Биологические образцы XVIII века помогли найти старейший риновирус

Ученые давно научились извлекать ДНК древних бактерий и вирусов из костей и зубов людей, умерших тысячи лет назад. С помощью генетического анализа такой материал находят в скелетах возрастом до 50 тысяч лет. Например, сообщалось о находках генетических фрагментов вируса в костях неандертальцев. Но с риновирусами, вызывающими острые респираторные вирусные инфекции (ОРВИ), а также с вирусами гриппа или кори все иначе. Их геном состоит не из ДНК, а из РНК.

РНК (рибонуклеиновая кислота) — это биологическая макромолекула, представляющая собой линейный полимер, состоящий из одной цепи нуклеотидов. Она играет ключевую роль в клетке: переносит генетическую информацию от ДНК, участвует в синтезе белков и регулирует работу генов. 

В отличие от ДНК, РНК в обычных условиях разрушается быстрее: через несколько часов или сутки после смерти. РНК быстро распадается под действием группы ферментов (нуклеаз) и химических процессов. Однако при благоприятных условиях, например в низких температурах, она может сохраняться значительно дольше. 

Долгое время ученые считали, что шансов найти древние РНК-вирусы практически нет. Но в последние годы это представление изменилось. Исследователи научились извлекать древнюю РНК из исключительно хорошо сохранившихся образцов — например, из тканей мамонта, пролежавших в вечной мерзлоте 40 тысяч лет. Но как быть с обычными больницами и моргами прошлого, где условия хранения были далеки от сибирского холода?

С конца XIX — начала XX века для сохранения структуры ткани врачи использовали формалин — химический раствор, который делает клетки и структуры в образце более «жесткими», предотвращает их гниение и самораспад. Однако формалин связывает молекулы внутри ткани, в том числе белки и нуклеиновые кислоты, что ухудшает качество РНК и ДНК. Иными словами, извлечь и проанализировать их становится гораздо сложнее. 

Команда исследователей под руководством Эрин Барнетт (Erin Barnett) из Онкологического исследовательского центра Фреда Хатчинсона в США решила изучить некоторые европейские анатомические коллекции, которые появились еще до эпохи формалина, чтобы попытаться найти удобный для работы биологический материал.

Поиски увенчались успехом в Хантеровском анатомическом музее при Университете Глазго в Шотландии. Там хранились образцы легочной ткани двух людей. От более поздних коллекций их отличал способ консервации — вместо формалина ткани законсервировали в спирте. 

Первый образец принадлежал женщине из Лондона, которая умерла в 1770-х. Второй — человеку, пол которого установить не удалось, скончавшемуся в 1877 году. Медицинские карты того времени указывали, что у обоих пациентов наблюдались симптомы ОРВИ.

Барнетт и ее коллеги одновременно извлекли из обоих образцов древнюю ДНК и РНК. Полученная РНК оказалась крайне фрагментированной: большинство обнаруженных фрагментов были очень короткими, всего 20-30 нуклеотидов. Для восстановления генома пришлось собирать «пазл» из тысяч мельчайших обрывков генетической информации, реконструируя последовательность биоинформатическими методами.

Работа продвигалась медленно, но в итоге исследователи смогли реконструировать геном РНК-содержащего вируса человека, выделенного из образца легочной ткани женщины XVIII века. На сегодня это старейший восстановленный геном РНК-содержащего вируса человека.

Параллельно ученые нашли доказательства того, что в момент смерти ее организм также боролся с опасными бактериями: пневмококком (Streptococcus pneumoniae), гемофильной палочкой (Haemophilus influenzae) и моракселлой (Moraxella catarrhalis) — классический набор возбудителей респираторных инфекций верхних и нижних дыхательных путей.

Собрав древний геном РНК-содержащего вируса, ученые сравнили его с базой данных Национальных институтов здравоохранения США, где хранятся миллионы записей о современных вирусах со всего света. Это необходимо было сделать для определения родства и типа. Филогенетический анализ показал, что вирус из 18 века принадлежит к группе риновирусов Human Rhinovirus A. Но это не прямой предок современных штаммов. Это вымершая линия, эволюционное тупиковое ответвление.

«Когда мы сравнили древний геном с современными базами последовательностей, то определили близость этого вируса к современному генотипу A19 и оценили, что их общий предок жил примерно в XVI–XVII веках», — пояснила Барнетт.

По словам авторов исследования, их открытие даст редкую возможность проследить эволюцию риновирусов на протяжении столетий.

Результаты исследования представлены на сайте препринтов по биологии bioRxiv.