天花等病毒最早從什麼時候開始侵襲人類?
2020年08月09日09:43

  來源: Nature自然科研

  天花(smallpox)的絕跡日期很明確。在20世紀奪去3億多人性命後,1978年的最後一位受害人為其畫上了句號。兩年後,1980年5月8日,世界衛生大會宣佈天花病毒(variola virus)被徹底根除。

  不過,這種駭人病毒的起源並不清楚。如今,遺傳學證據開始揭露天花侵襲人類的最早時間。

瑞典厄蘭島埋葬的一具天花病毒攜帶者的遺骸,年代在公元800年至1050年之間。來源:The Swedish National Heritage Board
瑞典厄蘭島埋葬的一具天花病毒攜帶者的遺骸,年代在公元800年至1050年之間。來源:The Swedish National Heritage Board

  近日,多年來一直在古人類遺骸中尋找病毒DNA的一支國際研究團隊報告稱[1],早在公元600年,就有人類攜帶天花病毒了。他們的分析還顯示,天花病毒可能更早之前就在人類中傳播了——至少可以追溯到1700年前,當時正值西羅馬帝國走向衰落的動盪時期,歐亞大陸許多人群都在遷徙。

  這項研究將關於天花的DNA證據又向前推了一千年。2016年,研究人員曾通過從一具立陶宛木乃伊中提取的DNA,將天花出現的時間定格在17世紀[2]。“我們的研究表明,在再早1000年的維京時代,天花病毒已經在歐洲大量傳播了。”哥本哈根大學演化遺傳學家Martin Sikora表示。

  過去十年間開展的古DNA分析,一夜之間改寫了許多傳染病的歷史 ,天花只是其中一例。

  今年早些時候,一項研究[3]報導稱,曾被認為在9世紀左右在人類中出現的麻疹病毒,可能在公元前第一個千年就跑到人類身上了;該麻疹病毒的序列似乎也在同期與感染牛的近緣牛瘟病毒(現已根除)分化開來。2018年,Sikora的團隊證明乙肝從5000年前的青銅時代就開始感染人類了[4];2015年,該團隊曾報告鼠疫的起源也較早——鼠疫是由鼠疫耶爾森菌(Yersinia pestis)導致的疾病[5]。

  並非所有的遺傳學研究都會將疾病起源往前推:2014年,德國領導的一支團隊報導稱,肺結核感染人類的時間還不到6000年,遠非公認的12000年,更不要說之前提出過的70000年了[6]。

  這些發現正在動搖研究人員對於疾病如何在歷史進程中影響人類種群的認識,美國印第安納大學鼠疫史學家Ann Carmichael說。DNA證據顯示,鼠疫和乙肝這類疾病與大規模史前遷移事件有關——現在看來,天花病毒似乎也是如此。究竟是遷移將疾病帶到了新的地區,還是疾病出現致使人們背井離鄉,是一個考古學家、歷史學家和遺傳學家都希望能回答的問題。

  DNA證據還為瞭解古代天花的毒力提供了線索。比如最新研究顯示,維京人攜帶的是一種已經滅絕的天花病毒譜系,與現代毒株很不相同。下一步工作是將遺傳學與歷史和考古學相結合,丹麥奧爾胡斯大學考古學家Søren Sindbæk說。“我們可以開始在人類尺度上確定這些事件了,”他說,“接下來,高時間解像度對於改寫人類歷史至關重要。”

  古病原體基因組

  在古DNA技術革命開始前,研究人員必須檢驗骨架或是偶爾通過木乃伊尋找關於疾病的有形證據,比如發現麻風或梅毒的明顯跡象,並與歷史記錄交叉對照。但是,許多感染並不會在骨骼上留下可見的印跡。其他能顯示某些疾病年代的間接線索來自於對人類保護性突變的年代和地理分佈進行估計:比如紅細胞缺少“Duffy抗原”的人對間日瘧原蟲(Plasmodium vivax)有一定的抵抗作用。

  從1990年代起,研究人員能夠發現殘骸中的病原體DNA片段。過去十年里,新一代DNA測序儀可以讀取大量短片段,這種方式適用於為經過幾十萬年破壞的DNA重新測序,可以幫助研究人員重建古代病原體的全基因組。2011年,科學家發表了第一個此類基因組——鼠疫耶爾森菌的基因組[7]。該基因組提取自倫敦一墓地發掘的四具骸骨,該墓地埋葬了14世紀數千名死於黑死病的感染者。

這是位於英國牛津的一處維京時代大型墓地,在其中一名埋葬者中發現了天花病毒的DNA。來源:Thames Valley Archaeological Services
這是位於英國牛津的一處維京時代大型墓地,在其中一名埋葬者中發現了天花病毒的DNA。來源:Thames Valley Archaeological Services

  上述天花研究組成員、英國劍橋大學演化遺傳學家Eske Willerslev說,現在篩查古人類遺骸中的已知病原體已經是慣例了。剛開始,這種篩查只是研究維京人群在公元第一個千年晚期遷徙項目[8]的一個分支,沒想到最後發展成頗具規模的一類分析了。

  研究人員篩查了生活在32000年前至150年前歐亞大陸和美洲的1867例個體的DNA,並在26例個體中發現了類似現代天花毒株的DNA片段 ,其中13例能追溯到原始遺骸,研究人員通過目標捕獲技術提取了更多的天花病毒DNA——該技術利用實驗室合成DNA識別骨骼或牙齒中的相似DNA鏈。(研究人員的焦點集中在顳骨岩部(petrous bone)——顱骨靠近耳朵的部位,這裏被認為是古DNA的很好來源,因為它是最緻密的哺乳動物骨骼,能很好地保存人類DNA。但病原體出現在牙齒中的可能性更大,因為流經牙齒的血液更多,Willerslev說。)

  這其中的11例個體可追溯至公元600年至1050年左右,與維京時代重疊,這些個體來自今天的斯堪的納維亞、俄羅斯和英國。其中一例發掘自英國牛津的一座大型墓地,被認為死於1002年的聖布萊斯日大屠殺(St Brice’s Day Massacre)——英格蘭國王埃塞爾雷德二世(Ethelred the Unready)下令將丹麥人趕盡殺絕。

  4例維京時代個體為研究人員提供了大量病毒DNA,足以重建出近乎完整的天花病毒基因組。這些基因組再被用來與現代天花病毒序列做比對。沒有想到的是,感染維京時代樣本的病毒譜系並不是19世紀和20世紀譜系的直接祖先。“這是另外一條演化軌跡,在某個階段絕跡了,據我們所知,如今已經完全不在了。”Sikora說。

  研究人員利用“分子鐘”的方法對該譜系樹進行溯源:他們測量了古代和現代譜系間的差異,再根據遺傳學差異的積累程度計算出距離兩種譜系分離已經過去了多長時間。分析顯示,它們的最近共同祖先大概出現在1700年前(見“古代天花”)。

來源:B. Mühlemann, M. Sikora & T. Jones
來源:B. Mühlemann, M. Sikora & T. Jones

  不過,該項目成員、柏林夏里特醫院和英國劍橋大學的計算生物學家Terry Jones表示,這不意味著當時人類就已經感染天花了,這隻是迄今采樣過的所有不同種類的一個合併日期。Willerslev說他認為他的團隊已經篩選了青銅時代、新石器時代和中石器時代(公元前15000年至1200年左右)的足量個體,都沒有發現天花病毒,說明天花在3000-4000年前大面積傳播的可能性不大。

  其他研究人員推測,天花病毒早在1700年前之前就開始感染人類了。歷史記錄顯示,一種類似天花的疾病已經伴隨人類超過3000年之久,甚至可能是公元前12世紀年輕法老拉美西斯五世(Rameses V)的死亡原因——但沒人能確定他得的是不是天花,或是即使他得了,最後是不是死於這種病。最新的DNA證據沒能為這些說法提供任何線索,但是埃及一項分析皇室木乃伊DNA的項目預計將於2022年公佈結果。

  這項工作給沒有參與其中的科學家留下了深刻的印象。“這篇新論文顯示,有些譜系完全被我們忽視了。”美國亞利桑那大學的演化生物學家Michael Worobey說。不過,參與了2016年天花研究的麥克馬斯特大學古遺傳學家Hendrik Poinar認為,維京時代和現代譜系之間的巨大差異顯示出一種可能性:維京人並沒有像我們想的那樣得過天花。

  Jones認為那可能是真的。比如,有些證據顯示,天花病毒中積累的基因失活會讓它的毒力更強。他說:“我們還不確定,但一種很有力的說法是,天花在17世紀前只是地方性流行病,並不嚴重。”

  改寫疾病史

  對鼠疫、乙肝和天花這類古病原體的研究已經證明,在沒有任何疾病跡象的遺骸內,仍有可能檢測到病原體。因此,科學家不用將研究對象限製在掩埋在鼠疫坑內的遺骸了。這為研究病原體對古代世界的影響提供了一幅更加完整的畫面。

  病原體基因型的分佈以及它們隨時間發生的改變,或能為研究古代人類的遷徙提供新的線索。例如,從東歐大草原來到歐洲的顏那亞(Yamnaya)牧民的牙齒殘骸中發現了鼠疫耶爾森菌,讓研究人員提出了一種理論,即這些入侵者曾在新石器時代農耕社會中傳播鼠疫,加速了該社會在公元前3500年後的衰亡。但這個看法存在爭議,因為有考古學證據顯示,早在顏那亞牧民抵達前的1000年里,這種衰亡已經開始了,德國萊布尼茨考古學研究所的考古學家Detlef Gronenborn說。

  至今測序過的完整古病原體基因組大概只有200個[9],對應到每種病原體只有幾個,因此從系統發生分析中得出的結論是有限的。即使是在當前的大流行中,分析的新冠病毒SARS-CoV-2基因組動輒幾萬,研究人員依然會對其傳播途徑[10]得出錯誤結論。Poinar說,回溯得越久遠,樣本就越稀少,過度解讀的風險就越大。

  研究人員表示,考察病毒的演化歷史對於將來保護人類或也有作用。“我們很難預測病毒演化的走向,”該論文另一位作者、哥本哈根大學病毒學家Lasse Vinner說,“但能瞭解演化的過去,就能更好地掌握各種變化的可能性。”曾研究過天花的美國疾病預防控制中心流行病學家Andrea McCollum認為,想知道剩下的天花疫苗庫存對於近緣天花病毒有多少抵抗力,這類譜系樹可以提供很多信息。

  與此同時,疾病史學家也意識到新的問題正在等待他們解答。“我們真的要重新開始了。”Carmichael說。2011年證實鼠疫耶爾森菌是黑死病的罪魁禍首,平息了關於這場大流行起因的爭論。由於黑死病時期的毒株與現代鼠疫耶爾森菌十分類似,史學家又拋出了一個新問題:為何前現代社會的鼠疫比現代社會的更為致命?共病和生活方式可能是一種解釋,但還不夠明確。“這是個歷史問題,而不是遺傳學問題。”她說。

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽