Rezultate și discuții
Stabilitatea genomului VARV și analiza filogenetică.
Disponibilitatea secvențelor genomului de la o colecție de izolate VARV cu o distribuție geografică largă (Fig. 1) a fost folosită pentru studiul evolutiv al VARV (4). VARV, un membru al genului Orthopoxvirus, conține un singur genom liniar de ADN dublu catenar de 186 kb care codifică majoritatea enzimelor pentru propagarea sa (5). Izolatele VARV studiate au demonstrat o rată scăzută de mutație, deoarece izolatele legate epidemiologic au prezentat puține sau deloc modificări de secvență în eșantioane cu perioade de colectare de până la 1 an între ele . Această rată scăzută de mutație poate fi clar observată în eșantioanele noastre identice din punct de vedere genetic din Bangladesh, colectate între 1974 și 1975. Aceste eșantioane reprezintă cu siguranță lanțuri lungi și complexe de transmitere din una dintre cele mai dens populate regiuni din lume, dar au secvențe de nucleotide identice sau aproape identice. În mod similar, virusul Orthopoxvirus monkeypoxvirus înrudit prezintă modificări nucleotidice unice sau inexistente între izolatele provenite de la trei gazde diferite într-un focar recent din Statele Unite (6). În cadrul și între speciile de ortopoxvirusuri, genomurile posedă identități nucleotidice de >99,6 % între izolatele VARV și de 98 % între VARV și taxoni congenerici, cum ar fi virusul taterapox (TATV) (4) (Africa de Vest) și virusul camelpox (CMLV) (7) (Asia Centrală) (tabelul 1), două specii cu cea mai mare similaritate de secvență cu VARV (4). Dimensiunea mare și rata lentă de substituție a nucleotidelor permit ADN-ului genomic al VARV să păstreze mutațiile informative din punct de vedere filogenetic, reducând în același timp incidența mutațiilor homoplastice (adică, mai puține inversări ale stării de caracter). Diversitatea celor 47 de genomuri VARV secvențiate recent a fost în mare măsură asociată cu originea geografică a izolatelor (ref. 4 și prezentul studiu), iar mutațiile au avut o asociere minimă cu variația temporală între izolate. Aceste observații demonstrează că nu a existat o singură tulpină pandemică ( SI Text , Nota 1), ci mai degrabă că cladele genetice din aceste analize sunt reprezentative pentru tulpini vechi și, probabil, vechi, endemice la nivel local.
Ipoteze privind originea VARV. Evenimentul 0, Similitudinea ridicată a VARV cu secvențele genomului CMLV și TATV sugerează că TATV și CMLV au un strămoș comun mai recent cu VARV decât alte specii cunoscute de ortopoxvirusuri. Evenimentul 1, ipoteza A: Un VARV ancestral a deviat în două clade primare (P-I și P-II) și a evoluat independent în Lumea Veche și în Lumea Nouă, urmând gazdele sale umane. Evenimentul 1, ipoteza B: Divergența P-I/P-II în Africa. Evenimentul 2, ipotezele A și B: ramura unică lungă și radiația ulterioară a P-I sugerează că VARV strămoșesc al P-I își are probabil originea în Asia de Nord-Est și că endemicii variolei din P-I au început să se răspândească în Asia de Est, Orientul Mijlociu și India pe măsură ce populațiile locale au devenit suficient de mari. Evenimentul 2a, diversificarea și migrația P-I în Asia. Evenimentul 2b, Explorarea occidentală a adus VARV major în Africa de Sud din subcontinentul indian, care apoi s-a răspândit spre nord în Africa Centrală și în Cornul Africii (Peninsula Somali). Evenimentele 3 și 4, ipoteza A: Diversificarea P-II în Lumea Nouă urmată de reintroducerea sa în Africa; ipoteza B: Diversificarea P-II în Africa, urmată de introducerea ulterioară a unei subclade în Lumea Nouă.
Dacă radiația P-I reprezintă istoria endemică a variolei în Lumea Veche, aceasta explică enigma istorică privind absența unei descrieri a variolei în literatura vechilor civilizații grecești și romane (1). Este probabil ca epidemiile de variolă din această regiune să fi avut loc într-o perioadă mai târzie decât cele din China și India antice. „Ciuma din Atena” din 430 î.Hr. descrisă de Tucidide, considerată cândva ca fiind variolă (3), ar contrazice această teorie, dar s-a stabilit recent că a fost vorba de febra tifoidă (25). În timpul domniei lui Ramses al V-lea, Egiptul se afla într-un război civil și a fost atacat de inamici din nord (3); dacă erupția pustuloasă a lui Ramses al V-lea a fost cauzată de variolă, aceasta ar putea reprezenta o epidemie de variolă din cazuri importate din cauza războiului, mai degrabă decât o boală endemică regională. Această ipoteză este susținută de faptul că doar trei mumii din acea perioadă au avut leziuni similare (2).
Diversificarea Alastrim minor.
Analizele bazate pe topologia istoriei variolei/VARV arată că divergența dintre alastrim minor și variola vest-africană a început cu cel puțin 800 de ani în urmă (Tabelul 2 și Tabelul SI 4), precedând ipoteza anterioară conform căreia această divergență coincide cu începutul comerțului cu sclavi. Conform ipotezei originii mai vechi, această divergență ar fi putut apărea după un eveniment de speciație fie în Lumea Nouă (pe baza calibrării din cele mai vechi înregistrări istorice ale variolei; Fig. 3 A), fie în Africa de Vest (pe baza calibrării din înregistrările istorice ale variolei din Africa de Sud; Fig. 3 B). Aceste scenarii ar sugera că au existat izolate neidentificate de variola minor/alastrim care au existat fie în Africa, fie în Lumea Nouă cu mult înainte de descoperirea alastrimului minor (P-II); astfel, acest taxon are o istorie mai lungă decât a fost descris.
Deși importul bine documentat al VARV major în Americi a avut un efect devastator asupra multor populații indigene (2), înregistrările de răspândire rapidă a bolii cu o mortalitate mare ar putea fi atribuite, în parte, efectului combinat al densității mari a populației, al lipsei de îngrijire de bază pentru victime și al potențialelor coinfecții cu alte boli din Lumea Veche (26, 27). Din punct de vedere istoric, există puține înregistrări ale variolei în Africa de Vest, iar Henige (28) a susținut că primul focar major de variolă VARV din Lumea Nouă nu a provenit din Africa de Vest, ceea ce ar infirma ipoteza unei istorii timpurii de variolă în Africa de Vest. Este posibil ca, după o introducere străveche, alastrul să fi evoluat independent în regiuni izolate din cadrul zonei geografice mari a Lumii Noi. De fapt, studiul lui Phelan a arătat că populațiile indigene din zona montană a Ecuadorului nu au scăzut în timpul dominației spaniole inițiale (atribuită ca fiind cea care a introdus VARV major în Lumea Nouă) (29), sugerând că aceste populații ar fi putut fi mai rezistente la variolă, poate prin contactul anterior cu alastrim. În Trinidad, un focar ușor de variolă din 1902 a fost documentat ca fiind originar din această regiune (30). Dacă această diversificare a avut loc în Lumea Nouă, atunci evenimentul primar de izolare ar fi rezultat probabil din deplasarea unui VARV ancestral cu primii oameni în acea regiune (Fig. 4A). Absența semnăturilor SNP care să sugereze amestecul dintre P-I și P-II (figurile 6 și 7 din SI), caracteristicile clinice consecvente și semnificativ diferite ale alastrimului față de VARV-ul tradițional major al P-I (31), ar putea fi explicate printr-o astfel de separare geografică semnificativă.
Dacă divizarea P-I/P-II a avut loc în Lumea Veche, P-II și-a avut probabil originea în Africa de Vest. Cele două subclase P-II ar fi deviat atunci ≈800-1.100 YBP (Tabelul 2 și Tabelul SI 4) pe continentul african. Distribuția geografică a acestor evenimente este dificil de determinat din cauza lipsei unei istorii scrise în aceste regiuni. Cu toate acestea, prezența și diversificarea altor ortopoxvirusuri strâns înrudite, cum ar fi monkeypox și TATV, ar putea susține o origine africană pentru VARV-urile ancestrale. Dacă izolarea și diversificarea P-II a avut loc în Africa, atunci, pe baza filogeniei noastre, există un reprezentant african nedescris din subclada P-II, care a fost introdus în Lumea Nouă poate cu sute de ani după evenimentul de diversificare, posibil în timpul comerțului cu sclavi între țările din Lumea Veche și Lumea Nouă (Fig. 3 B).
Înțelegerea inadecvată a istoriei acestor culturi și simptomele clinice relativ mai blânde (în raport cu variola majoră) contribuie la absența unei înregistrări istorice mai extinse a bolii (bolilor) variolei în Lumea Nouă sau în Africa Subsahariană. Densitatea istorică a populației umane în aceste două regiuni a fost mai mică decât în regiunile cu variolă majoră endemică. În cazurile de boală mai ușoară, indivizii ar fi fost mai mobili atunci când erau infectați și ar fi avut un număr mai mare de contacte, perpetuând astfel răspândirea bolii. În sprijinul acestei ipoteze, focarele ușoare de variolă din Somalia au persistat timp îndelungat în rândul unor mici bande nomade și au prezentat un model de transmitere semnificativ diferit față de cel al variolei majore (2). Deși nu se știe dacă practica variolării/inoculării a fost utilizată de popoarele indigene din Africa sau din Americi, longevitatea VARV în cadrul crustelor de convalescență (până la un deceniu) (32-34) ar oferi un alt mecanism pentru introducerea repetată a unei tulpini de variolă în cadrul unei comunități geografice, fie prin contact neintenționat cu materiale provenite din cruste, fie direct prin practicile de variolare.
Originea VARV.
Posibile indicii privind adaptarea VARV la om pot fi găsite în relația strânsă dintre VARV și TATV/CMLV (4). TATV este asociat cu un rozător terestru originar din Africa de Vest (35). Analizele noastre de coalescență indică faptul că divergența dintre VARV și TATV a avut loc între 16.000 YBP (tabelul 2 și SI Dataset 4, pe baza înregistrărilor istorice ale variolei din Africa de Sud) și 68.000 YBP (tabelul 2 și SI Dataset 3, pe baza celor mai vechi înregistrări istorice ale variolei din Asia de Est). Astfel, ca și ortopoxvirusurile zoonotice înrudite cu rezervoare de rozătoare (6, 36, 37), este posibil ca VARV să fi evoluat de la un agent patogen enzootic al rozătoarelor africane și să se fi răspândit ulterior în afara Africii.
Secvențele genomice ale izolatelor VARV selectate pentru acest studiu au fost preluate din depozitul Centrului de Colaborare al Organizației Mondiale a Sănătății și, deși prezintă un nivel scăzut de divergență a secvențelor, sunt reprezentative pentru cea mai mare diversitate geografică și temporală din cadrul colecției. Filogenia derivată din cSNP a acestor izolate produce o topologie în concordanță cu modelele istorice de migrație umană, cu expansiunea populației și cu epidemiile de variolă documentate. Topologia descrisă susține ipoteza (Fig. 3) conform căreia două clade de variolă au deviat de la un virus ancestral și au evoluat ulterior în populații umane discrete din punct de vedere geografic. Deși motivul pentru patogeneza umană diferită a alastrimului și a VARV major nu este clar, structura genetică a alastrimului minor și topologia sa cu celelalte izolate VARV adaugă piese critice la puzzle-ul evolutiv al variolei. Această filogenie propusă a VARV extinde timpul de evoluție a variolei în raport cu cel al teoriilor anterioare.
.