Découverte de l'histoire humaine à partir de l'estomac bacteria

Découvrir l'histoire humaine à partir de bactéries de l'estomac
récentes analyses de Résumé des agents pathogènes humains ont révélé que leurs histoires évolutives sont congruents avec le motif hypothétique des anciens et modernes migrations des populations humaines. Les arbres phylogénétiques de souches de la bactérie Helicobacter pylori
et le virus du polyome JC provenant géographiquement divers groupes d'êtres humains sont en corrélation étroite avec les relations des populations dans lesquelles ils se trouvent.
Charles Darwin a reconnu que la distribution et la forme de des parasites était évolutionnaire significative. Il a noté, par exemple, que «... le pediculi [poux] recueillies dans les différents pays des différentes races humaines ... diffèrent, non seulement dans la couleur, mais dans la structure de leurs griffes et leurs membres. Dans tous les cas dont de nombreux spécimens ont été obtenus les différences étaient constantes "[1]. Plus récemment, plusieurs groupes de recherche [2-7] ont trouvé des corrélations intéressantes entre les relations évolutives entre les différentes souches bactériennes et virales hébergées par les humains et le motif des migrations de l'homme moderne à travers le monde.
Un cas particulièrement intéressant est celui de
helicobacter pylori, une bactérie Gram-négative associée à la gastrite, l'ulcère gastro-duodénal, un cancer gastrique et qui peuvent infecter jusqu'à la moitié de tous les humains [8]. La découverte qu'une infection bactérienne pourrait conduire à des maladies chroniques qui ont été considérées [8] était un exemple frappant du fait que les maladies infectieuses ne sont pas encore conquis. L'épidémie continue du syndrome d'immunodéficience acquise (SIDA), les épidémies d'Ebola en Afrique centrale, et la propagation actuelle du virus du Nil occidental aux États-Unis et du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS) en Asie fournissent des preuves de l'omniprésence et de la santé des conséquences de agents infectieux, même à l'ère de la vaccination et des antimicrobiens et des thérapies antivirales. De nombreuses maladies infectieuses sont considérés comme ayant surgi en même temps que le développement de l'agriculture et de la montée de la vie urbaine. Si, au contraire, les relations de nombreux agents pathogènes avec les humains sont beaucoup plus âgés, il ne serait pas surprenant de trouver des associations d'évolution plus profondes entre les humains et leur microbienne et les envahisseurs viraux.
L'histoire évolutive de H. pylori
peut fournir un exemple de la coévolution d'une bactérie et son hôte seulement connu. Le génome de H. pylori est relativement faible à 1,67 mégabases, avec un complément minimal de gènes métaboliques [9]. Variation entre H. pylori
isolats de différentes personnes ou même d'une personne est grande, conduisant à des empreintes digitales uniques pour presque chaque isolat jusqu'à présent tapé. Les gènes codant ne sont pas très diversifié, cependant: la plupart de la variation se produit dans la troisième position de base au sein de codons ou par inversions ou Translo-cations, laissant les séquences d'acides aminés codées relativement similaires [2]. Cette conservation de la séquence amino-acide est heureux pour la recherche de vaccins, comme un vaccin est susceptible d'être efficace sur de nombreuses souches. Plus intéressant est le fait que H. pylori
a un taux extrêmement élevé de recombinaison, plus en fait que celle de tout autre organisme caractérisé à ce jour [3, 10].
Normalement, un tel taux élevé de recombinaison serait faire inférer histoire de l'évolution d'un organisme très difficile, que des informations sur l'origine de chaque mutation serait perdue car il se répand dans une population. Mais couplé avec le mode de transmission de H. pylori
, ce taux extrêmement élevé de recombinaison peut en fait faire des inférences évolutionnaires plus facile. Plusieurs études suggèrent fortement que H. pylori
est généralement transmis au sein des familles, généralement de la mère à l'enfant [11, 12]. Ainsi, la transmission de H. pylori
à certains égards, imite celle de l'ADN mitochondrial maternellement transmis [13]. Parce que l'ADN mitochondrial est transmis uniquement à partir de l'un des parents (la mère) et ne se recombine pas, il a prouvé être un système génétique idéal pour inférer histoire de l'évolution humaine (voir ci-dessous) [14, 15]. Si H. pylori
est en effet principalement maternellement transmis, de nouvelles souches ne seront généralement pas infecter une personne au cours de leur vie; en même temps que le fort taux de recombinaison, cela signifierait que les mutations accumulées au sein de la population de bactéries dans l'estomac d'une personne sera relativement homogène. Cela devrait se traduire par un essaim de souches qui sont très étroitement liés les uns aux autres, contenant un grand nombre de mutations qui se sont produites dans des bactéries individuelles. Essaims trouvés dans différentes personnes vont ainsi être plus différents les uns des autres que s'il y avait moins de recombinaison.
Plupart des maladies infectieuses se propagent rapidement à travers le monde et les souches de différentes régions sont relativement similaires, mais l'échantillonnage initial de H. pylori
de personnes de différentes régions du monde révélé assez forte répartition géographique dans les types européens et asiatiques H. pylori
[2-4]. Récemment, Falush et ses collègues [5] ont examiné ce cloisonnement plus en détail. Après le séquençage huit gènes - un total de 3850 nucléotides - dans 370 souches dérivées de 27 populations humaines, ils ont trouvé 1.418 positions nucléotidiques polymorphes. Ils ont ensuite appliqué un nouvel outil analytique, STRUCTURE [16], qui a été développé pour déduire la structure génétique humaine à partir des données de génotype multilocus. Le programme utilise des méthodes bayésiennes pour identifier les sous-groupes avec les fréquences des allèles distinctifs, et des grappes de sous-groupes, même en présence d'une recombinaison [16]. Lorsque cette technique a été appliquée à des séquences de H. pylori, quatre groupes principaux ont été trouvés - deux d'Afrique et un chacun de l'Europe et de l'Asie (figure 1a) [5]. Figure 1 Les relations entre les populations humaines, tel que calculé à partir de H. pylori, a trouvé dans l'estomac et à partir des données de l'ADN mitochondrial. (A) Les relations entre les sous-populations modernes de H. pylori
[5]. Chaque sous-population est représentée par un cercle avec un diamètre proportionnel à la diversité génétique à l'intérieur. Les centres des cercles sont reliés par un arbre phylogénétique montrant les relations entre les quatre sous-populations. Les bactéries présentes dans chaque sous-population se trouvent surtout chez les personnes qui proviennent des régions indiquées. (B) Un arbre phylogénétique au niveau des populations de sous-populations géographiques du H. pylori montré en (a). (C) un réseau de populations humaines dérivées de l'ADN mitochondrial [14] médian de jonction. Un tel réseau montre les relations évolutives potentielles alternatives entre les clusters. Chaque cercle représente un groupe de types mitochondrial avec un diamètre proportionnel à la fréquence de ce type à l'intérieur des sous-populations. Toutes les populations non-africaines sont dérivées d'une lignée africaine; le réseau de relations au sein de cette lignée est amplifiée (en haut). (A, b) adaptés à partir de [5]; (C) adapté de [14]
Chaque cluster trouvé par Falush et ses collègues [5] pourrait être divisé en sous-groupes. par exemple, le groupe «Africa 1» pourrait être subdivisé plus loin dans l'Ouest et sous-groupes sud-africains, et le pôle Asie de l'Est pourrait être divisé en Asie de l'Est, Amerind, et sous-groupes maoris. La répartition géographique dans les 200 souches européennes était particulièrement compliquée, sans doute parce que de nombreux groupes ont balayé en arrière à travers l'Europe au cours des derniers millénaires. souches européennes aussi parfois apparues dans les Amériques, en Australie, et parmi les Sud-Africains, ce qui reflète sans doute la conquête coloniale.
Les relations phylogénétiques de ces grappes (figure 1b) et leurs subdivisions [5] montrent une tendance similaire à celle de l'ADN mitochondrial obtenu en utilisant la variation (figure 1c) [14, 15]. La piscine moderne de gène humain, comme déduit de l'ADN mitochondrial et corroboré par des études du chromosome Y, est supposé avoir eu une origine africaine, il y a environ 150.000-200.000 ans [14, 15, 17, 18]. La population humaine d'origine, alors répandue et diversifiée à travers l'Afrique pour près de 100.000 ans, avant de se développer en Asie occidentale et en Europe et en Asie méridionale et orientale il y a environ 50,000-60,000 ans, remplaçant les populations archaïques existantes de l'homme dans ces régions. migrations ultérieures réparties en Australasie par il y a 40.000 ans, puis les îles du Pacifique, et plus tard en Amérique du Nord, il y a environ 15.000 ans (figure 2) [14, 15, 17, 18]. La similitude remarquable entre ce point de vue de l'histoire humaine et les résultats des études de H. pylori
ont conduit Falush et ses collègues [5] ainsi que d'autres [2] de conclure que l'évolution de H. pylori a suivi le chemin de l'expansion humaine moderne et migration. Ce travail fournit donc un autre type de données pour l'analyse de l'évolution humaine et de la migration, indépendamment de l'ADN mitochondrial et les chromosomes Y, qui sera utile dans d'autres études. Malheureusement, l'estimation de la divergence date de H. pylori
est particulièrement difficile, en raison du taux extrêmement élevé de recombinaison [10]. Des prélèvements supplémentaires et les techniques analytiques peuvent être nécessaires pour tester davantage l'hypothèse migratoire. Figure 2 Une carte du motif de l'expansion et de la migration de l'homme moderne dans le monde entier, à partir d'études de l'ADN mitochondrial et les chromosomes Y [14, 15, 17, 18]. Les chiffres indiquent le temps approximatif (en années avant la présente) quand les humains modernes sont apparues dans la région indiquée D'autres agents pathogènes de. On a également proposé de suivre des histoires évolutives semblables à leurs hôtes. L'un des exemples les plus intéressants, mais avec un hôte non humain, est celui des pucerons, d'une bactérie trouvée dans, et deux plasmides associés à la bactérie. Funk et al.
[19] ont trouvé que les phylogénies intraspecifrc inférées de ces quatre génomes étaient complètement congruents. De retour à des agents pathogènes humains, le virus JC polyomavirus humain (JCV) peut être divisé en génotypes qui correspondent aux grandes masses continentales [6]. Comme H. pylori
, JCV - ce qui peut provoquer la leucoencéphalopathie multifocale progressive (perte de la myélinisation dans le système nerveux central) - est très répandue parmi les humains à la suite de la transmission familiale. Un total de 12 sous-types connus ont été définis, avec européens, africains et asiatiques distributions [7]. Bien que des inférences directes d'une origine africaine pour JCV sont problématiques, car il n'y a pas exogroupe appropriée avec laquelle à la racine de l'arbre phylogénétique, quand une origine africaine est supposé, une histoire de l'évolution raisonnable peut supposer (figure 3) [7]. Comme avec H. pylori
, inférant divergence moléculaire date est actuellement problématique pour JCV. Une enquête plus poussée dans l'histoire de l'évolution de ces agents pathogènes humains est donc nécessaire. Figure 3 Relations de polyome humaine virus JC (JCV) sous-types trouvés chez l'homme à partir de différentes parties du monde [7]. Les lettres font référence à des sous-types individuels. (A) Le motif supposé de propagation de JCV sous-types à travers le monde (hors Amériques); (B) une phylogénie inférées de sous-types JCV, en supposant une origine africaine pour le virus. Adapté de [7].
Élucider les modèles d'évolution des agents pathogènes humains pourrait finalement fournir des preuves supplémentaires, non seulement au sujet de leur histoire, mais aussi sur l'évolution humaine et de l'histoire. Ce sera particulièrement vrai pour les agents pathogènes tels que H. pylori
qui ont un mode de transmission à prédominance mère-enfant, imitant l'évolution de l'ADN mitochondrial. rôle causal de l 'H. pylori
dans plusieurs conditions chroniques de l'estomac est juste un des nombreux exemples actuels du rôle connu ou suspecté d'un agent infectieux conduisant à des maladies chroniques. Les bactéries sont soupçonnés d'être impliqués dans le développement de l'artériosclérose, accident vasculaire cérébral et la maladie de Crohn, alors que les virus sont connus pour causer le sida et les diverses formes de l'hépatite chronique. Le cancer du col, le carcinome hépatocellulaire, le lymphome de Burkitt, le sarcome de Kaposi, et peut-être le diabète sucré sont également connus ou soupçonnés d'être d'origine virale. Si certaines des maladies chroniques ubiquitaires se révéler être d'origine bactérienne ou virale, des enquêtes mondiales de ces agents pathogènes dans les populations humaines doivent être effectuées immédiatement, de sorte que les connaissances sur l'évolution et la diversité de ces agents pathogènes peuvent être incorporés dans les programmes de recherche visant à améliorer les conditions qu'ils causent.

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