Wissenschaftler finden dramatische Unterschiede zwischen alten Darmmikrobiomen und modernen Mikroben

Wissenschaftler sammeln schnell Beweise dafür, dass Varianten von Darmmikrobiomen, die Ansammlungen von Bakterien und anderen Mikroben in unserem Verdauungssystem, kann eine schädliche Rolle bei Diabetes und anderen Krankheiten spielen. Jetzt haben Wissenschaftler des Joslin Diabetes Center dramatische Unterschiede zwischen Darmmikrobiomen von alten nordamerikanischen Völkern und modernen Mikrobiomen gefunden. neue Beweise dafür, wie sich diese Mikroben mit unterschiedlichen Diäten entwickeln können.

Die Wissenschaftler analysierten mikrobielle DNA, die in einheimischen menschlichen Paläofeces (ausgetrockneten Exkrementen) aus ungewöhnlich trockenen Höhlen in Utah und Nordmexiko mit extrem hoher Genomsequenzierung gefunden wurde. sagt Joslin Assistant Investigator Aleksandar Kostic, Doktortitel, leitender Autor von a Natur Papier, das die Arbeit vorstellt.

Durchführung einer Genomanalyse breiter und tiefer als frühere Studien zu alten menschlichen Darmmikrobiomen, die Studie war die erste, die neuartige Mikrobenarten in den Exemplaren enthüllte, sagt Kostic, der auch Assistenzprofessor für Mikrobiologie an der Harvard Medical School ist.

In früheren Studien an Kindern in Finnland und Russland Kostic und seine Kollegen zeigten, dass Kinder in industrialisierten Regionen, die viel häufiger Typ-1-Diabetes entwickeln als Menschen in nicht industrialisierten Gebieten, hatte auch sehr unterschiedliche Darmmikrobiome.

Wir waren in der Lage, spezifische Mikroben und mikrobielle Produkte zu identifizieren, von denen wir glauben, dass sie eine angemessene Immunerziehung im frühen Leben behindert haben. Und dies führt später zu höheren Inzidenzen nicht nur von Typ-1-Diabetes, aber andere Autoimmun- und allergische Erkrankungen."

Aleksandar Kostic, Doktortitel, Leitender Autor

Wie würde also ein gesundes menschliches Mikrobiom vor den Auswirkungen der Industrialisierung aussehen? "Ich bin überzeugt, dass man diese Frage mit keinem modernen lebenden Menschen beantworten kann, " sagt Kostic, der darauf hinweist, dass sogar Stämme in extrem abgelegenen Regionen des Amazonas an Covid-19 erkranken.

Steven LeBlanc, ein Archäologe, der früher am Peabody Museum of Archaeology and Ethnology in Harvard arbeitete, kam mit einer dramatischen alternativen Quelle zu Kostic:mikrobielle DNA, die in menschlichen Paläofeces-Proben gefunden wurde, die Museen aus trockenen Umgebungen im nordamerikanischen Südwesten gesammelt haben.

Kostic und Doktorandin Marsha Wibowo nahmen die Herausforderung an, vergleicht schließlich die DNA von acht außergewöhnlich gut erhaltenen alten Darmproben aus trockenen Höhlen (einige datiert bereits aus dem ersten Jahrhundert der heutigen Zeit) mit der DNA von 789 modernen Proben. Etwas mehr als die Hälfte der modernen Proben stammten von Menschen mit einer industrialisierten "westlichen" Ernährung und der Rest von Menschen, die nicht-industrielle Lebensmittel konsumierten (die meistens in ihren eigenen Gemeinden angebaut wurden).

Die Unterschiede zwischen den Mikrobiom-Populationen waren auffallend. Zum Beispiel, ein Bakterium namens Treponema succinifaciens "ist nicht in einem einzigen westlichen Mikrobiom, das wir analysiert haben, aber es ist in jedem einzelnen der acht alten Mikrobiome, ", sagt Kostic. Die alten Mikrobiome stimmten eher mit modernen nicht-industriellen Mikrobiomen überein.

Auffallend, Wibowo fand heraus, dass fast 40% der alten mikrobiellen Arten noch nie zuvor gesehen wurden. Was könnte diese hohe genetische Variabilität erklären?

„In alten Kulturen, die Lebensmittel, die Sie essen, sind sehr vielfältig und können eine vielseitigere Sammlung von Mikroben unterstützen, " Kostic spekuliert. "Aber wenn Sie sich in Richtung Industrialisierung und mehr einer Lebensmittelgeschäft-Diät bewegen, Sie verlieren viele Nährstoffe, die dazu beitragen, ein vielfältigeres Mikrobiom zu unterstützen."

Die alten Mikrobiome hatten auch eine relativ höhere Anzahl als die modernen industriellen Mikrobiome von Transposasen (transposable Elemente von DNA-Sequenzen, die ihre Position im Genom ändern können).

„Wir denken, dass dies eine Strategie für die Mikroben sein könnte, sich an eine Umgebung anzupassen, die sich viel mehr verändert als das moderne industrialisierte Mikrobiom. wo wir das gleiche essen und mehr oder weniger das ganze Jahr über das gleiche Leben führen, " sagt Kostic. "Während in einer eher traditionellen Umgebung, Dinge ändern sich und Mikroben müssen sich anpassen. Sie könnten diese viel größere Sammlung von Transposasen verwenden, um Gene zu greifen und zu sammeln, die ihnen helfen, sich an die verschiedenen Umgebungen anzupassen."

Außerdem, die alten mikrobiellen Populationen enthielten weniger Gene, die mit Antibiotikaresistenzen zusammenhängen. Die alten Proben enthielten auch eine geringere Anzahl von Genen, die Proteine ​​​​produzieren, die die Darmschleimschicht abbauen. die dann Entzündungen hervorrufen können, die mit verschiedenen Krankheiten verbunden sind.

Zusätzlich, die Arbeit könnte Licht in eine wissenschaftliche Kontroverse darüber bringen, ob Populationen von Darmmikroben vertikal von Generation zu Generation des Menschen übertragen werden, oder sich hauptsächlich aus der Umgebung entwickeln.

Betrachtet man die Abstammung des verbreiteten Bakteriums Methanobrevibacter smithii in den alten Proben, Sie fanden heraus, dass seine Entwicklung mit einem gemeinsamen Stamm der Vorfahren übereinstimmte, der ungefähr auf die Zeit datiert wurde, als Menschen zum ersten Mal über die Beringstraße nach Nordamerika wanderten. „Diese Mikroben, genau wie unsere eigenen Genome, waren mit uns unterwegs, ", sagt Kostic.

Das Forschungsprojekt begann mit der Notwendigkeit, unkontaminierte humane Paläofeces-Proben zu identifizieren, die in ungewöhnlich gutem Zustand konserviert wurden. „Als wir diese Genome rekonstruierten, Wir haben versucht, sehr konservativ zu sein, “, sagt Wibowo.

Neben der Kohlenstoff-14-Datierung die Wissenschaftler verwendeten Ernährungsanalysen und andere Methoden, um zu bestätigen, dass die ausgewählten Proben tatsächlich vom Menschen stammten und nicht durch Erde oder andere Tiere wie Hunde kontaminiert waren, Sie sagt. Die Forscher bestätigten auch, dass die ausgewählten Proben die Zerfallsmuster aufwiesen, die alle DNA im Laufe der Zeit aufweisen kann.

Das Team führte eine weitaus tiefere Sequenzierung der DNA durch, als dies in früheren Bemühungen erreicht wurde. mindestens 100 Millionen Lesevorgänge, mit 400 Millionen DNA-Lesungen für eine Probe.

Ein Mitarbeiter, Anthropologin Meradeth Snow, Doktortitel, der University of Montana in Missoula, leitete eine Initiative, um Perspektiven auf die Arbeit von indigenen Gemeinschaften der amerikanischen Ureinwohner in der Südwestregion zu erhalten. "Wir anerkennen und schätzen diejenigen Personen, deren Genetik und Mikroben für diese Forschung analysiert wurden, sowie heutige Individuen mit assoziiertem genetischem oder kulturellem Erbe, “, betont die Studie.

Die Forscher planen, ihre Studien auf viele andere antike Mikrobiom-Exemplare auszudehnen. mit dem Ziel, neue mikrobielle Spezies zu entdecken und ihre Stoffwechselfunktionen vorherzusagen. Kostic ist fasziniert von der Möglichkeit, diese uralten Mikroben im Labor wiederzubeleben. durch das Einfügen alter Genome in die nächste lebende Bakterienart. "Wenn wir sie im Labor züchten können, Wir können die Physiologie dieser Mikroben sehr gut verstehen, viel besser, " er sagt.

LeBlanc half den Joslin-Ermittlern, Kollaborateure zu sammeln, schließlich aus einem Dutzend Institutionen rekrutiert. Unter den wichtigsten Beiträgen, Dr. Snow aus Montana leitete die Extraktion und Aufbereitung der alten DNA, und Christina Warinner von Harvard, Doktortitel, bot ihr Fachwissen über das antike menschliche Mikrobiom an. "Es war erstaunlich, von all diesen brillanten Mitarbeitern zu lernen, " sagt Wibowo. "Es braucht wirklich ein Dorf."

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