Forskare hittar dramatiska skillnader mellan gamla tarmmikrobiomer och moderna mikrober

Forskare samlar snabbt in bevis på att varianter av tarmmikrobiomer, samlingen av bakterier och andra mikrober i våra matsmältningssystem, kan spela skadliga roller vid diabetes och andra sjukdomar. Nu har forskare vid Joslin Diabetes Center funnit dramatiska skillnader mellan tarmmikrobiomer från gamla nordamerikanska folk och moderna mikrobiomer, ger nya bevis på hur dessa mikrober kan utvecklas med olika dieter.

Forskarna analyserade mikrobiellt DNA som finns i inhemska mänskliga paleofeces (uttorkade avföringar) från ovanligt torra grottor i Utah och norra Mexiko med extremt höga nivåer av genomisk sekvensering, säger Joslin biträdande utredare Aleksandar Kostic, Doktorsexamen, seniorförfattare till a Natur papper som presenterar arbetet.

Genomföra genomisk analys mer brett och djupare än tidigare studier på gamla mänskliga tarmmikrobiomer, studien var den första som avslöjade nya arter av mikrober i exemplaren, säger Kostic, som också är biträdande professor i mikrobiologi vid Harvard Medical School.

I tidigare studier av barn i Finland och Ryssland, Kostic och hans kollegor visade att barn i industrialiserade regioner, som var mycket mer benägna att utveckla typ 1-diabetes än i icke-industrialiserade områden, hade också mycket olika tarmmikrobiomer.

Vi kunde identifiera specifika mikrober och mikrobiella produkter som vi tror hindrade en riktig immunutbildning i tidigt liv, Och detta leder senare till högre incidenter av inte bara typ 1 -diabetes, men andra autoimmuna och allergiska sjukdomar. "

Aleksandar Kostic, Doktorsexamen, Seniorförfattare

Så hur skulle ett hälsosamt mänskligt mikrobiom se ut före effekterna av industrialiseringen? "Jag är övertygad om att du inte kan svara på den frågan med några moderna levande människor, säger Kostic, som påpekar att även stammar i extremt avlägsna regioner i Amazonas drabbas av Covid-19.

Steven LeBlanc, en arkeolog tidigare med Harvards Peabody Museum of Archaeology and Ethnology, kom till Kostic med en dramatisk alternativ källa:mikrobiellt DNA som finns i mänskliga paleofeces -prover som museer har samlat från torra miljöer i nordamerikanska sydväst.

Kostic och doktoranden Marsha Wibowo antog utmaningen, så småningom jämförde man DNA från åtta exceptionellt välbevarade antika tarmprover från torra grottor (några daterade så tidigt som det första århundradet av den nuvarande eran) med DNA i 789 moderna prover. Något mer än hälften av de moderna proverna var från människor på industrialiserade "västerländska" dieter och resten från människor som konsumerar icke-industrialiserade livsmedel (odlas mestadels inom sina egna samhällen).

Skillnaderna mellan mikrobiompopulationer var slående. Till exempel, en bakterie som kallas Treponema succinifaciens "finns inte i ett enda västerländskt mikrobiom som vi analyserade, men det finns i varenda en av de åtta gamla mikrobiomerna, "Säger Kostic. De gamla mikrobiomerna stämde närmare överens med moderna icke-industriella mikrobiomer.

Slående, Wibowo fann att nästan 40% av de gamla mikrobiella arterna aldrig hade setts tidigare. Vad kan förklara denna höga genetiska variation?

"I gamla kulturer, maten du äter är mycket varierande och kan stödja en mer eklektisk samling av mikrober, "Kostic spekulerar." Men när du går mot industrialisering och mer av en matbutik, du förlorar många näringsämnen som hjälper till att stödja ett mer varierat mikrobiom. "

De gamla mikrobiomerna hade också relativt högre antal än de moderna industriella mikrobiomerna av transposaser (transponerbara element i DNA -sekvenser som kan ändra plats i genomet).

"Vi tror att detta kan vara en strategi för mikroberna att anpassa sig i en miljö som förändras mycket mer än det moderna industrialiserade mikrobiomet, där vi äter samma saker och lever samma liv mer eller mindre året runt, "Säger Kostic." I en mer traditionell miljö, saker förändras och mikrober måste anpassa sig. De kan använda denna mycket större samling transposaser för att ta tag i och samla gener som hjälper dem att anpassa sig till de olika miljöerna. "

Dessutom, de gamla mikrobiella populationerna införlivade färre gener relaterade till antibiotikaresistens. De gamla proverna innehöll också lägre antal gener som producerar proteiner som bryter ner tarmslemskiktet, som sedan kan producera inflammation som är kopplad till olika sjukdomar.

Dessutom, verket kan belysa en vetenskaplig kontrovers om huruvida populationer av tarmmikrober överförs vertikalt från generation till generation av människor, eller utvecklas främst från omgivande miljöer.

Ser man på släktlinjen för de vanliga bakterierna Methanobrevibacter smithii i de gamla proverna, de fann att dess utveckling stämde överens med en gemensam förfäderstam som har daterats till ungefär när människor först migrerade över Beringsundet till Nordamerika. "Dessa mikrober, precis som våra egna genomer, har rest med oss, Säger Kostic.

Forskningsprojektet började med behovet av att identifiera okontaminerade mänskliga paleofeces -prover som bevarades i ovanligt gott skick. "När vi rekonstruerade dessa genomer, vi försökte vara mycket konservativa, "Säger Wibowo.

Förutom kol-14-datering, forskarna använde kostanalyser och andra metoder för att validera att de utvalda proverna verkligen var mänskliga och inte kontaminerades av jord eller av andra djur som hundar, hon säger. Utredarna bekräftade också att de valda proverna visade de sönderfallsmönster som allt DNA är känt att uppvisa över tid.

Teamet utförde mycket djupare sekvensering av DNA än vad som uppnåtts i tidigare ansträngningar, minst 100 miljoner läser, med 400 miljoner avläsningar av DNA för ett prov.

En samarbetspartner, antropolog Meradeth Snow, Doktorsexamen, vid University of Montana i Missoula, ledde ett initiativ för att få perspektiv på arbetet från indianers ursprungsbefolkningar i sydvästra regionen. "Vi erkänner och uppskattar de personer vars genetik och mikrober analyserades för denna forskning, liksom nuvarande individer med tillhörande genetiskt eller kulturellt arv, "betonar studien.

Forskarna planerar att utöka sina studier till många andra gamla mikrobiomprover, syftar till att upptäcka nya mikrobiella arter och försöker förutsäga deras metaboliska funktioner. Kostic är fascinerad av möjligheten att återuppväcka dessa gamla mikrober i labbet, genom att infoga gamla genomer i de närmaste levande bakteriearterna. "Om vi ​​kan odla dem i labbet, vi kan förstå dessa mikroberas fysiologi mycket, mycket bättre, " han säger.

LeBlanc hjälpte Joslin -utredarna att samla medarbetare, rekryterades så småningom från ett dussin institutioner. Bland viktiga bidrag, Montanas Dr Snow ledde extraktionen och beredningen av det gamla DNA:t, och Harvards Christina Warinner, Doktorsexamen, erbjöd sin expertis om det gamla mänskliga mikrobiomet. "Det har varit fantastiskt att lära av alla dessa fantastiska samarbetspartners, "Säger Wibowo." Det tar verkligen en by. "

• Rapporterar etiketter på kommersiella kefirprodukter mikrobiella nivåer korrekt?
• Studie:Bakteriell kolonisering av spädbarns tarm förekommer inte före födseln