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Genom des mittelalterlichen Lepraerregers entschlüsselt

13.06.2013

Einem internationalen Wissenschaftlerteam ist es gelungen, ein Dutzend mittelalterliche und moderne Genome des Lepra verursachenden Bakteriums Mycobacterium leprae aus Skeletten und Biopsien zu rekonstruieren.

Unter der Leitung von Professor Johannes Krause von der Universität Tübingen und Professor Stewart Cole von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) erstellte die Forschungsgruppe erstmals ein Genom aus archäologischen Funden, ohne auf eine Referenzsequenz zurückzugreifen. Zum Team, dessen Ergebnisse diese Woche im Magazin Science veröffentlicht werden, gehören auch Professorin Almut Nebel und Dr. Ben Krause-Kyora vom Institut für Klinische Molekularbiologie der Universität Kiel.

Lepra, eine verheerende ansteckende, chronische Krankheit, war bis ins späte Mittelalter in Europa weit verbreitet. Die Erkrankten wurden in eigens errichteten Leprakolonien isoliert. Heute ist die Krankheit weltweit in 91 Ländern zu finden, mit mehr als 200.000 neuen Infektionen jährlich. Um die Geschichte der Krankheit zurückzuverfolgen, haben die Wissenschaftler die kompletten Genome von M. leprae aus fünf mittelalterlichen Skeletten aus Dänemark, Schweden und Großbritannien rekonstruiert, welche die für Lepra charakteristischen Knochenveränderungen aufwiesen. Zusätzlich wurde die M. leprae Erbsubstanz aus sieben Biopsie-Proben heutiger Patienten entschlüsselt.

Die Forscher verglichen die mittelalterlichen M. leprae Genome aus Europa mit denen der sieben Biopsien und vier weiterer moderner Bakterienstämme. Sie stellten fest, dass alle M. leprae Stämme einen gemeinsamen Vorfahren haben, der vor weniger als 4000 Jahren existierte. Dieses Ergebnis wird unterstützt durch den frühesten archäologischen Beleg für die Krankheit in Indien. Die genomweiten Vergleiche deuten auf eine außergewöhnlich geringe Veränderung der Erbsubstanz der Bakterien innerhalb der letzten 1000 Jahre hin, die höchst wahrscheinlich keine Auswirkungen auf die Virulenz der Erreger hatte. Dieser Befund legt nahe, dass  das Ende der Lepra-Epidemie im Mittelalter durch andere Faktoren wie beispielsweise verbesserte soziale Verhältnisse beeinflusst worden ist. Das Wissenschaftlerteam konnte zudem zeigen, dass eine M. leprae Form, die im Mittelalter in Europa vorkam, aktuell im mittleren Osten beobachtet wird. Ein anderer mittelalterlicher Stamm aus Europa weist frappierende Ähnlichkeiten auf zu Bakterien, die heute in Gürteltieren und Lepra-Patienten in Nordamerika vorkommen, was auf einen europäischen Ursprung der Erkrankung in Amerika deutet.

Überraschenderweise war in den untersuchten Skeletten eine viel größere Menge Erreger-DNA vorhanden, als normalerweise in heutigen Patienten zu finden ist. Die Autoren führen dieses Phänomen darauf zurück, dass sich bakterielle DNA wahrscheinlich auf Grund der extrem dicken Zellwand des Lepra-Bakteriums nur sehr langsam zersetzt und sich so in den Skeletten über die Jahre anreichert. „Das eröffnet die Möglichkeit, dass bestimmte Formen bakterieller DNA  über das maximale Alter für Säugetier-DNA hinaus erhalten bleibt, das rund eine Million Jahre beträgt“, sagt Johannes Krause. „Damit sollte es möglich sein, die Krankheit bis in ihre prähistorischen Ursprünge zurückzuverfolgen.“

„Vor allem in einem Skelett aus Dänemark war die DNA des Krankheitserregers außergewöhnlich gut erhalten, obwohl die Erkrankung bei der etwa 25 Jahre alten Frau gar nicht so stark ausgeprägt war“, sagt Almut Nebel.  Diese DNA-Probe ermöglichte es zum ersten Mal,  ein Genom eines historischen Krankheitserregers von Grund auf neu, ohne Vergleich mit einer Referenzsequenz zusammenzusetzen. „Wir haben den Kontakt zu den dänischen Kollegen hergestellt, welche die für diese Studie wichtigen Skelette zur Verfügung gestellt haben. Aus den Zähnen der Leprakranken haben wir die DNA gewonnen und diese einer ersten molekularen Eignungsprüfung unterzogen“, berichtet Ben Krause-Kyora. Außerdem wiederholten die Kieler  Untersuchungen der Tübinger Kollegen, um die außergewöhnlichen Ergebnisse unabhängig zu belegen. Das Kieler Forschungsprojekt wurde von der Graduiertenschule Human Development in Landscapes und dem Exzellenzcluster Entzündungsforschung unterstützt.


Originalpublikation:
The history of leprosy from genome-wide comparison of medieval and modern Mycobacterium leprae, Verena J. Schuenemann, Pushpendra Singh, Thomas A. Mendum, Ben Krause-Kyora, Günther Jäger, et al., Science

Schädel

Bildunterschrift: Schädel einer etwa 25-jährigen, an Lepra erkrankten Frau vom mittelalterlichen Friedhof St. Jørgensen aus Dänemark. Die aus ihrem Skelett gewonnene Erbsubstanz ermöglichte die Entschlüsselung des Genoms des Lepra-Erregers.
Foto: Ben Krause-Kyora, Copyright: CAU

Jesper Boldsen

Bildunterschrift: Professor Jesper Boldsen von der Universität Süddänemark (links) erläutert Professorin Almut Nebel und Dr. Ben Krause-Kyora von der Universität Kiel die Knochenveränderungen der an Lepra erkrankten Frau aus St. Jørgensen. 
Foto: Ben Krause-Kyora, Copyright: CAU

 

Kontakt in Kiel:
Professorin Almut Nebel
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut für Klinische Molekularbiologie
Telefon: +49 431/597-1373
E-Mail: a.nebel@mucosa.de

Kontakt in Tübingen:
Professor Johannes Krause
Universität Tübingen, Institut für Naturwissenschaftliche Archäologie
Telefon: +49 7071 29-74089
Johannes.krause[at]uni-tuebingen.de

Kontakt in Lausanne:
Professor Stewart Cole
Eidgenössische Technische Hochschule Lausanne (EPFL)
Telefon: +41 21 693 18 51
stewart.cole[at]epfl.ch

 

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