Анализ древних геномов Salmonella enterica из человеческих останков с территории Центральной Азии

Приоритетное направление: Наука о жизни и здоровье

Специализированное направление: Биотехнологии в медицине

Вид исследования: фундаментальное

Срок реализации: 2021-2023 гг.

Руководитель проекта – Хусаинова Э.М., к.б.н., ассоциированный профессор

Научная новизна и актуальность проекта. 

С древности эпидемии являются одним из частых явлений, которые затрагивают и потенциально разрушают человеческие популяции. Чем больше известно о геномной основе вирулентности возбудителей исторических болезней, тем больше можно понять о повторном возникновении инфекционных заболеваний сегодня и в будущем. Стремительное развитие методов молекулярной генетики и биоинформатики позволяет изучать с высокой эффективностью геномы древних патогенов, обнаруживаемых в археологических останках. Анализ ДНК древних возбудителей болезней дает возможность реконструировать историю эпидемий, происходящих в прошлом, понимать как древние патогены эволюционировали и адаптировались в ходе исторических событий, а также прослеживать эволюцию современных штаммов микроорганизмов, которые гипотетически могут приводить к новым эпидемическим вспышкам или пандемиям.

Проект имеет междисциплинарный характер, объеденяя опыт и знания специалистов разных дисциплин: археология, история, генетика и микробиология. Комплексный анализ геномных особенностей древней бактерии S.enterica, которая является возбудителем острых кишечных инфекций животных и человека, предоставляет нам возможность получить новые данные о возможных мутациях в ДНК и эволюционных процессах Salmonella enterica, обитающей в древности в степной зоне Евразии, понять исторические ассоциации между животными и людьми, а также проследить миграционную историю патогенов и древних человеческих популяций на территории Центральной Азии.

Цель  проекта: Изучение геномов бактерии Salmonella enterica, извлеченных из древних человеческих останков с территории Центральной Азии.

Ожидаемые результаты проекта:

Предлагаемый Проект имеет фундаментальный междисциплинарный характер, объеденяя опыт и знания специалистов разных дисциплин: археология, история, генетика и микробиология. Комплексный анализ геномных особенностей древней бактерии S.enterica, которая является возбудителем острых кишечных инфекций животных и человека, предоставляет нам возможность получить новые данные о возможных мутациях в ДНК и эволюционных процессах Salmonella enterica, обитающей в древности в степной зоне Евразии, понять исторические ассоциации между животными и людьми, а также проследить миграционную историю патогенов и древних человеческих популяций на территории Центральной Азии. 

— Будет проведена систематизация и подготовка, собранного ранее археологического материала. Будут выделены ДНК из древних человеческих останков, подготовлены ДНК-библиотеки и проведено высокопроизводительное секвенирование (NGS). 

— Будет проведена биоинформатическая обработка данных для аутентификации и оценки качества древних образцов ДНК. Будет проведен скрининг древней ДНК на бактериальные патогены и выявлены положительные в отношении Salmonella enterica ДНК-библиотеки.

— Будет проведена амплификация геномов Salmonella enterica с помощью обогащения ДНК-библиотек, положительных на наличие последовательностей ДНК древнего патогена. 

— Будет проведен филогенетический анализ геномов Salmonella enterica.  

Достигнутые результаты: 

В 2021 проведена систематизация и подготовка коллекционного материала, собранного до начала 2020 года. В результате анализа антропологического и археологического контекста для исследования отобрано 360 древних индивидов. География захоронений, где был найден материал, охватывает территорию Центральной Азии: в коллекции представлены образцы с территории современного Казахстана (60%), Киргизии (31%) и регионов России, граничащих с Казахстаном (9%). Отобранные образцы датируются эпохой бронзы, железным веком, вплоть до конца I тысячелетия нашей эры и представляют как множественные, так и единичные захоронения. Проведено выделение ДНК из отобранного материала (360 образцов древних человеческих останков). Все полученные образцы ДНК были протестированы на наличие/отсутствие факторов ингибирования амплификации с помощью ПЦР в режиме реального времени (qPCR) с использованием спецефических ДНК-мишеней Salmonella enterica. Подготовлены ДНК-библиотеки размером 75 п.н. на матрицах двухцепочечной ДНК, согласно протоколу Illumina. Все библиотеки были дважды проиндексированы и амплифицированы для получения максимального количества копий. Проведено высокопроизводительное секвенирование ДНК-библиотек с использованием платформы Illumina HiSeq 4000. Изучение древних геномов бактерии Salmonella enterica, впервые проводится в казахстанском археологическом материале, имеющем историческое значение и относящемся к ключевым культурам I тысячелетий до нашей эры и нашей эры.

В 2022 г.  проведена биоинформатическая обработка данных для аутентификации и оценки качества древних образцов ДНК. Проведено полногеномное секвенироване библиотек палео-ДНК, представляющих 326 древних индивидов. Проведен скрининг древней ДНК на бактериальные патогены (73 вида бактерий и вирусов) с помощью программы HOPS. В результате скрининга выявлено 12, положительных в отношении Salmonella enterica образцов. Анализ образцов, в которых было обнаружено присутствие ДНК Salmonella еnterica, свидетельствует о частоте встречаемости сальмонеллеза на территории современного Кыргызстана: могильники Кенкольский, Чеш-Тюбе,  Кара-Саз. Также, 2 случая обнаружения Salmonella еnterica в древних образцах с территории современного Казахстана, относятся к Алматинской области (Орикты, Таргап). Один случай сальмонеллеза отмечен в Центральном Казахстане (Копа) и один – в Западном Казахстане (Сегизсай).

Исследовательская группа

Хусаинова Эльмира Минагуловна — к.б.н., Scopus Author ID 36343774800; ORCID 0000-0001-9072-187X https://orcid.org/0000-0001-9072-187X

Мусралина Ляззат ORCID 0000-0001-8591-890X https://orcid.org/0000-0001-8591-890X

Чильдебаева Айнаш Еркеновна, Phd, PhD in Anthropology and Toxicology 

Жаниязов Жасулан Ануарбекович ORCID 0000-0002-0893-8162 https://orcid.org/0000-0002-0893-8162