由細菌感染引起的結核病 (Tuberculosis, TB) 曾在十八世紀席捲歐洲，造成當時極高的死亡率。至今，結核病仍是世界衛生組織 (WHO) 關注的全球疾病問題之一。 但是對於結核病在高度盛行時期與現今傳染模式及感染菌種的比較，一直還沒有清楚的研究，此外，對於產生結核病的結核分枝桿菌 (M. tuberculosis) 的來源與時間追朔也一直備受爭議。
這篇研究以十八世紀在匈牙利利默里克教堂 (Dominican church) 的地下土窖中發現的木乃伊樣本為對象，使用了總體基因體學 (Metagenomics) 的方法，定序並分析受感染的木乃伊體內結核菌的 DNA。總體基因體學近期快速發展，是研究來自環境中樣本的遺傳物質的學門。與傳統的微生物學技術不同的是，傳統微生物定序需要經過培養，在過程中會損失大部分的微生物多樣性，且僅放大部分基因序列；而總體基因體學則會將基因片段切碎或放大，直接對環境中的樣本進行全基因組的定序。也因為總體基因體學的發展，讓作者們在此篇研究中得以從 DNA 序列的角度，進一步分析過去結核病患者體內受結核菌感染的情況。
在實驗中，作者將十八世紀木乃伊的 DNA 拿去定序並進行序列比對 (alignment) ，以結核分枝桿菌的 H37Rv 菌株為參考基因，找出受結核菌感染的木乃伊 DNA 中與該段基因相似的序列。在這些基因組中，找到 14 組十八世紀結核桿菌的基因序列，其中四組為比對出較多數量的基因組。在這 14 組基因組中，都可以在 pks15/1 基因上找到 7 個核甘酸的缺失 (deletion) ，也藉由此特性，他們鑑定出這 14 組基因序列屬於結核桿菌的第四個系群 (M. tuberculosis Lineage 4)，也就是歐美系群。接著藉由分析單核甘酸突變 (single-nucleotide variants; SNVs)，作者為這 14 組從前存在的結核桿菌建構了演化樹分析彼此間的親緣關係，他們發現這 14 組基因序列分屬於 12 種不同的菌株，這也說明結核病在十八世紀的匈牙利大爆發並非由單一種結核桿菌菌株造成，至少有 12 種結核桿菌可能對當時結核病的高盛行率有所影響。
在結核病感染模式的部分，藉由基因序列分析，作者他們發現十八世紀結核病大量盛行時期，可以發現患者體內大部分都有混合感染 (mixed infection) 的現象。雖然比較現今結核病患者體內大部分只會找到一種結核桿菌，但隨著世界上許多地區結核病的死灰復燃，像是匈牙利等歐洲當時曾經大量盛行的核心，仍有混合感染的現象，這說明了人類與這個古老感染病源得鬥爭還遠遠沒有結束。另外，關於現代主要單一結核桿菌系感染的假設，Johannes Krause 團隊提出一個解釋論點，他們分析了在祕魯 1000 年以前的結核桿菌樣本，發現過去美洲大陸人類感染的結核桿菌系遠早於歐洲新大陸移民時期，並同時在海獅身上找到同源的菌系。推論該結核菌的感染可能透過海洋哺乳類攜帶非洲宿主的感染轉移，到了南美沿岸發生了人畜共患轉移所導致。這樣的感染模式並不同於歐洲當時的混合感染。
這篇研究發現十八世紀結核病高度盛行時期，造成結核病的菌種為結核桿菌的第四個系群，另外結核病的爆發的高峰並非由單一菌種造成，當時的患者大部分體內都有混合感染的情形。這篇研究說明總體基因體學技術已可對過去及現今的疾病感染進行分析，相信不久後，總體基因體學的定序技術或許也能被廣泛應用於診斷感染疾病，甚至告知當前和未來潛在的傳染病，做最有效的評估和控制。
圖說：來自十八世紀的 M. tuberculosis 基因體 圖片來源：http://goo.gl/7Rd8Dv
參考資料：
- Kay, G. L., Sergeant, M. J., Zhou, Z., Chan, J. Z., Millard, A., Quick, J., … Pallen, M. J. (2015). Eighteenth-century genomes show that mixed infections were common at time of peak tuberculosis in Europe. Nature Communications, 6(1). doi:10.1038/ncomms7717
- Chan, J. Z., Sergeant, M. J., Lee, O. Y., Minnikin, D. E., Besra, G. S., Pap, I., … Pallen, M. J. (2013). Metagenomic Analysis of Tuberculosis in a Mummy. New England Journal of Medicine, 369(3), 289-290. doi:10.1056/nejmc1302295
- Bos, K. I., Harkins, K. M., Herbig, A., Coscolla, M., Weber, N., Comas, I., … Krause, J. (2014). Pre-Columbian mycobacterial genomes reveal seals as a source of New World human tuberculosis. Nature, 514(7523), 494-497. doi:10.1038/nature13591
撰文 | 吳季芸
修訂 | 熊浩安
