Opdage menneskets historie fra mave bakterier

Opdage menneskets historie fra mave bakterier
Abstrakt Nyt analyser af humane patogener har afsløret, at deres evolutionære historie er kongruente med hypotese mønster af antikke og moderne menneskelige befolkning vandringer. Fylogenetiske træer af stammer af bakterien Helicobacter pylori
og polyoma JC virus taget fra geografisk forskellige grupper af mennesker korrelerer tæt med relationer af befolkningerne, hvor de er fundet.
Charles Darwin erkendte, at fordelingen og form parasitter var evolutionært signifikant. Han bemærkede, for eksempel, at "... Pediculi [lus] indsamlet i forskellige lande fra de forskellige racer af mennesker ... er forskellige, ikke kun i farve, men i strukturen i deres kløer og lemmer. I hvert tilfælde i som mange prøver blev opnået forskellene var konstant "[1]. For nylig har flere forskergrupper [2-7] fundet interessante sammenhænge mellem de evolutionære relationer mellem forskellige bakterielle og virale stammer arrangeret af mennesker og mønsteret af vandringer moderne mennesker i hele verden.
En særlig interessant sag er, at af Helicobacter pylori
, en Gram-negativ bakterie forbundet med gastritis, mavesår og gastrisk cancer, der kan inficere op til halvdelen af ​​alle [8] mennesker. Opdagelsen af, at en bakteriel infektion kan føre til hvad ansås kroniske sygdomme [8] var en slående eksempel på det faktum, at infektionssygdomme endnu ikke er overvundet. Den fortsatte erhvervet immundefekt syndrom (AIDS) epidemi, udbrud af Ebola i Centralafrika, og den nuværende spredning af West Nile virus i USA og af svær akut respiratorisk syndrom (SARS) fra Asien fremlægge dokumentation for den omsiggribende og sundhedsmæssige konsekvenser af smitstoffer selv i en alder af vaccination og antimikrobielle og antivirale behandlinger. Mange smitsomme sygdomme menes at være opstået i takt med udviklingen af ​​landbruget og stigningen i byerne lever. Hvis der i stedet, mange patogener 'relationer med mennesker er meget ældre, ville det ikke være overraskende at finde dybere evolutionære sammenhænge mellem mennesker og deres mikrobielle og virale angribere.
Evolutionære historie af H. pylori
kan give et eksempel af coevolution af en bakterie og dets eneste kendte vært. H. pylori
genom er relativt lille ved 1,67 megabaser, med en minimal komplement af metaboliske gener [9]. Variation mellem H. pylori
isolater fra forskellige mennesker, eller endda fra en person er stort, hvilket fører til unikke fingeraftryk for næsten hver isolat hidtil har skrevet. De kodende gener ikke meget forskellige, men: de fleste af variationen forekommer i den tredje basisstation position inden kodoner eller gennem inversioner eller translo-kationer, efterlader de kodede aminosyresekvenser forholdsvis ens [2]. Denne aminosyre sekvenskonservering er heldigt for vaccine forskning, som en vaccine sandsynligvis vil være effektive på mange stammer. Mere interessant er det, at H. pylori
har en ekstremt høj hastighed på rekombination, højere i virkeligheden end nogen anden organisme karakteriseret til dato [3, 10].
Normalt sådan en høj rekombination ville gøre udlede en organismes evolutionære historie meget vanskeligt, da oplysninger om oprindelsen af ​​hver mutation ville gå tabt, da det spredes i hele en population. Men kombineret med smittemåde af H. pylori
kan denne ekstremt høj rekombination i virkeligheden gør evolutionære slutninger lettere. Flere undersøgelser tyder på, at H. pylori
normalt sendes inden for familier, generelt fra mor til barn [11, 12]. Således transmissionen af ​​H. pylori
på nogle måder efterligner at af maternelt overførte mitokondrie-DNA [13]. Fordi mitokondrie-DNA er udelukkende overføres fra en forælder (moderen), og ikke rekombinere, har det vist sig at være et ideelt genetisk system til at udlede human evolutionære historie (se nedenfor) [14, 15]. Hvis H. pylori
er faktisk overvejende maternelt overførte, vil nye stammer generelt ikke inficere en person i løbet af deres levetid; sammen med den høje rekombination, ville dette betyde, at de mutationer, der ophobes i populationen af ​​bakterier i en persons mave vil være relativt homogene. Dette bør resultere i en sværm af stammer, der er meget tæt knyttet til hinanden, som indeholder mange af de mutationer, der har fundet sted i de enkelte bakterier. Sværme findes i forskellige mennesker vil således være mere forskellige fra hinanden, end hvis der var mindre rekombination.
Mest infektionssygdomme spredes hurtigt over hele verden og stammer fra forskellige regioner er forholdsvis ens, men indledende prøvetagning af H. pylori
fra folk fra forskellige regioner i verden afsløret temmelig stærk geografisk opdeling i europæiske og asiatiske H. pylori
typer [2-4]. For nylig, Falush og kolleger [5] har undersøgt denne partitionering nærmere. Efter sekventering otte gener - i alt 3.850 nukleotider - i 370 stammer afledt fra 27 befolkningsgrupper, fandt de 1.418 polymorfe nukleotidpositioner. De anvendes derefter en ny analytisk værktøj, STRUKTUR [16], som blev udviklet til at udlede menneskelige genetiske struktur fra multilocus genotypedata. Programmet anvender Bayesianske metoder til at identificere undergrupper med markante allelhyppigheder og klynger af undergrupperne, selv i nærvær af rekombination [16]. Når denne teknik blev anvendt til H. pylori
sekvenser, blev der fundet fire hovedgrupper - to fra Afrika og en fra Europa og Asien (figur 1a) [5]. Figur 1 Forholdet mellem befolkningsgrupper, som beregnes ud fra H. pylori, fundet i maver og fra mitokondrie dna-oplysninger. (A) Forholdet mellem moderne subpopulationer af H. pylori
[5]. Hver delpopulation er repræsenteret ved en cirkel med en diameter proportional med den genetiske mangfoldighed inden for det. Centrene i de kredse er forbundet med en fylogenetisk træ viser forholdet mellem de fire subpopulationer. Bakterier i hver delpopulation findes overvejende folk, der stammer fra regionerne vist. (B) En population-niveau fylogenetisk træ af H. pylori
geografiske subpopulationer vist i (a). (C) En median-sammenføjning netværk af humane populationer afledt af mitokondrie-DNA [14]. Et sådant netværk viser alternative potentielle evolutionære relationer mellem klynger. Hver cirkel repræsenterer en klynge af mitokondrielle typer med en diameter proportional med frekvensen af ​​denne type inden for subpopulationer. Alle ikke-afrikanske befolkninger stammer fra en afrikansk afstamning; netværket af relationer i denne slægt er forstørret (øverst). (A, b) Tilpasset fra [5]; (C) tilpasset fra [14]
Hver klynge fundet af Falush og kolleger [5] kunne opdeles i undergrupper.; for eksempel kunne den "Africa 1 'cluster opdeles yderligere i West og sydafrikanske subclusters, og Østasien klynge kunne opdeles i østasiatisk, Amerind, og Maori subclusters. Den geografiske opdeling inden for de 200 europæiske stammer var særlig kompliceret, formentlig fordi mange grupper har fejet frem og tilbage i hele Europa i løbet af de sidste mange årtusinder. Europæiske stammer også lejlighedsvis dukkede op i Amerika, Australien, og blandt sydafrikanere, formentlig afspejler koloniale erobring.
Den fylogenetiske relationer af disse klynger (figur 1b) og deres underafdelinger [5] viser et mønster svarede til den opnåede ved hjælp af mitokondrie-DNA variation (figur 1c) [14, 15]. Det moderne menneske genmasse, som udledes mitokondrie-DNA og bekræftet af Y-kromosom undersøgelser, menes at have haft en afrikansk oprindelse cirka 150.000-200.000 år siden [14, 15, 17, 18]. Den oprindelige befolkning derefter spredt og diversificeret hele Afrika for næsten 100.000 år, før udvide til vestlige Asien og Europa og ind i det sydlige og østlige Asien cirka 50.000-60.000 år siden, der erstatter de eksisterende arkaiske populationer af mennesker i disse regioner. Efterfølgende vandringer spredes i Australasien med 40.000 år siden, derefter til Stillehavsøerne, og senere i Nordamerika, cirka 15.000 år siden (Figur 2) [14, 15, 17, 18]. Den bemærkelsesværdige lighed mellem dette syn på menneskets historie, og resultaterne fra undersøgelser af H. pylori
har ført Falush og kolleger [5] samt andre [2] for at konkludere, at H. pylori
udvikling har fulgt stien af moderne menneskelige ekspansion og migration. Dette arbejde giver således en anden type af data til analyse af menneskets udvikling og migration, uafhængig af mitokondrie-DNA og Y kromosomer, som vil være værdifulde i yderligere undersøgelser. Men desværre estimering afvigelsen er fra H. pylori
er særlig vanskelig på grund af den ekstremt høje rekombination [10]. Yderligere prøveudtagning og analytiske teknikker kan være nødvendig for yderligere at teste vandrende hypotese. Figur 2 Et kort over mønstret for ekspansion og migration af moderne mennesker i hele verden, afledt af studier af mitokondrie-DNA og Y kromosomer [14, 15, 17, 18]. Tal angiver den omtrentlige tid (i år før nu), når moderne mennesker først dukkede op i det angivne område er også blevet foreslået.
Andre patogener at følge evolutionære historier ligner deres værter. Et af de mest interessante eksempler, men med en ikke-human vært, er, at af bladlus, en bakterie fundet i dem, og to plasmider, der er forbundet med bakterien. Funk et al.
[19] fandt, at afledte intraspecifrc phylogenies af disse fire genomer var fuldstændig kongruente. Vender tilbage til humane patogener, kan det menneskelige polyomavirus JC virus (JCV) opdeles i genotyper, der svarer til de store kontinentale landmasser [6]. Ligesom H. pylori
, JCV - hvilket kan forårsage progressiv multifokal leukoencephalopati (tab af myelinering i centralnervesystemet) - er meget udbredt blandt mennesker som følge af familiær transmission. I alt 12 kendte subtyper er blevet defineret, med europæisk, afrikansk, og asiatiske distributioner [7]. Selvom direkte slutninger af en afrikansk oprindelse for JCV er problematisk, fordi der ikke er noget egnet udgruppe med til at udrydde det fylogenetiske træ, når en afrikansk oprindelse antages, en rimelig evolutionære historie kan hypotese (figur 3) [7]. Som med H. pylori
, udlede molekylær divergens ikke i øjeblikket er problematisk for JCV. Yderligere undersøgelse af evolutionære historie af disse humane patogener er derfor nødvendigt. Figur 3 Forhold af human polyomavirus JC virus (JCV) undertyper fundet i mennesker fra forskellige dele af verden [7]. Bogstaver refererer til individuelle subtyper. (A) Den hypotese mønster for spredning af JCV undertyper gennem verden (ekskl Amerika); (B) en afledt fylogeni af JCV undertyper, under forudsætning af en afrikansk oprindelse for virus. Tilpasset fra [7].
Belyse de mønstre af evolution af humane patogener i sidste ende kan give yderligere beviser ikke kun om deres historie, men også om den menneskelige evolution og historie. Dette vil især være tilfældet for patogener såsom H. pylori
der har en overvejende mor-barn smittemåde, efterligner mitokondrie-DNA evolution. H. pylori
's forårsagende rolle i flere kroniske mave betingelser er blot en af ​​mange aktuelle eksempler på kendte eller formodede rolle af et smitstof, der fører til kroniske sygdomme. mistænkes bakterier at være involveret i udviklingen af ​​åreforkalkning, slagtilfælde og Crohns sygdom, hvorimod vira er kendt for at føre til AIDS og de forskellige former for kronisk hepatitis. Cervikal cancer, hepatocellulær carcinom, er Burkitts lymfom, Kaposis sarkom, og måske diabetes mellitus også enten kendte eller mistænkes for at være af viral oprindelse. Hvis nogle af de allestedsnærværende kroniske sygdomme viser sig at være af bakteriel eller viral oprindelse, bør gennemføres på verdensplan undersøgelser af disse patogener i humane populationer straks, så viden om udviklingen og mangfoldigheden af ​​disse patogener kan indarbejdes i forskningsprogrammerne designet til forbedre de betingelser, de forårsager.

• Sammenligning af planter, der anvendes til hud og maveproblemer i Trinidad og Tobago med asiatiske ethnomedicine
• Identifikation af DNA methylering ændringer forbundet med human gastrisk cancer