Genomic Insights into Pre- and Post-Contact Human Pathogens in the New World

Abstract

Ancient pathogen genomes recovered from archaeological human remains provide primary evidence for infectious diseases that circulated amongst human populations in the past, as well as valuable insights regarding past pathogen macroecology, host-adaptation, spread and emergence. In this dissertation, I leverage recent molecular and computational advances to detect and characterize the genomes of pathogenic bacteria that affected indigenous human populations in the New World pre- and post- 16th century European contact. In the first paper I investigate strain members of the Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC), the causative agent of tuberculosis, in geographically dispersed human populations from inland Colombia and coastal Peru. I reconstructed and analyzed three pre-contact MTBC genomes belonging to the sub-clade Mycobacterium pinnipedii, associated with infection in seals and sea lions today. M. pinnipedii strains are hypothesized to have spread to coastal Peruvians via seal-to-human transmission (Bos et al., 2014). However, this ecological model does not explain the spread of M. pinnipedii to inland Colombian human populations. Different ecological models accounting for its inland spread are discussed. The second paper presents Salmonella enterica ssp. enterica Paratyphi C, a cause of enteric fever, as a strong candidate pathogen for the post-contact 1545-1550 CE “cocoliztli” outbreak at Teposcolula-Yucundaa in Southern Mexico. The pathogenic agent of this outbreak is unknown from archaeological and ethnohistorical evidence. In this study I used a broad-scale computational screening approach, the MEGAN ALignment Tool (MALT), and was able to detect S. enterica DNA against a complex environmental DNA background in ten individuals buried in the epidemic cemetery. This was done without prior knowledge of the target organism, thus demonstrating the efficiency of such an approach in identifying ancient pathogens in archaeologically preserved tissues. Genome-wide analyses of the ten S. Paratyphi C genomes are presented. In a third paper I applied MALT to screen for ancient pathogen DNA in the remains of a sub-adult individual from a deviant burial, dated to the 16th or 17th century, in Moneen Cave, Ireland. Negative results are reported for the presence of ancient pathogen DNA. Instead this paper focuses on the reconstruction and analysis of this individual’s mitochondrial genome.

Genome von Pathogenen, die aus menschlichen Überresten archäologischer Kontexte geborgen wurden, liefern einen direkten Nachweis für Infektionskrankheiten, die in menschlichen Population der Vergangenheit kursierten, und bieten wertvolle Einblicke in die Makroökologie (prä-)historischer Krankheitserreger, Anpassung der Wirte, und ihre Verbreitung und Erscheinung. In der vorliegenden Arbeit nutze ich neueste molekularbiologische und computergestützte Methoden, um pathogene Bakterien, die die Populationen der ‚Neuen Welt‘ vor und nach dem Kontakt mit Europäern im 16. Jh befielen, zu erfassen und genomisch zu beschreiben. Im ersten Artikel untersuche ich Angehörige des Mycobacterium tuberculosis Komplexes (MTBC), dem Erreger von Tuberkulose, in geographisch verstreuten menschlichen Populationen des kolumbianischen Inlands und der peruanischen Küste. Ich konnte drei präkolumbianische MBTC-Genome der Untergruppe Mycobacterium pinnipedii, die heutzutage mit Infektionen in Seehunden und Seelöwen assoziiert werden, rekonstruieren und analysieren. Es wird vermutet, dass sich M. pinnipedii-Erregerstämme durch eine Übertragung von Seehunden auf die menschlichen Populationen der peruanischen Küste verbreitet haben (Bos, et al. 2014), jedoch erklärt diese ökologische Modell nicht die Verbreitung von M. pinnipedii auf die menschliche Populationen im Inland Kolumbiens. Daher werden abweichende ökologische Modelle betrachtet, die mit der Verbreitung ins südamerikanische Inland vereinbar sind. Der zweite Artikel präsentiert Salmonella enterica ssp. enterica Paratyphi, einen Erreger des Typhus, als einen naheliegenden Kandidaten für den „Cocoliztli“ - Ausbruch in Teposcolula-Yucundaa in Süd-Mexiko um 1545 - 1550 n.Chr., nach dem Eintreffen der Europäer. Der Erreger dieser Epidemie konnte bisher aus keinen archäologischen oder ethnohistorischen Befunden ermittelt werden. In dieser Studie wandte ich ein breit angelegtes Screening-Verfahren an, das MEGAN ALignment Tool (MALT), und konnte so S. enterica-DNA vor dem komplexen Hintergrund mikrobieller-DNA nachweisen. Dies wurde ohne a prioi-Wissen über einen anvisierten Erreger erreicht, welches die Wirksamkeit dieser Anwendung darin zeigt, alte Pathogene in archäologisch erhaltenem biologischen Gewebe zu identifizieren. Des Weiteren werden in der Studie Analysen der genomweiten Daten der zehn S. Paratyphi C Genome vorgestellt. In einem dritten Artikel wandte ich MALT an, um DNA pathogener Organismen in den Überresten sub-adulter Männer aus einer Sonderbestattung, der 16. oder 17. Jahrhunderts, in der Moneen-Höhle in Irland nachzuweisen. Ich konnte keine antike Erreger DNA feststellen. Daher fokussiert sich die Untersuchung auf die Rekonstruktion und Analyse der mitochondrialen Genome der Individuen.