Eredmények és vita
VARV genomstabilitás és filogenetikai elemzés.
A VARV evolúciós vizsgálatához a széles földrajzi eloszlású VARV-izolátumok gyűjteményéből (1. ábra) rendelkezésre álló genomszekvenciákat használták fel (4). A VARV, az Orthopoxvirus nemzetség tagja, egyetlen lineáris, 186 kb hosszúságú, kettős szálú DNS-genomot tartalmaz, amely a szaporodásához szükséges legtöbb enzimet kódolja (5). A vizsgált VARV-izolátumok alacsony mutációs rátát mutattak, mivel a járványügyi szempontból összefüggő izolátumok kevés vagy semmilyen szekvencia-változást nem mutattak a legfeljebb 1 év különbséggel gyűjtött mintákban. Ez az alacsony mutációs ráta egyértelműen kimutatható az 1974 és 1975 között gyűjtött, genetikailag azonos bangladesi mintákban. Ezek a minták minden bizonnyal hosszú, összetett átviteli láncokat képviselnek a világ egyik legsűrűbben lakott régiójából, de azonos vagy közel azonos nukleotidszekvenciákkal rendelkeznek. A rokon Orthopoxvirus majomhimlő vírus hasonlóan egyetlen vagy semmilyen nukleotidváltozást nem mutat az Egyesült Államokban nemrégiben kitört járvány három különböző gazdából származó izolátumai között (6). Az ortopoxvírusok fajain belül és a fajok között a genomok a VARV izolátumok között >99,6%-os, a VARV és a rokon taxonok, például a taterapoxvírus (TATV) (4) (Nyugat-Afrika) és a tevepoxvírus (CMLV) (7) (Közép-Ázsia) között pedig 98%-os nukleotid azonossággal rendelkeznek (1. táblázat), a VARV-vel a legnagyobb szekvenciahasonlóságot mutató két faj (4). A nagy méret és a lassú nukleotid-szubsztitúciós ráta lehetővé teszi, hogy a VARV genomiális DNS megőrizze a filogenetikai szempontból informatív mutációkat, miközben csökkenti a homoplasztikus mutációk előfordulását (azaz kevesebb karakterállapot-fordulást). A 47 nemrégiben szekvenált VARV genom diverzitása nagymértékben összefüggött az izolátumok földrajzi eredetével (4. hivatkozás és ez a tanulmány), és a mutációk minimális összefüggést mutattak az izolátumok közötti időbeli eltérésekkel. Ezek a megfigyelések azt mutatják, hogy nem egyetlen pandémiás törzs létezett ( SI Text , 1. megjegyzés), hanem inkább azt, hogy az elemzések genetikai kládjai régi és talán ősi, helyileg endémiás törzseket reprezentálnak.
A VARV eredetére vonatkozó hipotézisek. Esemény 0, A VARV nagyfokú hasonlósága a CMLV és a TATV genomszekvenciáival arra utal, hogy a TATV és a CMLV a VARV-vel közelebbi közös őse, mint más ismert Orthopoxvírus-fajoknak. 1. esemény, A hipotézis: Egy ősi VARV két elsődleges kládra (P-I és P-II) oszlott szét, és egymástól függetlenül fejlődött az Óvilágban és az Újvilágban, követve emberi gazdáit. 1. esemény, B. hipotézis: A P-I/P-II divergenciája Afrikában. 2. esemény, A és B hipotézis: A P-I hosszú egyetlen ága és az azt követő radiáció arra utal, hogy a P-I ősi VARV-je valószínűleg Északkelet-Ázsiából származik, és a P-I himlő-endémiái Kelet-Ázsiába, a Közel-Keletre és Indiába kezdtek el terjedni, amint a helyi populációk elég nagyra nőttek. 2a. esemény, A P-I diverzifikációja és vándorlása Ázsiában. 2b. esemény, A nyugati felfedezés az indiai szubkontinensről Dél-Afrikába hozta a VARV major-t, amely aztán észak felé, Közép-Afrikába és Afrika szarvára (Szomáliai-félsziget) terjedt. 3. és 4. esemény, A. hipotézis: A P-II diverzifikációja az Újvilágban, majd visszatelepülése Afrikába; B. hipotézis: A P-II diverzifikációja Afrikában, majd az egyik szubklád későbbi bevezetése az Újvilágba.
Ha a P-I sugárzás képviseli a himlő endémiás történetét az Óvilágban, ez megmagyarázza azt a történelmi rejtélyt, hogy az ókori görög és római civilizációk irodalmában nem szerepel a himlő leírása (1). Valószínű, hogy a himlőjárványok ebben a régióban az ókori kínai és indiai járványoknál későbbi időpontban jelentek meg. Az i. e. 430-ban Thuküdidész által leírt “athéni pestis”, amelyet egykor himlőnek tartottak (3), ellentmondana ennek az elméletnek, de nemrégiben megállapították, hogy tífuszról van szó (25). V. Ramszesz uralkodása idején Egyiptom polgárháborúban állt, és északról ellenségek támadták meg (3); ha V. Ramszesz gennyes kitörése himlőtől származott, akkor az inkább a háború miatt behurcolt esetekből származó himlőjárványt jelenthetett, mint regionális endémiás betegséget. Ezt a hipotézist alátámasztja az a tény, hogy ebben az időszakban csak három múmián volt hasonló elváltozás (2).
Az Alastrim minor diverzifikációja.
A himlőtörténeti/VARV topológián alapuló elemzések azt mutatják, hogy az Alastrim minor és a nyugat-afrikai variola divergenciája legalább 800 évvel ezelőtt kezdődött (2. táblázat és SI 4. táblázat), megelőzve azt a korábbi hipotézist, hogy ez a divergencia egybeesik a rabszolgakereskedelem kezdetével. A régebbi eredetű hipotézis szerint ez az eltérés az Újvilágban (a legkorábbi himlőtörténeti feljegyzésekből származó kalibráció alapján; 3. ábra A) vagy Nyugat-Afrikában (a dél-afrikai himlőtörténeti feljegyzésekből származó kalibráció alapján; 3. ábra B) bekövetkezett speciációs eseményt követően következhetett be. Ezek a forgatókönyvek azt sugallják, hogy az alastrim minor (P-II) felfedezésénél jóval korábban is léteztek azonosítatlan variola minor/alastrim izolátumok Afrikában vagy az Újvilágban; így ennek a taxonnak a leírtaknál hosszabb története van.
Bár a VARV major Amerikába történő, jól dokumentált behurcolása számos őslakos populációra pusztító hatással volt (2), a nagy halálozással járó gyors terjedésről szóló feljegyzések részben a nagy népsűrűség, az áldozatok alapvető ellátásának hiánya és a más óvilági betegségekkel való lehetséges társfertőzések együttes hatásának tulajdoníthatók (26, 27). Történelmileg kevés feljegyzés maradt fenn a himlőről Nyugat-Afrikában, és Henige (28) azzal érvelt, hogy az első VARV nagy himlőjárvány az Újvilágban nem Nyugat-Afrikából származott, ami megcáfolná a korai himlőrák nyugat-afrikai történetének hipotézisét. Lehetséges, hogy egy ősi behurcolást követően az alastrim az Újvilág nagy földrajzi területén belül elszigetelt régiókban egymástól függetlenül fejlődött ki. Tény, hogy Phelan tanulmánya kimutatta, hogy az ecuadori felföld őslakos populációi nem csökkentek a kezdeti spanyol uralom alatt (amelynek a VARV major Újvilágba való bevezetését tulajdonítják) (29), ami arra utal, hogy ezek a populációk ellenállóbbak lehettek a himlővel szemben, talán az alastrimmal való korábbi kapcsolat révén. Trinidadban 1902-ben egy enyhe himlőjárvány kitörése dokumentáltan ebből a régióból származott (30). Ha ez a diverzifikáció az Újvilágban következett be, akkor az elsődleges izolációs esemény valószínűleg egy ősi VARV-nek a korai emberekkel együtt ebbe a régióba való vándorlásából eredt (4A. ábra). A P-I és a P-II közötti keveredésre utaló SNP-jelek hiánya (SI 6. és 7. ábra), az alastrimnak a P-I hagyományos VARV-majorától (31) következetesen és jelentősen eltérő klinikai jellemzői egy ilyen jelentős földrajzi elkülönüléssel magyarázhatók.
Ha a P-I/P-II szétválása az Óvilágon belül történt, a P-II valószínűleg Nyugat-Afrikából származik. A két P-II szubklád ezután ≈800-1,100 YBP (2. táblázat és 4. SI-táblázat) az afrikai kontinensen válhatott szét. Ezeknek az eseményeknek a földrajzi eloszlását nehéz meghatározni, mivel ezekben a régiókban nincs írott történelem. Más, közeli rokonságban álló Orthopoxvírusok, például a majomhimlő és a TATV jelenléte és diverzifikációja azonban alátámaszthatja az ősi VARV-k afrikai eredetét. Ha a P-II izolálódása és diverzifikációja Afrikában történt, akkor a filogeniánk alapján a P-II szubkládnak van egy le nem írt afrikai képviselője, amely talán több száz évvel a diverzifikációs esemény után került be az Újvilágba, valószínűleg az Ó- és Újvilág országai közötti rabszolga-kereskedelem idején (ábra). 3 B).
E kultúrák történetének nem megfelelő ismerete és a viszonylag enyhébb klinikai tünetek (a Variola majorhoz képest) hozzájárulnak ahhoz, hogy sem az Újvilágban, sem a szubszaharai Afrikában nincs kiterjedtebb történelmi feljegyzés a himlőbetegség(ek)ről. A történelmi emberi népsűrűség mindkét régióban alacsonyabb volt, mint az endémiás variola majorral rendelkező régiókban. Az enyhébb megbetegedések esetében az egyének a fertőzés idején mozgékonyabbak voltak, és nagyobb számú kapcsolatuk lehetett, így a betegség továbbterjedését is elősegítették. Ezt a hipotézist alátámasztja, hogy a szomáliai enyhe himlőjárványok hosszú ideig fennmaradtak kis nomád csoportok között, és a VARV major betegséghez képest jelentősen eltérő terjedési mintázatot mutattak (2). Bár nem ismert, hogy a varioláció/beoltás gyakorlatát alkalmazták-e az afrikai vagy az amerikai őslakosok, a VARV hosszú élettartama a lábadozó hegeken belül (akár egy évtizedig is) (32-34) egy másik mechanizmust biztosítana egy himlő törzs ismételt bevezetéséhez egy földrajzi közösségen belül, akár a heganyagokkal való véletlen érintkezés, akár közvetlenül a variolációs gyakorlat révén.
A VARV eredete.
A VARV emberhez való alkalmazkodására vonatkozó lehetséges nyomok a VARV és a TATV/CMLV közötti szoros kapcsolatban találhatók (4). A TATV egy Nyugat-Afrikában honos szárazföldi rágcsálóhoz kötődik (35). Koaleszcencia-elemzéseink azt mutatják, hogy a VARV és a TATV közötti divergencia 16 000 YBP (2. táblázat és SI Dataset 4, a dél-afrikai himlőtörténeti feljegyzések alapján) és 68 000 YBP (2. táblázat és SI Dataset 3, a legkorábbi feljegyzett kelet-ázsiai himlőtörténet alapján) között történt. Így, hasonlóan a rokon, rágcsáló-rezervoárokkal rendelkező zoonózisos ortopoxavírusokhoz (6, 36, 37), a VARV az afrikai rágcsálók enzootikus kórokozójából fejlődhetett ki, majd terjedhetett el Afrikából.
Az e tanulmányhoz kiválasztott VARV-izolátumok genomikus szekvenciái az Egészségügyi Világszervezet Együttműködő Központjának adattárából származnak, és bár alacsony szintű szekvencia-divergenciát mutatnak, a gyűjteményen belüli legnagyobb földrajzi és időbeli változatosságot képviselik. Ezeknek az izolátumoknak a cSNP-kből származtatott filogeniája olyan topológiát eredményez, amely összhangban van a történelmi emberi vándorlási mintákkal, a populáció terjeszkedésével és a dokumentált himlőjárványokkal. Az ábrázolt topológia alátámasztja azt a hipotézist (3. ábra), hogy a variola két kládja egy ősi vírusból vált el, és ezt követően földrajzilag elkülönülő emberi populációkban fejlődött ki. Bár az alastrim és a VARV major eltérő humán patogenezisének oka nem világos, az alastrim minor genetikai szerkezete és a többi VARV-izolátummal való topológiája kritikus darabokat ad a himlő evolúciós kirakós játékához. A VARV-nek ez a javasolt filogenezise meghosszabbítja a himlő evolúciós idejét a korábbi elméletekhez képest.