Ученые обнаружили существенные различия между микробиомами древнего кишечника и современными микробами

Ученые обнаружили существенные различия между микробиомами древнего кишечника и современными микробами

Ученые быстро собирают доказательства того, что варианты кишечных микробиомов, скопления бактерий и других микробов в нашей пищеварительной системе могут играть вредную роль в развитии диабета и других заболеваний. Теперь ученые из Диабетического центра Джослин обнаружили резкие различия между микробиомами кишечника древних народов Северной Америки и современными микробиомами, предлагая новые доказательства того, как эти микробы могут развиваться при различных диетах.

Ученые проанализировали микробную ДНК, обнаруженную в палеофекалиях коренных народов (иссушенные экскременты) из необычно сухих пещер в Юте и северной Мексике с чрезвычайно высокими уровнями геномного секвенирования, говорит помощник исследователя Джослина Александар Костич, доктор философии, старший автор Документ Nature представляющий работу.

Проведение геномного анализа шире и глубже, чем в предыдущих исследованиях микробиомов кишечника человека, исследование было первым, которое выявило новые виды микробов в образцах, – говорит Костич, который также является доцентом микробиологии в Гарвардской медицинской школе.

В предыдущих исследованиях детей в Финляндии и России Костич и его коллеги показали, что у детей в промышленно развитых регионах, у которых гораздо больше шансов заболеть диабетом 1 типа, чем у детей в непромышленных регионах, также очень разные микробиомы кишечника.

Мы смогли идентифицировать определенные микробы и микробные продукты, которые, по нашему мнению, препятствовали правильному иммунному воспитанию в раннем возрасте, и это впоследствии приводит к увеличению числа случаев не только диабета 1 типа, но и других аутоиммунных и аллергических заболеваний ».

Александр Костич, доктор философии, старший автор

Итак, как бы выглядел здоровый микробиом человека до воздействия индустриализации? «Я убежден, что вы не можете ответить на этот вопрос ни с одним современным живым народом», – говорит Костич, указывая на то, что даже племена в чрезвычайно отдаленных регионах Амазонки заражаются Covid-19.

Стивен Леблан, археолог, ранее работавший в Гарвардском музее археологии и этнологии Пибоди, пришел к Костичу с поразительным альтернативным источником: микробной ДНК, обнаруженной в образцах палеофекалий человека, которые музеи собрали в засушливых районах на юго-западе Северной Америки.

Костич и аспирантка Марша Вибово взяли на себя задачу, в конечном итоге сравнив ДНК из восьми исключительно хорошо сохранившихся образцов древнего кишечника из сухих пещер (некоторые из которых датируются первым веком нашей эры) с ДНК в 789 современных образцах. . Немногим более половины современных образцов были получены от людей, придерживающихся индустриальных "западных" диет, а оставшаяся часть – от людей, потребляющих непромышленные продукты (выращенные в основном в своих общинах).

Различия между популяциями микробиома были разительны. Например, бактерия, известная как Treponema succinifaciens, «не входит ни в один западный микробиом, который мы проанализировали, но есть в каждом из восьми древних микробиомов», – говорит Костич. Древние микробиомы действительно больше соответствовали современным непроизводственным микробиомам.

Поразительно, но Вибово обнаружил, что почти 40% древних видов микробов никогда раньше не встречались. Чем можно объяснить такую ​​высокую генетическую изменчивость?

«В древних культурах еда, которую вы едите, очень разнообразна и может поддерживать более эклектичный сбор микробов», – размышляет Костич. «Но по мере продвижения к индустриализации и большей диеты в продуктовом магазине вы теряете много питательных веществ, которые помогают поддерживать более разнообразный микробиом».

Древние микробиомы также имели относительно большее количество, чем современные промышленные микробиомы транспозаз (мобильных элементов последовательностей ДНК, которые могут менять местоположение в геноме).

«Мы думаем, что это может быть стратегией адаптации микробов к среде, которая меняется намного больше, чем современный индустриальный микробиом, где мы едим одни и те же продукты и живем той же жизнью более или менее круглый год», – говорит Костич. говорит. «В то время как в более традиционной среде все меняется, и микробы должны приспосабливаться. Они могут использовать этот гораздо больший набор транспозазов, чтобы захватывать и собирать гены, которые помогут им адаптироваться к различным средам»

.

Более того, древние микробные популяции включали меньше генов, связанных с устойчивостью к антибиотикам. В древних образцах также было меньше генов, которые производят белки, которые разрушают слизистый слой кишечника, что затем может вызывать воспаление, связанное с различными заболеваниями.

Кроме того, работа может пролить свет на научные противоречия о том, передаются ли популяции кишечных микробов вертикально от поколения к поколению людей или возникают в основном из окружающей среды.

Глядя на происхождение общих бактерий Methanobrevibacter smithii в древних образцах, они обнаружили, что их эволюция соответствовала общему предковому штамму, который был датирован примерно тем временем, когда люди впервые мигрировали через Берингов пролив в Северную Америку. «Эти микробы, как и наши собственные геномы, путешествовали с нами», – говорит Костич.

Исследовательский проект начался с необходимости идентифицировать незагрязненные образцы палеофекалий человека, которые сохранились в необычно хорошем состоянии. «Когда мы реконструировали эти геномы, мы старались быть очень консервативными», – говорит Вибово.

В дополнение к датированию по углероду-14 ученые использовали диетические анализы и другие методы, чтобы подтвердить, что отобранные образцы действительно были человеческими и не были загрязнены почвой или другими животными, такими как собаки, говорит она. Исследователи также подтвердили, что выбранные образцы демонстрировали паттерны распада, которые, как известно, проявляет вся ДНК с течением времени.

Команда выполнила гораздо более глубокое секвенирование ДНК, чем было достигнуто в предыдущих усилиях, по крайней мере 100 миллионов считываний, с 400 миллионами считываний ДНК для одного образца.

Один из сотрудников, антрополог Мерадет Сноу, доктор философии, из Университета Монтаны в Миссуле, возглавил инициативу по изучению перспектив работы общин коренных американцев в Юго-Западном регионе. «Мы признаем и ценим тех людей, чья генетика и микробы были проанализированы в рамках этого исследования, а также современных людей с соответствующим генетическим или культурным наследием», – подчеркивается в исследовании.

Исследователи планируют расширить свои исследования на многие другие образцы древнего микробиома, стремясь обнаружить новые виды микробов и попытаться предсказать их метаболические функции. Костич заинтригован возможностью возродить этих древних микробов в лаборатории, вставив древние геномы в самые близкие живые виды бактерий. «Если мы сможем выращивать их в лаборатории, мы сможем гораздо лучше понять физиологию этих микробов», – говорит он.

ЛеБлан помог исследователям Joslin собрать сотрудников, в конечном итоге набранных из дюжины учреждений. Среди ключевых вкладов доктор Сноу из Монтаны руководил извлечением и подготовкой древней ДНК, а Кристина Уоринер из Гарварда, доктор философии, предложила свои знания о древнем микробиоме человека. «Было потрясающе учиться у всех этих блестящих сотрудников», – говорит Вибово. «Для этого действительно нужна деревня».

Источник:

Ссылка на журнал:

Вибово, М.С., и др. (2021) Реконструкция древних микробных геномов из кишечника человека. Природа. doi.org/10.1038/s41586-021-03532-0.

Source link