Forschende entdecken Pesterreger in 4.000 Jahre altem Schafszahn

Auf den Punkt gebracht

• Vieh spielte eine Rolle bei der Ausbreitung der Pest: Der Pesterreger Yersinia pestis wurde in 4.000 Jahre alten Überresten eines Schafs nachgewiesen. Das deutet darauf hin, dass der Viehbestand eine Rolle bei der Ausbreitung einer frühen Form der Pest spielte, die während der späten Jungsteinzeit und der Bronzezeit in ganz Eurasien verbreitet war.
• Übertragung aus unbekanntem Reservoir: Genetische Analysen zeigen, dass Menschen und Schafe mit nahezu identischen Peststämmen infiziert waren. Die Krankheit wurde durch eine Übertragung aus einem unbekannten Wildtierreservoir übertragen. Schafe, die auf großen Weiden grasten, erhöhten wahrscheinlich die Exposition des Menschen gegenüber dem Erreger.
• Besondere Entwicklung der Pest: Dieser Peststamm, der sowohl bei Schafen als auch bei Menschen gefunden wurde, verfügte nicht über die für die Übertragung durch Flöhe erforderlichen genetischen Mechanismen. Er zeigte unter starkem evolutionärem Druck parallele genetische Veränderungen, was auf eine andere Krankheitsdynamik im Vergleich zu späteren historischen Pestausbrüchen hindeutet.
• Historischer Kontext: Die Zunahme der Viehzucht während der Bronzezeit könnte zu einem intensiveren Kontakt zwischen Menschen, Tieren und wilden Reservoirs der Pest geführt haben. Dies unterstreicht die Bedeutung der Domestizierung und Haltung von Tieren für das Auftreten und die Ausbreitung zoonotischer Krankheiten.

Vor etwa 5000 Jahren breitete sich eine mysteriöse Form der Pest in Eurasien aus, 2.000 Jahre später verschwand sie wieder. Der Erreger hinter dieser Epidemie ist nur durch DNA-Spuren bekannt, sein Ursprung und seine Übertragungswege geben Forschenden Rätsel auf. Ein Team von Wissenschaftlern hat den Pesterreger jetzt erstmals auch in einem Tier nachgewiesen: einem domestizierten Schaf, das vor 4.000 Jahren in der westeurasischen Steppe gelebt hat und dessen Überreste bei Ausgrabungen gefunden wurden. Hinweise zeigen, dass Pestinfektionen bei Menschen und Schafen auf die Ausbreitung aus einem noch unbekannten wilden Reservoir zurückzuführen sind und dass die weit verbreitete Schafhaltung während der Bronzezeit die Steppenhirtengemeinschaften in engeren Kontakt mit diesem Reservoir brachte. Diese Studie zeigt den Zusammenhang zwischen domestizierten Tieren und der Ausbreitung eines der berüchtigtsten Bakterien der Welt und liefert Erkenntnisse darüber, wie der Erreger jahrtausendelang Menschen über Tausende von Kilometern hinweg so erfolgreich infizieren konnte.

Zoonotischer Ursprung prähistorischer Pestinfektionen

Die meisten heute bekannten menschlichen Krankheitserreger sind zoonotischen Ursprungs, das heißt sie wurden von Tieren auf den Menschen übertragen – ein Prozess, der als Spillover bezeichnet wird. Immer mehr Hinweise deuten darauf hin, dass viele dieser Infektionskrankheiten in den letzten 10.000 Jahren entstanden sind, zeitgleich mit der Domestizierung von Nutz- und Haustieren. Forschende gehen daher davon aus, dass unsere immer engeren Beziehungen zu diesen Tieren die Ursache für diese Krankheiten beim Menschen sind. Die Untersuchung von Krankheitserregern aus prähistorischen Tierüberresten bietet eine einzigartige Gelegenheit, die Entstehung von Infektionskrankheiten beim Menschen zu erforschen. Diese Ressource wurde bislang jedoch wenig genutzt.

Die Pest gehört zu den tödlichsten bekannten Zoonosen. Sie wird durch Flöhe, die auf Ratten leben, übertragen und hat im Laufe der Geschichte Millionen von Menschen getötet – vor allem während der großen Pestepidemie im 14. Jahrhundert, bei der mehr als ein Drittel der Bevölkerung Europas ums Leben kam. Vor den großen historischen Pandemien kursierte jedoch bereits vor etwa 5.000 Jahren eine genetisch unterschiedliche, prähistorische Form des Pesterregers Y. pestis in ganz Eurasien. Diese heute als „Late Neolithic Bronze Age“ (LNBA) bezeichnete Y. pestis-Linie infizierte fast 3.000 Jahre lang die menschliche Bevölkerung, bevor sie vermutlich ausstarb. Überraschenderweise fehlt der LNBA-Linie die genetische Voraussetzung für die Übertragung durch Flöhe, die sowohl historische als auch moderne Peststämme nutzen. Andere Tiere müssen also an ihrer Verbreitung beteiligt gewesen sein – aber welche? „Ein erster Schritt zum Verständnis der Ausbreitung und Entwicklung einer Krankheit besteht darin, herauszufinden, wo sie überall vorkommt, aber mithilfe von prähistorischer DNA wurde das noch nicht häufig gemacht“, sagt der Hauptautor der Studie, Ian Light-Maka, der am Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie zu dem Thema seine Doktorarbeit schreibt. „Wir haben über 200 Pest-Genome von prähistorischen Menschen, aber Menschen sind keine natürlichen Wirte der Pest.“

Schafüberreste aus Arkaim enthüllen das erste prähistorische Y. pestis-Genom bei Nutztieren

Um zu verstehen, wie sich der Erreger über Jahrtausende in Eurasien halten und verbreiten konnte, untersuchte ein internationales Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Infektionsbiologie, der Harvard University, der University of Arkansas, dem Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie und der Seoul National University die Knochen und Zähne von Nutztieren aus der Bronzezeit an der Hirtenstätte Arkaim (Russland), einer eurasischen Steppenstätte der Sintashta-Petrovka-Kultur, die für ihre Innovationen in der Rinder-, Schaf- und Pferdezucht bekannt ist. Dabei entdeckten sie die 4.000 Jahre alten Überreste eines Schafes, das mit derselben LNBA-Linie des Pesterregers infiziert war, die zu dieser Zeit auch Menschen infizierte.

„Arkaim war Teil des Sintashta-Kulturkomplexes und bot uns einen hervorragenden Ort, um nach Hinweisen auf die Pest zu suchen: Es handelt sich um frühe Hirtengesellschaften ohne Getreidelager, die Ratten und deren Flöhe angezogen hätten – und zuvor wurden bereits Sintashta-Individuen mit Pestinfektionen gefunden. Daher haben wir uns gefragt, ob ihr Vieh das fehlende Bindeglied sein könnte?“, sagt Taylor Hermes, Assistenzprofessor für Anthropologie an der University of Arkansas und Mitautor der Studie.

Schafe stellten in Viehhaltergesellschaften ein erhöhtes Risiko für eine Infektion mit Y. pestis dar

Ein Vergleich des alten Y. pestis-Genoms aus Schafen mit anderen alten und modernen Genomen ergab, dass es eine sehr große Übereinstimmung mit dem Genom eines Erregers aufwies, der etwa zur gleichen Zeit einen Menschen an einem nahe gelegenen Ort infiziert hatte. „Wenn wir nicht gewusst hätten, dass das Genom aus einem Schaf stammte, hätten wir angenommen, dass es sich um eine weitere Infektion beim Menschen handelt – die Genome sind fast nicht zu unterscheiden“, sagt Christina Warinner, Landon T. Clay Professorin für Wissenschaftliche Archäologie an der Harvard University und Gruppenleiterin am Max-Planck-Institut für evolutionäre Antrophologie. Dies zeigt, dass sowohl Menschen als auch ihre Nutztiere mit derselben Population von Y. pestis infiziert waren. Aber wer hat wen infiziert? Archäologische und vergleichende Ansätze könnten einige Antworten liefern. Aus Teilen der Welt, in denen Y. pestis noch endemisch ist, ist bekannt, dass Schafe sich durch direkten Kontakt mit Kadavern infizierter Tiere wie Nagetieren, den natürlichen Reservoiren des Erregers, infizieren können. Wenn Schafe nicht ordnungsgemäß geschlachtet oder zubereitet werden kann dies zu lokalen Pestausbrüchen bei Menschen führen. Ein solches Szenario könnte auch die Ausbreitung der LNBA-Pest in der Urgeschichte erklärt haben und die Verbindung zwischen Infektionen bei Menschen und Schafen erklären. „Die Sintashta-Petrovka-Kultur ist bekannt für ihre extensive Viehzucht auf weiten Weiden, die durch damals innovative Pferdezuchttechniken unterstützt wurde. Dies bot ihren Nutztieren zahlreiche Gelegenheiten, mit Wildtieren in Kontakt zu kommen, die mit Y. pestis infiziert waren“, sagt Christina Warinner. „Von da an war es nur noch ein kleiner Schritt zum Menschen.“

Anzeichen für natürliche Selektion deuten darauf hin, dass das prähistorische Reservoir von Y. pestis unbekannt bleibt

Die Analyse des neuen Y. pestis-Genoms von Schafen zusammen mit den von Menschen verfügbaren Genomen ermöglichte eine bessere Rekonstruktion der Evolutionsdynamik dieser alten, vermutlich ausgestorbenen Pestlinie. Im Gegensatz zu den heute bekannten Y. pestis-Linien, die geografisch variabel und unterschiedlich sind, war die alte LNBA-Linie über ihr fast 6.000 Kilometer großes Verbreitungsgebiet hinweg zu jeder Zeit sehr ähnlich. Unterschiede im Lebenszyklus und möglicherweise in der natürlichen Selektion könnten eine Rolle gespielt haben, da bei vielen bekannten Krankheitserregern, wie dem Coronavirus SARS-CoV-2, neue Varianten entstehen, die sich verbreiten können, wenn Infektion und Übertragung verbessert sind. Anstatt solche Varianten zu finden, stellte die Studie jedoch unerwartet das Gegenteil fest: Die alte Linie entwickelte sich unter starken Einschränkungen. Bemerkenswert ist, dass eine Untergruppe von Genen wiederholt und unabhängig voneinander mutierte, aber diese parallelen Veränderungen nur bei Infektionen auftraten, die keine direkten Nachkommen haben, möglicherweise eine Art genetischer Fußabdruck vergangener Übertragungen.

„Wir können zeigen, dass sich die alte Linie unter erhöhtem Druck entwickelt hat, was im Gegensatz zu der heute noch vorkommenden Y. pestis steht. Darüber hinaus handelt es sich bei den Infektionen bei Schafen und Menschen wahrscheinlich um isolierte Ausbreitungen aus einem unbekannten Reservoir, das weiterhin unentdeckt ist. Die Suche nach diesem Reservoir ist der nächste Schritt“, sagt Felix M. Key, leitender Autor und Leiter der Forschungsgruppe Evolutionäre Pathogenomik am Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie. Trotz dieser neuen Erkenntnisse bleiben wichtige Fragen offen, beispielsweise wie sich der Erreger in kurzer Zeit so weit verbreiten konnte. Es ist unwahrscheinlich, dass Schafe und Menschen die Hauptüberträger der Krankheit waren, da fast identische LNBA-Y. pestis-Genome aus derselben Zeit Tausende von Kilometern voneinander entfernt entdeckt wurden – zu weit, als dass kranke Menschen oder Landtiere diese Strecke hätten zurücklegen können. Glücklicherweise steht die Suche nach Krankheitserregern in alten Tierresten noch am Anfang. Archäologische Ausgrabungen können Zehntausende von Tierknochen zutage fördern, und die Ergebnisse früherer Ausgrabungen warten in Archiven auf ihre weitere Untersuchung. „Ich denke, dass das Interesse an der Analyse dieser Sammlungen immer größer werden wird – sie liefern uns Erkenntnisse, die keine menschliche Probe liefern kann,“ so Key.

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