Yersinia pestis genomes of the first and second plague pandemic recovered from ancient DNA

Keller, Marcel GND

Epidemic infectious diseases have shaped human history, but studies on the history of diseases were in the past limited to indirect evidence due to the elusiveness of the causative agents. This has fundamentally changed through the emergence of ancient pathogen genomics which allows us to reconstruct genomes of microorganisms from ancient DNA. This dissertation focuses on Yersinia pestis, responsible for at least two historical pandemics. The first paper presents eight Y. pestis genomes of the First Pandemic (541–750) covering at least the first century of this pandemic. The results suggest that the Justinianic Plague (541–544) already reached the British Isles, show that the causative lineage diversified early during the pandemic in multiple strains, and give indications for its persistence in Europe or close-by. A deletion discovered in the youngest strains might hold clues for ecological adaptations. The second paper presents 34 genomes of the Second Pandemic (1346–18th c.), recovered from ten sites dating to the 14th-17th c. A genome from Russia testifies the initial entry through East Europe, the low diversity during the Black Death (1346–1353) shows a rapid spread. The close relationship of all Second Pandemic strains suggests a local persistence and diversification. A deletion in one clade similar to the one detected in the first paper, coinciding with an accelerated substitution rate, could be interpreted as convergent evolution. The third paper challenges previous claims in a recently published paper about the origin of the Justinianic Plague through a reanalysis of the two presented genomes. The phylogenetic analysis of one sample suggests rather an identification as a strain potentially basal to the Black Death. The essay gives a short introduction on the history of plague research and a comprehensive overview of the recent discoveries of archaeogenetic studies, including insights into the evolution of the bacterium enabled by prehistoric plague genomes.

Durch die Geschichte hindurch hatten Infektionskrankheiten und Epidemien einen prägenden Einfluss auf Populationen, Gesellschaften, Mentalitäten und unsere Umwelt. Die Seuchengeschichte war in der Vergangenheit jedoch weitgehend auf indirekte Zeugnisse beschränkt, da die Erreger schwer greifbar sind. Dies hat sich jüngst durch die Entwicklung der ‚Paläopathogenomik‘ aus der Paläogenetik fundamental verändert. Diese Methodik erlaubt die Rekonstruktion von bakteriellen, viralen und Protozoen-Genomen aus alter DNA, gewonnen aus menschlichen Überresten. Diese Dissertation widmet sich Yersinia pestis, dem Erreger der Beulenpest, verantwortlich für mindestens zwei historische Pandemien: Die Erste Pandemie (541–750), die mit der Justinianischen Pest im Mittelmeerraum begann, und der Zweiten Pandemie, die nach dem berüchtigten Schwarzen Tod (1346–1353) für mehr als 400 Jahre in Europa wütete. Frühere Studien konnten bereits Y. pestisals Erreger beider Pandemien identifizieren, ließen jedoch viele Fragen offen, die hier in drei Studien, einem Essay und der abschließenden Diskussion angesprochen werden sollen. Die erste Studie stellt acht Y.-pestis-Genome der Ersten Pandemie von Fundorten in Deutschland, England, Frankreich und Spanien vor, die zumindest das erste Jahrhundert dieser Pandemie abdecken. Die Ergebnisse legen nahe, dass bereits die Justinianische Pest (541-544) die Britischen Inseln erreicht hat, dass der verantwortliche Stamm bereits im frühen Stadium der Pandemie diversifizierte, und dass die Pest möglicherweise in Europa oder benachbarten Regionen überdauerte. Eine Deletion in den jüngsten Stämmen könnte auf eine ökologische Anpassung hindeuten. Die zweite Studie bietet neue Einblicke in den Beginn und Verlauf der zweiten Pandemie durch 34 alte Genome aus Deutschland, England, Frankreich, Russland und der Schweiz, datiert auf das 14.–17. Jh. Ein Genom aus Russland bezeugt den Eintrag der Pest über Osteuropa, die geringe Diversität während des Schwarzen Todes eine rasante Ausbreitung. Die enge Verwandtschaft aller Stämme der Zweiten Pandemie deutet an, dass der Erreger lokal überdauerte und diversifizierte. In einer Klade wurde neben einer erhöhten Substitutionsrate eine Deletion ähnlich jener der ersten Studie beobachtet, was möglicherweise als konvergente Evolution interpretiert werden kann. Die dritte Studie ficht die Behauptungen einer kürzlich publizierten Studie zum Ursprung der Justinianischen Pest durch eine Neuanalyse der vorgestellten Genome an. Die phylogenetische Analyse eines der Genome zeigt vielmehr, dass es basal zum Schwarzen Tod fallen könnte. Der Essay bietet einen kurzen Abriss zur Geschichte der Pestforschung und eine umfassende Übersicht über die neuesten Entdeckungen der Archäogenetik, darunter auch die Einblicke in die Evolution des Erregers, die durch prähistorische Pestgenome gewonnen wurden. Im letzten Teil werden die Ergebnisse der Studien vergleichend und in einem weiteren Rahmen unter drei Schwerpunkten – methodische Herausforderungen, Ursprünge der beiden Pandemien sowie Verlauf und Persistenz – diskutiert, mit einem kritischen Blick auf die Grenzen des archäogenetischen Ansatzes und einem Ausblick auf zukünftige Forschungsfelder.

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