ET KORT OVER FORTIDENS INFEKTIONSSYGDOMME
Massekortlægning af forhistoriske tænder og knogler giver helt ny viden om nutidige infektionssygdomme, viser et forskningsprojekt fra Københavns Universitet. Det kan blandt andet få betydning for udvikling af vacciner. Projektet er offentliggjort i Nature.
Ved at bruge en særlig metode til at analysere urgammelt sygdoms-DNA er det for første gang lykkedes forskere i ét hug at kortlægge et helt katalog af infektionssygdomme – omfattende i alt 214 – som plagede fortidens mennesker, og den dag i dag stadig er på færde.
Samtidig har analyserne givet afgørende nyt om fremkomsten af zoonoser – dvs. sygdomme overført fra dyr til mennesker, for eksempel tilbagefaldsfeber og pest. Her kan forskerne vise, at flere af disse sygdomme først begyndte at dukke op for cirka 6.500 år siden – hvilket ret præcist falder sammen med det tidspunkt, hvor vores forfædre for alvor begyndte at leve tæt sammen med deres husdyr.
Det er de centrale budskaber i en forskningsartikel, som netop er offentliggjort i Nature, et af verdens vigtigste videnskabelige tidsskrifter. Artiklen bygger på DNA-analyser af knogler og tænder fra 1.313 mennesker, som har levet i Europa og Asien (Eurasien) fra tidlig stenalder for cirka 12.500 år siden frem til for cirka 200 år siden; syv af de mange prøver er endnu ældre end tidlig stenalder, den ældste af disse er 37.000 år gammel.
Bag opdagelsen står et internationalt forskerhold under ledelse af Eske Willerslev, professor i forhistorisk DNA ved Lundbeck Foundation GeoGenetics Centre på Københavns Universitet (KU), og ved britiske University of Cambridge.
Kortlægningen af fortidige infektionssygdomme rummer en række spændende perspektiver, der også har nutidig betydning, vurderer Eske Willerslev, som har stået i spidsen for projektet sammen med lektor Martin Sikora, KU, og professor Astrid Iversen fra det britiske University of Oxford.
”Ud over at give informationer om historiske forhold knyttet til infektionssygdomme, giver kortlægningen nemlig også en udvidet forståelse af en række af disse sygdomme, som også i dag kan ramme mennesker. Man kan for eksempel se, hvordan nogle af de patogene – altså sygdomsfremkaldende - mikroorganismer rent genetisk har ændret sig over tid”, siger Eske Willerslev.
Hvilke, hvor og ǰå?
Det danske forskningshold viste i 2015, at knogler og tænder fra et fortidsmenneske ud over at kunne rumme personens egen arvemasse i mange tilfælde også vil indeholde DNA fra infektionssygdomme, dette menneske har været ramt af. Og ved at studere den type arkæologisk sygdoms-DNA er det inden for de seneste år i en række tilfælde lykkedes forskellige forskerhold at beskrive enkeltstående forhistoriske udbrud af en infektionssygdom, for eksempel et udbrud af pest eller af hepatitis.
Ambitionen om at gennemføre en massekortlægning af fortidens infektionssygdomme for dermed at vise, hvilke infektionssygdomme der dengang hærgede hvor og ǰå, krævede imidlertid en anden tilgang.
Og for hver eneste af de 1.313 arkæologiske prøver af humant tand- eller knoglemateriale, der indgår i Nature-projektet, valgte forskerne derfor at se efter revl og krat, hvilket vil sige DNA fra sygdomsfremkaldende mikroorganismer i form af virus, bakterier og parasitter, der i dag er kendt for at kunne gøre mennesker syge – og dem fandt de 214 af.
Forskerne kiggede også efter ’andre bakterier’, som dukkede op i forbindelse med denne massesøgning, og dem fandt man 278 af. Det er bakterier, som ikke umiddelbart antages at være sygdomsfremkaldende, blandt andet jordbakterier – og bakterier, der kan være produktet af forrådnelsesprocesser.
Analysen af det arkæologiske DNA fra de 214 sygdomsfremkaldende mikroorganismer er gennemført ved hjælp af shotgun-sekventering. Det er en særlig teknik, der gør det muligt at aflæse koden på bittesmå stykker DNA, som er stærkt nedbrudt – hvilket typisk vil være tilfældet, når man taler om arkæologisk arvemasse med tusindvis af år på bagen.
Når et sådant stykke fortidigt DNA er aflæst, holdes det op mod registre med nutidige koder af sygdomsfremkaldende mikroorganismers DNA for at se, om der er et træf.
”De DNA-sekvenser, vi arbejdede med fra de gamle knogler og tænder, var virkelig korte - typisk 50-60 basepar”, siger Martin Sikora. Han er lektor i populationsgenetik ved Lundbeck Foundation Geogenetics Centre på KU, og han har stået i spidsen for denne del af projektet.
”Om det er nok til en identifikation, er det vanskeligt at sige noget generelt om – det kommer blandt andet an på hvilken type, der er tale om – og hvor mange fragmenter, man har til rådighed”, forklarer Martin Sikora.
Når man inden for samme infektionssygdom sammenligner arkæologisk DNA med nutidigt DNA, kan man også se forandringer og udviklinger, siger Martin Sikora: ”Et af de eksempler vi fandt på det i forbindelse med undersøgelsen er pest, som over tid har ændret sig – og i den sygdomsvoldende version har udviklet genetiske karakteristika”.
Disse forandringer i Yersinia pestis – den bakterie, som fremkalder pest – kan i Nature-artiklen følges 5.500 år tilbage, fortæller adjunkt Frederik Seersholm fra Lundbeck Foundation Geogenetics Centre. Han er specialist i pest-analyser af arkæologisk DNA, og medforfatter af Nature-artiklen - og han blev stærkt og glædeligt overrasket, da han blandt analyserne af de 1.313 arkæologiske tand- og knogleprøver fra fortidsmennesker i Eurasien så det gamle Yersinia pestis-træf: ”For det er ganske enkelt det ældste eksempel på pest, vi til dato har set. Når man ser på dette fund, kan man virkelig se, hvordan pesten har udviklet sig over tid frem mod den version, vi kender fra ’Den Sorte Død’ – den pest-pandemi, der ramte Europa i årene fra 1346-1353, og nogle steder slog op mod 40 procent af befolkningen ihjel”, siger Frederik Seersholm.
Ud over at give informationer om historiske forhold knyttet til infektionssygdomme, giver kortlægningen nemlig også en udvidet forståelse af en række af disse sygdomme, som også i dag kan ramme mennesker.
Zoonoserne
Cirka 70 procent af alle nye infektionssygdomme, der i disse år opdages, er zoonotiske – dvs. sygdomme, der kan overføres fra dyr til mennesker. Blandt de kendte zoonoser finder man sygdomme som salmonella, listeria, Yersinia enterocolitica (der giver mave-tarm infektion), Borrelia recurrentis (som giver tilbagefaldsfeber), rabies og MRSA. Samt en hel række andre, for listen over zoonoser er lang, der er omkring 200 i alt.
De 1.313 arkæologiske prøver af humant DNA – fra hhv. tænder og knogler – stammer fra kortlægningen af i alt 5.000 forhistoriske mennesker, som de seneste år er blevet sekventeret på Lundbeck Foundation Geogenetics Centre på Københavns Universitet. Dette kortlægningsarbejde blev indledt i 2018 med en bevilling på 60 millioner kr. fra 鶹.
Prøvematerialet er primært stillet til rådighed af museer i Europa og Asien. Prøverne er dels udvundet af tænder, hvor emaljen fungerer som et låg, der i høj grad kan beskytte DNA mod nedbrydning som følge af tidens hærgen. Resten af det undersøgte DNA er primært udvundet af petrosa-knogler. Denne knogle, der er den hårdeste knogle hos mennesker og andre pattedyr, sidder på indersiden af kraniet, hvor den beskytter det indre øre.
Videnskaben har længe prøvet at finde ud af ǰå og under hvilke omstændigheder de zoonotiske sygdomme for alvor gjorde deres entre. Og her kan forskerne bag Nature-artiklen levere et svar: Vi skal omkring 6.500 år tilbage – her ser man en stigning i DNA fra zoonotiske sygdomme i de arkæologiske tand- og knogleprøver fra de 1.313 fortidsmennesker, der er undersøgt.
”Før det tidspunkt finder vi kun i ét tilfælde DNA fra en sygdomsfremkaldende mikroorganisme i prøverne fra Eurasien, som vi kan klassificere som en zoonose. Derefter begynder zoonoser at spille en vis rolle for, at folk dør – og for omkring 5.000 år siden tager zoonoserne så for alvor fart, viser vores analyser af de gamle tænder og knogler”, siger Astrid Iversen. Hun er professor i virologi og immunologi ved det britiske University of Oxford, og en af medforfatterne bag Nature-artiklen.
Den markante stigning i forekomsten af zoonoser for omkring 5.000 år siden falder tidsmæssigt sammen med en folkevandring mod Nordvesteuropa fra Den Pontiske Steppe - dvs. fra dele af det nuværende Ukraine, det sydvestlige Rusland og det vestlige Kasakhstan.
De mennesker, der gav sig ud på denne vandring – og i vid udstrækning kom til at videregive den genetiske profil, man finder blandt nulevende mennesker i Nordvesteuropa – tilhørte hyrdefolket Yamnaya. De levede primært af kød og mælkeprodukter – og i blandt andet det nuværende Danmark fortrængte og erstattede yamnayaerne den bondebefolkning, som på daværende tidspunkt boede her, og havde relativt få husdyr.
”Yamnayaerne boede derimod virkelig tæt sammen med deres dyr – de havde både køer, får og okser – og derfor har de også været meget eksponeret for at få sygdomme fra deres dyr”, siger Kristian Kristiansen, der er arkæolog og tilknyttet Lundbeck Foundation GeoGenetics Centre på KU.
Zoonoser blev først et stort problem for mennesket, da vi begyndte at holde dyr samlet i store flokke og bo tæt sammen med dyrene – og spise kød og drikke mælk fra disse dyr. Det betød, at dyrene lettere kunne smitte hinanden, og at risikoen for at de smittede mennesket blev større
Det er velkendt, at en lang række patogene – sygdomsfremkaldende – bakterier, virus og parasitter kan overføres fra køer, får og geder til mennesker. Det gælder for eksempel leptospirose, kvægtuberkulose, brucellose og listeriose – de tre sidste ofte via mælk, fortæller professor Astrid Iversen:
”Zoonoser blev først et stort problem for mennesket, da vi begyndte at holde dyr samlet i store flokke og bo tæt sammen med dyrene – og spise kød og drikke mælk fra disse dyr. Det betød, at dyrene lettere kunne smitte hinanden, og at risikoen for at de smittede mennesket blev større”.
Stigningen i zoonoserne for 5.000 år siden understreger samtidig, at den måde vi lever på, har stor betydning for hvilke sygdomsfremkaldende mikroorganismer – patogener - vi udsættes for. Og det er samtidig en påmindelse om, at zoonoser ikke er noget statisk fænomen, understreger Astrid Iversen:
”Der sker hele tiden ændringer i patogener, der kan påvirke både forekomsten og smitterisikoen – og vores måde at leve på kan markant øge eller mindske risikoen for hvilke blandinger af patogener, vi udsættes for. Derudover kan der også over generationer udvikles en vis modstandsdygtighed mod nogle patogener. Der er noget meget fascinerende ved se på årtusindgamle DNA-spor efter infektionssygdomme hos mennesker – og dermed se det samspil der har været mellem sygdomsbyrde og levevis. Det er som at få et kig ned i et biologisk maskinrum fra fortiden”.
Nye undersøgelser
De 214 forskellige infektionssygdomme, som forskerne identificerede i de gamle knogle- og tandprøver, er alle blodbårne – og infektionen er på et tidspunkt gået over i blodet hos disse fortidsmennesker. Infektionssygdommene havde desuden det til fælles, at deres arvemasse er DNA.
Når de to forhold er opfyldt – og når der er en vis mængde patogener til stede – har forskerne mulighed for ved hjælp af shotgun-metoden at identificere infektionssygdomme i arkæologiske prøver. Og det er en mulighed, som både kan og bør udnyttes til at gennemføre nye undersøgelser, mener lektor Martin Sikora fra Lundbeck Foundation Geogenetics Centre:
”Vi vil prøve at udvide de dataset, vi arbejder med – og desuden ville det være virkelig cool, hvis vi kunne gennemføre lignende undersøgelser andre steder i verden, for eksempel i Østen og på Det Amerikanske Kontinent”.
Studier af DNA fra infektioner, der ramte fortidsmennesker, vil også kunne anvendes til blandt andet testning og udvikling af vacciner, vurderer professor Eske Willerslev:
”Ved hjælp af shotgun-analyserne kan man jo følge mutationer i arvemassen bag en infektion op gennem tiden – helt op til i dag. Man kan for eksempel se, ǰå en bakterie er muteret, hvordan den er muteret, hvor hurtigt arvemassen har ændret sig – og hvilke mutationer, der ser ud til at have været særligt betydningsfulde. Og de mutationer, der har været succesfulde i fortiden, må forventes at komme igen”.
Dermed får man informationer, som både giver et billede af effektiviteten af eksisterende vacciner og et bud på, hvad fremtidens vacciner skal kunne, siger Eske Willerslev:
”Hertil kommer et andet område, som kan rumme en række interessante perspektiver, nemlig muligheden for på denne måde at finde nye sammenhænge mellem infektionssygdomme og ændringer i det menneskelige genom op gennem tiden. Det er jeg overbevist om, at man kan undersøge, og på den måde blandt andet få ny viden om genetiske forhold, der spiller en rolle i forbindelse med udvikling af resistens”.
Nature-artiklen tegner et billede af 214 infektionssygdommes hærgen blandt mennesker op gennem tid og geografisk rum i det eurasiske område - på basis af 1.313 prøver af urgammelt humant DNA. Men hvordan sikrer man, at resultatet er statistisk holdbart?
Svaret er: Man skal alliere sig med en særdeles kyndig matematiker, for fejlmulighederne er store, og der skal tages hensyn til mange forhold!
Udregningerne er foretaget af postdoc Elisabetta Canteri fra Section for Molecular Ecology and Evolution ved Globe Institute på Københavns Universitet. Og det centrale spørgsmål, hun ved hjælp af informationer fra en lang række tidligere undersøgelser skulle besvare, var: Hvilke faktorer har påvirket spredningen i tid og geografisk rum af patogener fra disse 214 infektionssygdomme? Og hvordan?
For at gøre det, skulle hun kigge på et meget komplekst samspil af blandt andet: Menneskelig mobilitet i landskabet. Fortidige temperatur- og nedbørsforholds mulige påvirkning af specifikke patogener. Og om de 1.313 prøvers fundsteder – altså forhold knyttet til længde- og breddegrader – på nogen måde kunne tænkes at spille ind?
”Det vanskeligste var i virkeligheden at integrere alle disse typer information, fordi de kom fra så mange forskellige kilder”, siger Elisabetta Canteri.
”Det regnestykke, Elisabetta Canteri har gennemført, er sindssygt kompliceret – og helt centralt”, siger professor Eske Willerslev: Det er det, der gør, at hele historien hænger sammen”.
The spatiotemporal distribution of human pathogens in ancient Eurasia and the emergence of zoonotic diseases
