CC BY
2319. Sokolov V.E., Ushakova N.A., Abramova O.YU., SHubkina A.V., 1990. Reakciya mikrobnyh associacij na poverhnos-ti kozhi mlekopitayushchih na izmenenie fiziologicheskogo sostoyaniya organizma // Izv. AN SSSR, ser. Biol.T.5. S. 694-700.
20. Sokolov V.E., Ushakova N.A., SHubkina A.V., Neklyudova T.I. 1991. Stress - kak faktor, narushayushchij stabil'nost' kozhnyh mikrobnyh associacij // DAN SSSR. T.317. №3. S.764-768.
УДК 575.86:591.2
DOI: 10.24411/9999-025A-2019-10008 ЦЕНТРАЛЬНАЯ АЗИЯ КАК ЦЕНТР ПОЛИТОПНОГО ВИДООБРАЗОВАНИЯ МИКРОБА
ЧУМЫ YERSINIA PESTIS: ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ Сунцов Виктор Васильевич Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, г. Москва, Россия,
vvsuntsov@rambler. ru
Специализация Y. pestis в Центральной Азии была «Дарвиновской» и происходила одновременно в трех географических популяциях Marmota sibirica: M. sibirica (2.ANT3), M. sibirica caliginosus (3.ANT2) и M. sibirica ssp. (4.ANT1). Экологические данные и некоторые выводы молекулярной генетики указывают на параллелизм в характеристике чумного микроба и отсутствие консолидированных филогенетических ветвей 0.ANT, 0.PE и 2.MED.
Ключевые слова: Yersinia pestis, Marmota sibirica, географические популяции, территориальная экспансия, филогенез, геноварианты.
CENTRAL ASIA AS A CENTER FOR POLYTOPIC SPECIATION OF THE MICROBE
PLASMA YERSINIA PESTIS: ECOLOGICAL AND MOLECULAR GENETIC ASPECTS Viktor V. Suntsov
Institute of Ecology and Evolution A.N. Severtsov RAS, Moscow, Russia,
Speciation of Y. pestis in Central Asia was "Darwinian" and occurred contemporaneously in three geographical populations of the Mongolian Marmot (Marmota sibirica): M. sibirica sibirica (2.ANT3), M. sibirica caliginosus (3.ANT2) and M. sibirica ssp. (4.ANT1). Ecological data and some conclusions of molecular genetic indicate parallelism in speciation of the plague microbe and the absence of consolidated phylogenetic branches 0.ANT, 0.PE and 2.MED.
Keywords: Yersinia pestis, Marmota sibirica, geographic populations, territorial expansion, phylogenesis, genovariants.
Штаммы возбудителя чумы - микроба Yersinia pestis - по биохимическим показателям дифференцируют на биологические варианты (биовары): древний - antique (генетический эквивалент обозначают аббревиатурой ANT), средневековый - mediaevalis (MED) и восточный - orientalis (ORI), по-левковые - pestoides (PE) и промежуточный - intermedium (IN) [1,2]. Древний биовар свойствен очагам чумы с основными хозяевами - сурками, поэтому исходными носителями чумы в природе многие исследователи считают сурков [3]. Современные молекулярно-генетические (МГ) технологии при изучении микроба чумы и полногеномное секвенирование штаммов возбудителя из многих очагов на различных континентах позволили создать детальную схему глобальной филогении чумного патогена [1,2]. В МГ-подходе филогенетическое древо представлено ветвями 0, 1, 2, 3 и 4. Корневая ветвь 0.ANT разделяется на ветви первого порядка 0.PE, 1.ANT, 2.ANT, 3.ANT и 4.ANT. От ветви 1.ANT позднее отделились ветви 1.IN и 1.ORI, а от ветви 2.ANT - ветвь 2.MED. От корня 0.ANT раздельно отделились объединенные в кластер Pestoides базальные ветви 0.PE1-0.PE10. Полагают, что эти ветви появились значительно раньше, чем 1.ANT, 2.ANT, 3.ANT, 4.ANT, 2.MED, 1.IN и 1.ORI [4]. В целом, предложенная в форме дихотомического МГ-древа внутривидовая структура Y. pestis выглядит вполне логичной [1].
Однако имеется альтернативный взгляд на форму филогенетического древа Y. pestis, предполагающий наличие параллелизмов во внутривидовой эволюции этого микроба. Так, Zhou et al. [4] полагают, что исходный возбудитель чумы, возникший на степных пространствах от Средней Азии до Дальнего Востока, распространялся к югу естественным путем двумя самостоятельными маршрутами. Первый - из Средней Азии на Алтай и далее через Тянь-Шань на Тибетское нагорье, откуда уже в постантичное время в юго-восточном Китае перешел в популяции синантропных крыс, с которыми освоил Африканский континент, Новый Свет и многие крупные океанические острова. Второй - из южной Сибири на Хэнтэй, в Маньчжурию и далее до Лессового плато в бассейне реки Хуанхэ. Генетические варианты микроба чумы на маршрутах экспансии, как полагают авторы, автономно формировались гостальной средой, т.е. популяциями сурков, сусликов, песчанок, полевок и пищух, ставших основными хозяевами микроба в конкретных очагах. Li et al. [5] по данным МГ-анализа полагают,
что геноварианты 2.MED1 и 2.MED3 сформировались из биовара antique на выше названных маршрутах экспансии раздельно: 2.MED1 - на среднеазиатском маршруте в популяциях большой песчанки (Rhombomys opimus) в Джунгарии, а 2.MED3 - на южносибирском маршруте в популяциях даурского суслика (Spermophilus dauricus) в северо-восточном Китае. В отношении геновариантов 0.PE эти авторы высказывают предположение о наибольшей древности именно «полевковых» внутривидовых форм Y. pestis и их былом широком распространении от Кавказа на западе до Хэнтэя и Тибета на востоке. Последующая инсуляризация единого «полевкового» очага привела к появлению многих локальных «полевковых» очагов, из которых возникли очаги с основным подвидом возбудителя Y. pes-tis pestis. Полагают, что одна из полевковых форм стала предковой для основного подвида Y. pestis pestis [5].
Упомянутые МГ филогенетические построения не соответствуют филогении Y. pestis, построенной на основе экологического подхода [6]. Согласно «экологической» филогении геноварианты формировались условиями гостальной среды в процессе экспансии чумного микроба из района видообразования, т.е. по мере перехода из трех географических популяций монгольского сурка-тарбагана в симпатрические популяции других норовых грызунов и пищух.
Политопное видообразование Y. pestis. Ареал сурка-тарбагана составляют три географических популяции (рис. 1). Подвид M. sibirica sibirica занимает восточную часть ареала: Хэнтэй, Забайкалье, Маньчжурию. M. sibirica caliginosus обитает в центральных районах Монголии, с большой численностью заселяет Хангай. На западе Монголии и в Тыве на Хар-Хира-Монгун-Тайгинском горном узле предполагается наличие третьего, пока не описанного подвида M. sibirica ssp. В каждой из этих трех географических популяций имеются мегаочаги чумы, в которых представлен один доминирующий геновариант микроба, соответственно, 2. ANT3, 3.ANT2 и 4.ANT1 [2]. Особенности микроба чумы в мегаочагах объясняются особенностями среды его обитания, в том числе уникальным соотношением основных и второстепенных грызунов-носителей [4]. Носители и переносчики в различных очагах имеют несколько различающиеся физиологические свойства и различную популяцион-ную динамику.
Рис. 1. Направления экспансии Yersinia pestis (показаны стрелками) из трех географических популяций монгольского сурка (Marmota sibirica). Геноварианты Y. pestis в географических популяциях сурка-тарбагана: 2.ANT3 - Хэнтэйской, 3.ANT2 - Хангайской, 4.ANT1 - Хархира-Монгунтайгинской. Производные геноварианты: 0.PE4m, 0.PE5u и 0.PE4a - эквиваленты биовара Pestoides, 2.MED3 и 2.MED1 - эквиваленты биовара mediaevalis. Точечные линии - границы ареалов: 1-алтайского сурка (M. baibacina), 2 - большой песчанки (Rhombomys opimus), 3 - монгольской пищухи (Ochotona pallasi pricei), 4 - монгольской песчанки (Meriones unguiculatus), 5 - полевки Брандта (Lasiopodomys brandti), 6 - даурского суслика (Spermophilus dauricus). Названия геновариантов приведены по:[3].
Микроб чумы - эволюционно молодой вид, время его образования оценивают не ранее 30 тыс. лет назад, когда центрально-азиатские биогеоценозы имели уже (почти) современный облик. Индуктором видообразования стала факультативная гематофагия личинок сурочьей блохи Oropsylla silan-tiewi [6]. Личиночный паразитизм, вызванный обширным максимальным сартанским похолоданием 22-15 тыс. лет назад и глубоким промерзанием грунта в Сибири и Центральной Азии, а с ним условия для видообразования микроба чумы, появились в разных географических популяциях монгольского сурка, надо полагать, синхронно. В таком случае вид Y. pestis мог образоваться политопически и синхронно в трех различных популяциях Y. pseudotuberculosis O:1b, ассоциированных с географическими популяциями сурка-тарбагана. То есть три популяции псевдотуберкулезного микроба, ассо-
циированные с географическими популяциями монгольского сурка, дали жизнь трем популяциям чумного микроба с геновариантами 2.ANT3, 3.ANT2 и 4.ANT1.
Три направления экспансии Y. pestis из географических популяций монгольского сурка. В
связи с различной структурой биогеоценозов в обширном ареале монгольского сурка-тарбагана, распространение возбудителя чумы из разных его географических популяций имело свои особенности.
В восточной части ареала - на Хэнтэе, в Маньчжурии и Внутренней Монголии - популяции сурка-тарбагана размещены симпатрично с популяциями трех фоновых норных грызунов, ставших основными носителями чумы в самостоятельных очагах: даурского суслика (Spermophilus dauricus, геновариант 2.ANT3), монгольской песчанки (Meriones unguiculatus, геновариант 2.MED3) и полевки Брандта (Lasiopodomys brandti, 0.PE4m). Поэтому, надо полагать, что геновариант 2.ANT3 при распространении из Хэнтэйской популяции сурка-тарбагана в популяции даурского суслика сохранил свои свойства в неизменном виде, при внедрении в популяции монгольской песчанки преобразовался в геновариант 2.MED3, а при внедрении в популяции полевки Брандта - в геновариант 0.PE4m.
В центральной части ареала на Хангае популяции сурка-тарбагана расположены симпатрично с популяциями восточной части ареала монгольской пищухи (Ochotona pallasi). При внедрении возбудителя 3.ANT2 геноварианта в популяции монгольской пищухи образовался «пищучий» природный очаг с возбудителем, которому присвоен ранг подвида ulegeica (геновариант 0.PE5) [2].
В западной части ареала сурка-тарбагана на Хархира-Монгунтайгинском горном поднятии его популяции находятся в состоянии симпатрии с популяциями длиннохвостого суслика (S. undulatus) и соседствуют с алтайским сурком (M. baibacina) и монгольской пищухой. Переход возбудителя от монгольского сурка в популяции длиннохвостого суслика и алтайского сурка не привел к изменению геноварианта возбудителя, в популяциях монгольского и алтайского сурков и длиннохвостого суслика в западной Монголии, в Тыве и Горном Алтае доминирует геновариант 4.ANT1. При дальнейшей экспансии на Алтай и Тянь-Шань этот геновариант в горно-алтайских популяциях монгольской пищухи преобразовался в «пищучий» подвид altaica (геновариант 0.PE4a), а в джунгарских популяциях большой песчанки (Rhombomys opimus) - в средневековый биовариант (геновариант 2.MED1), возможно, опосредованно через 0.ANT1.
В связи с освоением возбудителем чумы обширной географической популяции монгольской пищухи (подвид Ochotona pallasi pricei) из разных географических популяций сурка-тарбагана - Хан-гайской и Хархира-Монгунтайгинской - в восточной и западной частях этой географической популяции монгольской пищухи возникли очаги с разными подвидами (ulegeica и altaica) и разными гено-вариантами (0.PE5u и 0.PE4a) возбудителя. Между восточной и западной частями географической популяции монгольской пищухи отсутствует значимый экологический барьер. Это создало условия для совместного существования названных подвидов (геновариантов) чумного микроба в контактной зоне.
В Джунгарском очаге чумы в популяциях большой песчанки доминирует геновариант возбудителя 2.MED1. Этот геновариант возник по мере экспансии возбудителя из популяций монгольского сурка-тарбагана в направлении Алтая и Тянь-Шаня и через Джунгарские ворота распространился в популяциях большой песчанки на обширных территориях Средней Азии, Казахстана и Иранского нагорья [1, 5]. Логично полагать, что из этого геноварианта возник более молодой геновариант 2.MED0, циркулирующий в популяциях горного суслика (S. musicus) на Кавказе.
Существуют ли филогенетические линии 0.ANT, 0.PE и 2.MED? В МГ-филогениях Y. pestis за исходную принимают ветвь 0.ANT, от которой по принципу дихотомии отделились другие ветви биоваров ANT, IN, PE, MED и ORI. Этот геновариант циркулирует в популяциях алтайского сурка в очагах Тянь-Шаня (очаги в Кыргызстане и пограничном с ним Китае), поэтому алтайского сурка рассматривают как наиболее вероятного исходного хозяина чумного микроба [1,2]. Здесь следует заметить, что тщательных всесторонних исследований возбудителей псевдотуберкулеза и чумы из сурочьих «тарбаганьих» очагов с геновариантами 2.ANT3, 3.ANT2 и 4.ANT1 в Монголии пока не проведено, в то время как именно эти очаги по экологической логике являются исходными. Филогенетическая линия 0.ANT, скорее всего, является лишь производной от геноварианта 4.ANT1 (или, возможно, 3.ANT2).
Возникновение трех геновариантов 0.PE4m, 0.PE5u и 0.PE4a в популяциях полевки Брандта и монгольской пищухи на маршрутах экспансии чумного микроба из трех географических популяций монгольского сурка не оставляет сомнения в отсутствии единой филогенетической ветви 0.PE. Все полевковые и пищуховые подвиды (и геноварианты) чумного микроба сформировались автономно по мере территориальной экспансии микроба чумы из популяций монгольского сурка. То же самое относится к средневековым геновариантам 2.MED1 и 2.MED3, которые сформировались на не совме-
щающихся маршрутах экспансии чумного микроба из Хэнтэйской и Хархира-Монгутнайгинской географических популяций монгольского сурка.
Таким образом, при распространении из мест видообразования, т.е. из трех географических популяций монгольского сурка-тарбагана, микроб чумы последовательно попадал в популяции других норовых животных: сусликов, песчанок, полевок, пищух, имеющих иные популяционные и физиологические параметры. Новая среда обитания определяла свойства чумного микроба. В постепенно осваиваемых популяциях сурков, сусликов и песчанок микроб приобретал высокую вирулентность по отношению к лабораторным животным и человеку, а в популяциях полевок и пищух - штаммы становились к ним менее вирулентными. В конце концов, как параллельно, так и последовательно возникли дискретные очаги чумы с геновариантами, имеющими генетические метки каждого очага или даже отдельных участков одного очага. Поэтому деление возбудителя на главный (main) высоковирулентный и неглавные (non-main) маловирулентные подвиды полезно для целей классификации, но не отражает реальный филогенетический процесс. Стартовую филогению Y. pestis на основе описанных геновариантов и с учетом экологических обстоятельств внутривидовой эволюции можно представить в следующем виде (рис. 2).
Рис. 2. Видообразование и стартовый этап внутривидовой дивергенции микроба Yersinia pestis в Центральной Азии.
Хотя филогенетические деревья при МГ и экологическом подходах в большой мере различаются, оба подхода преследуют одну цель - выяснение филогении Y. pestis. Поэтому должно существовать консенсусное решение этого вопроса. Более богатое биологическое содержание экологического подхода и его наглядность позволяют принять экологический сценарий как нуль-гипотезу для будущего эколого-молекулярно-генетического синтеза в проблеме происхождения и эволюции возбудителя чумы.
Библиографический список
1. Cui Y., Yu C., Yan Y., et al. Historical variations in mutation rate in an epidemic pathogen, Yersinia pestis // PNAS. -2013; - V. 110 (2). - P. 577-582.
2. Kutyrev V.V Kutyrev V.V., Eroshenko G.A., et al. Phylogeny and Classification of Yersinia pestis Through the Lens of Strains from the Plague Foci of Commonwealth of Independent States // Front. Microbiol. - 2018; - V. 9 (1106). - P. 1-11.
3. Сунцов В.В.. Монгольский сурок-тарбаган (Marmota sibirica) как исходный хозяин микроба чумы Yersinia pestis // Байкал. зоол. журн. - 2017. - № 2 (21). - С. 129-137.
4. Zhou, D., Han, Y., Song, Y., et al. DNA Microarray Analysis of Genome Dynamics in Yersinia pestis: Insig- hts into Bacterial Genome Microevolution and Niche Adaptation // J. Bacteriol. - 2004. - V. 186 (15). - P. 5138-5146.
5. Li U., Cui Y., Hauck Y., et al. Genotyping and Phylogenetic Analysis of Yersinia pestis by MLVA: Insights into the Worldwide Expansion of Central Asia Plague Foci // PLoS ONE. - 2009. - V. 4(6). e6000.
6. Сунцов В.В., Сунцова Н.И. Чума. Происхождение и эволюция эпизоотической системы (экологические, географические и социальные аспекты). - М.: КМК, - 2006. - 247 с.
Bibliograflcheskij spisok
1. Cui Y., Yu C., Yan Y., et al. Historical variations in mutation rate in an epidemic pathogen, Yersinia pestis // PNAS. -2013; - V. 110 (2). - P. 577-582.
2. Kutyrev V.V Kutyrev V.V., Eroshenko G.A., et al. Phylogeny and Classification of Yersinia pestis Through the Lens of Strains from the Plague Foci of Commonwealth of Independent States // Front. Microbiol. - 2018; - V. 9 (1106). - P. 1-11.
3. Suntsov V.V. Mongol'skii surok-tarbagan (Marmota sibirica) kak ishodnii hozain mikroba chumi Yersinia pestis // Baikalskii zoologicheskii zhurnal. - 2017. - № 2 (21). - S. 129-137.
4. Zhou, D., Han, Y., Song, Y., et al. DNA Microarray Analysis of Genome Dynamics in Yersinia pestis: Insig- hts into Bacterial Genome Microevolution and Niche Adaptation // J. Bacteriol. - 2004. - V. 186 (15). - P. 5138-5146.
5. Li U., Cui Y., Hauck Y.,et al. Genotyping and Phylogenetic Analysis of Yersinia pestis by MLVA: Insights into the Worldwide Expansion of Central Asia Plague Foci // PLoS ONE. - 2009. - V. 4(6). e6000.
6. Suntsov V.V., Suntsova N.I. Chuma. Proishozhdenie i evolutsija epizooticheskoi sistemi (ekologicheskije, geograficheskije i social'nije aspekti). - М.: КМК, - 2006. - 247 с.
