anni, Y. pestis si è evoluta in numerose varianti, attraverso l'acquisizione e la perdita di geni. I ricercatori di tutto il mondo stanno studiando l'evoluzione di Y. pestis per scoprire di più sulle cause delle pandemie storiche e sui pericoli che la peste continua a rappresentare.

In particolare, stanno indagando sulle caratteristiche genetiche del patogeno, responsabili della trasmissione, della distribuzione geografica e della gravità della malattia, tra le altre cose. In uno studio recente, un team di ricerca dell'Università di Kiel e dell'Istituto Max Planck per la biologia evolutiva a Plön (MPI-EB) ha esaminato i genomi antichi e moderni di Y. pestis, dal Neolitico alla pandemia moderna.

Il team di ricercatori guidato dal dott. Daniel Unterweger, responsabile del gruppo di ricerca presso il MPI-EB e l'Università di Kiel, e dai professori Almut Nebel e Ben Krause-Kyora dell'Istituto di biologia molecolare clinica (IKMB) dell'Università di Kiel ha scoperto che Y. pestis deve aver acquisito un nuovo elemento genetico, noto come profago YpfΦ, tra il Medioevo e la pandemia moderna, che è correlato alla virulenza del patogeno, ovvero al suo effetto patogeno.

Il profago produce una proteina che assomiglia molto a certe tossine di altri patogeni, ad esempio il patogeno del colera. I ricercatori, che contribuiscono al Kiel Evolution Center (KEC) all'Università di Kiel, tra gli altri, hanno recentemente pubblicato i loro risultati insieme a colleghi dell'Università del Sud della Danimarca a Odense (SDU) nella rivista Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences.

Il team di ricerca di Kiel ha ottenuto i campioni genetici grazie a una collaborazione con il Dipartimento di Medicina Legale di SDU, che gestisce materiale scheletrico proveniente da vari musei danesi. In questo caso specifico, gli scienziati hanno esaminato i resti scheletrici di 42 persone sepolte in due cimiteri parrocchiali danesi tra l'XI e il XVI secolo.

Le informazioni genetiche contenute nei campioni sono state sequenziate e i geni di Y. pestis contenuti in essi sono stati confrontati con altri genomi pubblicati risalenti al Neolitico, al periodo medievale e moderno.

"Ricerche precedenti hanno dimostrato che all'inizio della sua evoluzione il patogeno mancava della struttura genetica necessaria per una trasmissione efficace attraverso la pulce, che è tipica della peste bubbonica odierna. Nel corso della sua evoluzione, Y. pestis ha acquisito un livello notevole di virulenza, che ha contribuito ai successivi focolai di alcune delle pandemie più mortali nella storia dell'umanità", afferma la dott.ssa Joanna Bonczarowska, prima autrice dell'articolo che ha condotto questa ricerca nel contesto del suo dottorato di ricerca presso l'IKMB con il supporto della Scuola di Ricerca Max Planck Internazionale per la Biologia Evolutiva (IMPRS).

"Nel nostro studio, mostriamo che tutte le varianti conosciute di Y. pestis prima del XIX secolo mancavano di un certo elemento genetico, il profago YpfΦ", afferma Bonczarowska.

È probabile che il profago sia stato acquisito dall'ambiente attraverso il trasferimento laterale di geni. Questa informazione genetica influenza la virulenza del patogeno, ovvero la gravità della malattia derivante da un'infezione. È stato dimostrato che i ceppi di Y. pestis che possiedono il profago richiedono una dose letale significativamente inferiore rispetto a quelli senza YpfΦ. Questa acquisizione di nuovi elementi genetici potrebbe quindi fornire un vantaggio per Y. pestis durante la moderna pandemia della peste.

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