Tulokset ja keskustelu
VARV Genome Stability and Phylogenetic Analysis.
VARV:n evoluutiotutkimuksessa käytettiin hyväksi VARV:n evoluution selvittämiseen saatavissa olevia genomisekvenssejä kokoelmasta VARV-sairausisolaatteja, joiden maantieteellinen levinneisyys on laaja-alainen (kuva 1) (4). Orthopoxvirus-sukuun kuuluva VARV sisältää yhden lineaarisen 186 kb:n pituisen kaksijuosteisen DNA-genomin, joka koodaa useimpia sen leviämiseen tarvittavia entsyymejä (5). Tutkittujen VARV-isolaattien mutaatioprosentti oli alhainen, koska epidemiologisesti toisiinsa yhteydessä olevien isolaattien sekvenssimuutokset olivat vähäisiä tai niitä ei ollut lainkaan näytteissä, joiden keräysaikojen välillä oli enintään yksi vuosi. Tämä alhainen mutaatioprosentti näkyy selvästi Bangladeshista vuosina 1974 ja 1975 kerätyissä geneettisesti identtisissä näytteissämme. Nämä näytteet edustavat varmasti pitkiä monimutkaisia siirtoketjuja yhdeltä maailman tiheimmin asutuilta alueilta, mutta niillä on identtiset tai lähes identtiset nukleotidisekvenssit. Samankaltaisella Orthopoxvirus-apinarokkoviruksella on samankaltaisia yksittäisiä nukleotidimuutoksia tai ei lainkaan nukleotidimuutoksia kolmesta eri isännästä peräisin olevien isolaattien välillä äskettäisessä Yhdysvalloissa sattuneessa taudinpurkauksessa (6). Ortopoksivirusten lajien sisällä ja lajien välillä genomien nukleotidi-identiteetit ovat >99,6 prosenttia VARV-isolaattien välillä ja 98 prosenttia VARV:n ja samankaltaisten taksonien, kuten taterapoksiviruksen (taterapox virus, TATV) (4) (Länsi-Afrikka) ja kamelipoksiviruksen (camelpox virus, CMLV) (7) (Keski-Aasia), välillä (taulukko 1), jotka ovat lajeista samankaltaisimpia VARV:n kanssa (4). Suuren koon ja hitaan nukleotidisubstituutionopeuden ansiosta VARV:n genominen DNA pystyy säilyttämään fylogeneettisesti informatiivisia mutaatioita ja samalla vähentämään homoplastisten mutaatioiden esiintyvyyttä (eli vähentämään luonteenomaisen tilan muuttumista). 47 hiljattain sekvensoidun VARV-genomin monimuotoisuus liittyi suurelta osin isolaattien maantieteelliseen alkuperään (viite 4 ja tämä tutkimus), ja mutaatioilla oli vain vähäinen yhteys isolaattien väliseen ajalliseen vaihteluun. Nämä havainnot osoittavat, että kyseessä ei ollut yksi ainoa pandemiakanta ( SI Text , huomautus 1), vaan että näiden analyysien geneettiset kladit edustavat pikemminkin vanhoja ja ehkä ikivanhoja paikallisesti endeemisiä kantoja.
Hypoteeseja VARV:n alkuperästä. Tapahtuma 0, VARV:n suuri samankaltaisuus CMLV:n ja TATV:n genomisekvenssien kanssa viittaa siihen, että TATV:llä ja CMLV:llä on VARV:n kanssa tuoreempi yhteinen esi-isä kuin muilla tunnetuilla Orthopoxviruslajeilla. Tapahtuma 1, hypoteesi A: Alkuperäinen VARV erosi kahteen ensisijaiseen kladiin (P-I ja P-II) ja kehittyi itsenäisesti vanhassa ja uudessa maailmassa seuraamalla ihmisisäntiään. Tapahtuma 1, hypoteesi B: P-I/P-II:n erilaistuminen Afrikassa. Tapahtuma 2, hypoteesit A ja B: P-I:n pitkä yksittäinen haara ja myöhempi säteily viittaavat siihen, että P-I:n alkuperäinen VARV-virus on todennäköisesti peräisin Koillis-Aasiasta ja että P-I:n isorokko-endemiat alkoivat levitä Itä-Aasiaan, Lähi-itään ja Intiaan, kun paikallisista populaatioista tuli riittävän suuria. Tapahtuma 2a, P-I:n monipuolistuminen ja siirtyminen koko Aasiaan. Tapahtuma 2b, Länsimainen tutkimusmatkailu toi Intian niemimaalta Etelä-Afrikkaan VARV majorin, joka sitten levisi pohjoiseen Keski-Afrikkaan ja Afrikan sarveen (Somalian niemimaa). Tapahtumat 3 ja 4, hypoteesi A: P-II:n monipuolistuminen Uudessa maailmassa, jonka jälkeen se levittäytyi uudelleen Afrikkaan; hypoteesi B: P-II:n monipuolistuminen Afrikassa, jota seurasi myöhemmin yhden alaklaadin leviäminen Uuteen maailmaan.
Jos P-I-säteily edustaa isorokon endeemistä historiaa Vanhassa maailmassa, se selittää historiallisen arvoituksen, joka liittyy siihen, että isorokkoa ei ole kuvattu antiikin Kreikan ja Rooman sivilisaatioiden kirjallisuudessa (1). On todennäköistä, että isorokkoepidemiat esiintyivät tällä alueella myöhemmin kuin muinaisessa Kiinassa ja Intiassa. Thukydideksen kuvaama ”Ateenan rutto” vuonna 430 eKr., jota pidettiin aikoinaan isorokkona (3), olisi ristiriidassa tämän teorian kanssa, mutta sen on äskettäin todettu olleen lavantauti (25). Ramses V:n aikana Egyptissä käytiin sisällissotaa, ja viholliset hyökkäsivät sen kimppuun pohjoisesta (3); jos Ramses V:n pustulaarinen taudinpurkaus johtui isorokosta, se saattoi edustaa pikemminkin sodan vuoksi maahantuotujen tapausten aiheuttamaa isorokkoa kuin alueellista endeemistä tautia. Tätä hypoteesia tukee se, että vain kolmella muumiolla kyseisellä ajanjaksolla oli samankaltaisia leesioita (2).
Alastrim minorin erilaistuminen.
Isorokkohistoriaan/VARV-topologiaan perustuvat analyysit osoittavat, että alastrim minorin ja länsiafrikkalaisen variolan erilaistuminen alkoi ainakin 800 vuotta sitten (taulukko 2 ja SI-taulukko 4), mikä on aikaisempi ajoitus kuin aiempi hypoteesi, jonka mukaan erilaistuminen osuu samaan aikaan orjakaupan alkamisen kanssa. Muinaisemman alkuperähypoteesin mukaan tämä eroavuus olisi voinut tapahtua lajinmuodostustapahtuman jälkeen joko Uudessa maailmassa (varhaisimpien isorokkohistoriallisten tietojen kalibroinnin perusteella; kuva 3 A) tai Länsi-Afrikassa (Etelä-Afrikan isorokkohistoriallisten tietojen kalibroinnin perusteella; kuva 3 B). Nämä skenaariot viittaavat siihen, että tunnistamattomia variola minor/alastrim-isolaatteja oli olemassa joko Afrikassa tai Uudessa maailmassa jo paljon ennen kuin alastrim minor (P-II) löydettiin; näin ollen tällä taksonilla on pidempi historia kuin on kuvattu.
Vaikka hyvin dokumentoidulla VARV majorin tuonnilla Amerikkaan oli tuhoisa vaikutus moniin alkuperäisväestöihin (2), taudin nopean leviämisen ja suuren kuolleisuuden ennätykset saattavat osittain johtua suuren väestötiheyden, uhrien perusterveydenhuollon puutteen ja muiden vanhan maailman tautien mahdollisten samanaikaisten tartuntojen yhteisvaikutuksesta (26, 27). Historiallisesti Länsi-Afrikan isorokosta on vain vähän merkintöjä, ja Henige (28) väitti, että ensimmäinen VARV:n aiheuttama suuri isorokkotapaus Uudessa maailmassa ei ollut peräisin Länsi-Afrikasta, mikä kumoaa hypoteesin varhaisesta isorokkohistoriasta Länsi-Afrikassa. On mahdollista, että muinaisen käyttöönoton jälkeen alastrim kehittyi itsenäisesti eristetyillä alueilla Uuden maailman laajalla maantieteellisellä alueella. Phelanin tutkimus osoitti, että Ecuadorin ylängön alkuperäisväestöt eivät vähentyneet alkuperäisen espanjalaisvallan aikana (jonka katsotaan tuoneen VARV major -viruksen Uuteen maailmaan) (29), mikä viittaa siihen, että nämä väestöt olisivat voineet olla vastustuskykyisempiä isorokkoa vastaan ehkä aiemmassa kosketuksessa alastrimiin. Trinidadissa vuonna 1902 todetun lievän isorokkotapauksen todettiin olevan peräisin tältä alueelta (30). Jos tämä monipuolistuminen tapahtui Uudessa maailmassa, ensisijainen eristystapahtuma olisi todennäköisesti johtunut esi-isän VARV:n siirtymisestä varhaisten ihmisten mukana kyseiselle alueelle (kuva 4A). P-I:n ja P-II:n sekoittumiseen viittaavien SNP-signatuurien puuttuminen (SI-kuvat 6 ja 7), alastrimin johdonmukaiset ja merkittävästi erilaiset kliiniset ominaisuudet kuin P-I:n perinteisen VARV-majorin (31), voitaisiin selittää tällaisella merkittävällä maantieteellisellä erottelulla.
Jos P-I/P-II:n jakautuminen tapahtui Vanhassa maailmassa, P-II:n alkuperä oli todennäköisesti Länsi-Afrikassa. Kaksi P-II-alaklaasia olisi sitten eronnut ≈800-1 100 YBP (taulukko 2 ja SI-taulukko 4) Afrikan mantereella. Näiden tapahtumien maantieteellistä jakautumista on vaikea määrittää, koska näiltä alueilta puuttuu kirjallista historiaa. Muiden läheisesti sukua olevien orthopoksivirusten, kuten apinarokon ja TATV:n, esiintyminen ja monipuolistuminen voisi kuitenkin tukea esi-isien VARV:ien afrikkalaista alkuperää. Jos P-II:n eristyminen ja monipuolistuminen tapahtui Afrikassa, fylogeniamme perusteella P-II-alaklaadista on olemassa kuvaamaton afrikkalainen edustaja, joka tuotiin Uuteen maailmaan ehkä satoja vuosia monipuolistumistapahtuman jälkeen, mahdollisesti vanhan ja uuden maailman maiden välisen orjakaupan aikana (kuva 1). 3 B).
Riittämätön käsitys näiden kulttuurien historiasta ja suhteellisen lievemmät kliiniset oireet (variola majoriin verrattuna) vaikuttavat osaltaan siihen, ettei isorokkotaudista (tai -taudeista) ole laajempia historiallisia merkintöjä Uudessa maailmassa tai Saharan eteläpuolisessa Afrikassa. Molempien näiden alueiden historialliset väestötiheydet olivat alhaisemmat kuin alueilla, joilla esiintyi endeemistä variola major -bakteeria. Lievemmissä tautitapauksissa yksilöt olisivat olleet tartunnan saadessaan liikkuvampia, ja heillä olisi ollut enemmän kontakteja, mikä olisi edistänyt taudin leviämistä. Tämän hypoteesin tueksi voidaan todeta, että Somaliassa esiintyneet lievät isorokkotapaukset säilyivät pitkiä aikoja pienissä nomadiyhdyskunnissa, ja niiden leviämismalli poikkesi merkittävästi VARV major -taudin leviämismallista (2). Vaikka ei tiedetä, käyttivätkö Afrikan tai Amerikan alkuperäiskansat variolaatio-/rokotuskäytäntöä, VARV:n pitkäikäisyys toipumisvaiheessa olevissa rupissa (jopa vuosikymmenen ajan) (32-34) tarjoaisi toisen mekanismin isorokkokannan toistuvalle kulkeutumiselle maantieteelliseen yhteisöön joko tahattoman kosketuksen kautta rupimateriaaleihin tai suoraan variolaatiokäytäntöjen kautta.
VARV:n alkuperä.
Mahdollisia vihjeitä VARV:n sopeutumisesta ihmiseen voidaan löytää VARV:n ja TATV/CMLV:n läheisestä suhteesta (4). TATV liittyy Länsi-Afrikasta kotoisin olevaan maanpäälliseen jyrsijään (35). Koalesenssianalyysimme osoittavat, että VARV:n ja TATV:n välinen eroavuus tapahtui 16 000 YBP:n (taulukko 2 ja SI Dataset 4, joka perustuu Etelä-Afrikan isorokkohistoriallisiin tietoihin) ja 68 000 YBP:n välisenä aikana (taulukko 2 ja SI Dataset 3, joka perustuu varhaisimpaan Itä-Aasian isorokkohistoriaan). Näin ollen, kuten sukulaiset zoonoottiset ortopoksavirukset, joilla on jyrsijöiden reservoaari (6, 36, 37), VARV on saattanut kehittyä afrikkalaisten jyrsijöiden entsoottisesta patogeenista ja levitä sittemmin pois Afrikasta.
Tätä tutkimusta varten valittujen VARV-isolaattien genomisekvenssit otettiin Maailman terveysjärjestön yhteistyökeskuksen arkistosta, ja vaikka niiden sekvenssien eroavaisuudet näyttävät vähäisiltä, ne edustavat kokoelman suurinta maantieteellistä ja ajallista monimuotoisuutta. Näiden isolaattien cSNP:stä johdettu fylogenia tuottaa topologian, joka on yhdenmukainen ihmisten historiallisten muuttomallien, populaatioiden laajenemisen ja dokumentoitujen isorokkoepidemioiden kanssa. Kuvattu topologia tukee hypoteesia (kuva 3), jonka mukaan kaksi variola-klaasia erosi esi-isäviruksesta ja kehittyi sen jälkeen maantieteellisesti erillisissä ihmispopulaatioissa. Vaikka syy alastrim- ja VARV major -isolaattien erilaiseen patogeneesiin ihmisissä on epäselvä, alastrim minor -isolaatin geneettinen rakenne ja sen topologia muiden VARV-isolaattien kanssa lisäävät tärkeitä palasia isorokon evoluution palapeliin. Tämä VARV:n ehdotettu fylogeneesi pidentää isorokon evoluutioaikaa suhteessa aiempiin teorioihin.