Descobrir a história humana a partir de bactérias estomacais

Descobrir a história humana a partir de bactérias no estômago da arte abstracta
Análises recentes de patógenos humanos revelaram que suas histórias evolutivas são congruentes com o padrão a hipótese de migrações populacionais humanos antigos e modernos. árvores filogenéticas de estirpes da bactéria Helicobacter pylori
eo polioma vírus JC tomadas a partir geograficamente diversos grupos de seres humanos está intimamente relacionada com as relações das populações em que eles são encontrados.
Charles Darwin reconheceu que a distribuição e forma de parasitas foi evolutivamente significativa. Ele observou, por exemplo, que "... a pediculi [piolhos] coletadas em diferentes países de diferentes raças humanas ... diferem, não só na cor, mas na estrutura de suas garras e membros. Em todos os casos em que muitos espécimes foram obtidas as diferenças eram constantes "[1]. Mais recentemente, vários grupos de pesquisa [2-7] encontraram correlações interessantes entre as relações evolutivas entre diferentes cepas bacterianas e virais hospedados por seres humanos e o padrão de migrações de seres humanos modernos em todo o mundo.
Um caso particularmente interessante é o de Helicobacter pylori
, uma bactéria Gram-negativa associada à gastrite, úlceras pépticas, e cancro gástrico que podem infectar até metade de todos os seres humanos [8]. A descoberta de que uma infecção bacteriana pode conduzir a doenças crónicas que foram consideradas [8] foi um exemplo notável o facto de que as doenças infecciosas ainda não ter sido vencida. A epidemia continua a síndrome de imunodeficiência adquirida (SIDA), os surtos de Ebola na África Central e a propagação atual do vírus do Nilo Ocidental nos Estados Unidos e da síndrome respiratória aguda grave (SARS) da Ásia fornecem evidências da difusão e de saúde consequências de agentes infecciosos, mesmo na idade de vacinação e antimicrobiana e terapias antivirais. Muitas doenças infecciosas são pensados ​​para ter surgido em simultâneo com o desenvolvimento da agricultura eo aumento da vida urbana. Se, em vez disso, as relações de muitos patógenos com os seres humanos são muito mais velhos, não seria surpreendente encontrar associações evolutivas mais profundas entre seres humanos e seu microbiana e invasores virais.
A história evolutiva da H. pylori
pode fornecer um exemplo da co-evolução de uma bactéria e seu único hospedeiro conhecido. A H. pylori
genoma é relativamente pequeno em 1,67 megabases, com um complemento de genes mínima metabólicas [9]. Variação entre H. pylori
isolados de pessoas diferentes ou mesmo de uma pessoa é grande, levando a impressões digitais únicas para quase todos os isolar, até agora digitado. Os genes que codificam não são muito diversas, no entanto: a maior parte da variação ocorre na posição da terceira base dentro de códons ou através de inversões ou translo-cações, deixando as sequências de aminoácidos codificados relativamente semelhantes [2]. Esta conservação de sequência de amino-ácido é uma sorte para pesquisa de uma vacina, como uma vacina é provável que seja eficaz em muitas estirpes. Mais interessante é o facto de que o H. pylori
tem uma taxa extremamente alta de recombinação, mais elevada, de facto, que o de qualquer outro organismo caracterizado até à data [3, 10].
Normalmente, uma alta taxa de recombinação tais faria fazer inferir a história evolutiva de um organismo muito difícil, como as informações sobre a origem de cada mutação seria perdida como ele se espalha por toda a população. Mas juntamente com o modo de transmissão do H. pylori
, este extremamente elevada taxa de recombinação pode de fato fazer inferências evolutivas mais fácil. Vários estudos sugerem fortemente que a H. pylori
é geralmente transmitida no seio das famílias, geralmente de mãe para filho [11, 12]. Assim, a transmissão de H. pylori
em alguns aspectos, imita a do DNA mitocondrial maternalmente transmitidas [13]. Porque o ADN mitocondrial é transmitido exclusivamente a partir de um dos pais (mãe) e não recombinam, tem provado ser um sistema genético ideal para inferir história evolutiva humano (ver abaixo) [14, 15]. Se H. pylori
é de fato predominantemente maternalmente transmitidos, novas cepas geralmente não irá infectar uma pessoa durante a sua vida; em conjunto com a elevada taxa de recombinação, isto significaria que as mutações que se acumulam dentro da população de bactérias no estômago de um indivíduo será relativamente homogénea. Isso deve resultar em um enxame de estirpes que estão intimamente relacionados entre si, contendo muitas das mutações que ocorreram em bactérias individuais. Enxames encontrados em pessoas diferentes, assim, ser mais diferentes um do outro do que se havia menos de recombinação.
A maioria das doenças infecciosas se espalhou rapidamente por todo o mundo e as cepas de diferentes regiões são relativamente semelhantes, mas a amostragem inicial de H. pylori
de pessoas de diferentes regiões do mundo revelou bastante forte compartimentação geográfica em Asian H. pylori
tipos europeus e [2-4]. Recentemente, Falush e colaboradores [5] examinaram este particionamento em maior detalhe. Depois de sequenciar oito genes - de um total de 3.850 nucleotídeos - em 370 linhagens derivadas de 27 populações humanas, eles encontraram 1.418 posições de nucleótidos polimórficos. Eles então aplicada uma nova ferramenta analítica, ESTRUTURA [16], que foi desenvolvido para inferir estrutura genética humana a partir de dados de genótipos multilocus. O programa usa métodos de Bayesian para identificar subgrupos com freqüências alélicas distintas, e aglomerados de subgrupos, mesmo na presença de recombinação [16]. Quando esta técnica foi aplicada a sequências do H. pylori
, quatro grupos principais foram encontrados - dois da África e um da Europa e da Ásia (Figura 1a) [5]. Figura 1 As relações entre as populações humanas, tal como calculado a partir de H. pylori encontrado na
estômagos e a partir de dados de ADN mitocondrial. (A) As relações entre subpopulações modernas de H. pylori
[5]. Cada subpopulação é representado por um círculo com um diâmetro proporcional à diversidade genética dentro dele. Os centros dos círculos são unidas por uma árvore filogenética que mostra a relação entre os quatro subpopulações. As bactérias em cada subpopulação são encontrados predominantemente em pessoas que se originam a partir das regiões mostradas. (B) Uma árvore filogenética de nível população da H. pylori
subpopulações geográficas mostrado em (a). (C) Uma rede de populações humanas derivadas de ADN mitocondrial [14] mediano-joining. Essa rede mostra relações evolutivas potenciais alternativas entre clusters. Cada círculo representa um grupo de tipos mitocondriais com um diâmetro proporcional à frequência do tipo que dentro das subpopulações. Todas as populações não-africanas são derivados de uma linhagem Africano; a rede de relações dentro desta linhagem é ampliada (em cima). (A, b) adaptada de [5]; (C) adaptada de [14]
Cada conjunto encontrado por Falush e colegas [5] pode ser dividido em subgrupos.; por exemplo, o cluster da "África 1" poderia ser subdivididos ainda em Ocidente e subclusters Sul Africano, eo cluster Ásia Oriental poderia ser dividida em Leste Asiático, Amerind e subclusters Maori. A divisão geográfica dentro das 200 estirpes europeias foi particularmente complicado, presumivelmente porque numerosos grupos têm varrido frente e para trás em toda a Europa ao longo dos últimos milênios. estirpes europeias também apareceu ocasionalmente, nas Américas, Austrália, e entre os sul-africanos, presumivelmente refletindo conquista colonial.
As relações filogenéticas desses aglomerados (Figura 1B) e suas subdivisões [5] mostram um padrão semelhante ao usando obtido DNA mitocondrial variação (Figura 1c) [14, 15]. A piscina moderna gene humano, como inferido a partir do DNA mitocondrial e corroborada por estudos do cromossomo Y, é pensado para ter tido uma origem Africano cerca de 150.000-200.000 anos atrás [14, 15, 17, 18]. A população humana original, em seguida, se espalhar e diversificada em toda a África há cerca de 100.000 anos, antes de se expandir para a Ásia Ocidental e na Europa e na Ásia Meridional e Oriental aproximadamente 50.000-60.000 anos atrás, substituindo as populações arcaicas existentes de seres humanos nessas regiões. migrações posteriores espalhou em Australasia por 40.000 anos atrás, em seguida, para as ilhas do Pacífico, e mais tarde na América do Norte, cerca de 15.000 anos atrás (Figura 2) [14, 15, 17, 18]. A semelhança notável entre essa visão da história humana e os resultados dos estudos de H. pylori
levaram Falush e colegas [5], bem como outros [2] para concluir que H. pylori
evolução tem seguido o caminho da expansão humana moderna e migração. Este trabalho proporciona, assim, um outro tipo de dados para a análise da evolução humana e da migração, independentes do DNA mitocondrial e cromossomo Y, que será valiosa em estudos futuros. Infelizmente, no entanto, estimar a divergência datas de H. pylori
é particularmente difícil, devido à extremamente elevada taxa de recombinação [10]. adicional de recolha e de técnicas analíticas podem ser necessários para testar a hipótese migratório. Figura 2 Um mapa do padrão de expansão e migração de seres humanos modernos em todo o mundo, derivada de estudos de DNA mitocondrial e cromossomo Y [14, 15, 17, 18]. Os números indicam o tempo aproximado (em anos antes do presente), quando os humanos modernos apareceram pela primeira vez na região indicada, também foram propostos.
Outros patógenos de seguir histórias evolutivas semelhantes a seus anfitriões. Um dos exemplos mais interessantes, embora com um hospedeiro não humano, que é de afídeos, uma bactéria encontrada dentro deles, e dois plasmídeos associados com a bactéria. Funk et al.
[19] descobriu que as filogenias intraspecifrc inferidos desses quatro genomas foram completamente congruentes. Voltando aos agentes patogénicos humanos, o vírus de polioma vírus humano de JC (JCV) pode ser dividido em genótipos que correspondem às grandes massas de terra continentais [6]. Como o H. pylori
, JCV - o que pode causar leucoencefalopatia multifocal progressiva (perda de mielinização no sistema nervoso central) - é muito difundida entre os seres humanos, como resultado da transmissão familiar. Um total de 12 subtipos conhecidos foram definidos, com Europeu, Africano, e distribuições asiáticos [7]. Embora inferências diretas de uma origem Africano para JCV são problemáticas porque não há nenhum grupo externo adequado com o qual a raiz da árvore filogenética, quando uma origem Africano é assumido, uma história evolutiva razoável pode ser hipótese (Figura 3) [7]. Tal como acontece com H. pylori
, inferindo divergência molecular lançamento está atualmente problemático para JCV. Outras investigações sobre a história evolutiva desses patógenos humanos é, portanto, necessário. Figura 3 Relações de polioma vírus humano JC (JCV) subtipos encontrados em seres humanos de diferentes partes do mundo [7]. As letras dizem respeito subtipos individuais. (A) O padrão hipótese de propagação da JCV subtipos através do mundo (excluindo as Américas); (B) uma filogenia inferida de subtipos JCV, assumindo uma origem Africano para o vírus. Adaptado a partir de [7].
Elucidar os padrões de evolução de patógenos humanos pode vir a fornecer evidências adicionais não só sobre a sua história, mas também sobre a evolução humana e da história. Isto será especialmente verdade para patógenos, como H. pylori
que têm um modo predominantemente mãe-filho da transmissão, simulando a evolução do DNA mitocondrial. papel causal 's H. pylori
em várias condições de estômago crônica é apenas um dos muitos exemplos atuais da função conhecida ou suspeita de um agente infeccioso levando a doenças crônicas. As bactérias são suspeitos de estarem envolvidos no desenvolvimento da arteriosclerose, acidente vascular cerebral e doença de Crohn, enquanto que os vírus são conhecidos para levar a SIDA e as várias formas de hepatite crónica. cancro do colo do útero, carcinoma hepatocelular, linfoma de Burkitt, o sarcoma de Kaposi, e talvez diabetes mellitus são também ou conhecidos ou suspeitos de serem de origem viral. Se algumas das doenças crónicas onipresentes provar ser de origem bacteriana ou viral, as pesquisas em todo o mundo desses patógenos em populações humanas deve ser realizada imediatamente, de modo que o conhecimento sobre a evolução e diversidade desses patógenos podem ser incorporadas em programas de investigação destinados a melhorar as condições de que eles causam.

• Comparação de plantas utilizadas para problemas de pele e estômago em Trinidad e Tobago, com comparação ethnomedicine
• Identificação de alterações de metilação de DNA associados com a identificação cancer