Forskere finder dramatiske forskelle mellem gamle tarmmikrobiomer og moderne mikrober

Forskere indsamler hurtigt beviser for, at varianter af tarmmikrobiomer, samlingerne af bakterier og andre mikrober i vores fordøjelsessystemer, kan spille skadelige roller ved diabetes og andre sygdomme. Nu har forskere ved Joslin Diabetes Center fundet dramatiske forskelle mellem tarmmikrobiomer fra gamle nordamerikanske folk og moderne mikrobiomer, tilbyde nyt bevis på, hvordan disse mikrober kan udvikle sig med forskellige diæter.

Forskerne analyserede mikrobielt DNA fundet i oprindelige menneskelige paleofeces (udtørret ekskrementer) fra usædvanligt tørre huler i Utah og det nordlige Mexico med ekstremt høje niveauer af genomisk sekventering, siger Joslin assisterende efterforsker Aleksandar Kostic, Ph.d., seniorforfatter af a Natur papir, der præsenterer værket.

Udfører genomisk analyse mere bredt og dybt end tidligere undersøgelser af gamle tarmmikrobiomer fra mennesker, undersøgelsen var den første til at afsløre nye mikroberarter i prøverne, siger Kostic, som også er adjunkt i mikrobiologi ved Harvard Medical School.

I tidligere undersøgelser af børn i Finland og Rusland, Kostic og hans kolleger viste, at børn i industrialiserede regioner, som var meget mere tilbøjelige til at udvikle type 1-diabetes end dem i ikke-industrialiserede områder, havde også meget forskellige tarmmikrobiomer.

Vi var i stand til at identificere specifikke mikrober og mikrobielle produkter, som vi mener hindrede en ordentlig immunundervisning i det tidlige liv, Og dette fører senere til højere tilfælde af ikke kun type 1 -diabetes, men andre autoimmune og allergiske sygdomme. "

Aleksandar Kostic, Ph.d., Seniorforfatter

Så hvordan ville et sundt menneskeligt mikrobiom se ud før virkningerne af industrialiseringen? "Jeg er overbevist om, at du ikke kan besvare det spørgsmål med nogen moderne levende mennesker, "siger Kostic, der påpeger, at selv stammer i ekstremt fjerntliggende regioner i Amazonas får Covid-19.

Steven LeBlanc, en arkæolog tidligere med Harvards Peabody Museum of Archaeology and Ethnology, kom til Kostic med en dramatisk alternativ kilde:mikrobielt DNA fundet i humane paleofeces -prøver, som museer har indsamlet fra tørre miljøer i det nordamerikanske sydvest.

Kostic og kandidatstuderende Marsha Wibowo tog udfordringen op, til sidst at sammenligne DNA fra otte usædvanligt velbevarede gamle tarmprøver fra tørre huler (nogle dateret så tidligt som det første århundrede i den nuværende æra) med DNA i 789 moderne prøver. Lidt mere end halvdelen af ​​de moderne prøver var fra mennesker på industrialiserede "vestlige" kostvaner og resten fra folk, der spiste ikke-industrialiserede fødevarer (hovedsagelig dyrket i deres eget samfund).

Forskellene mellem mikrobiompopulationer var slående. For eksempel, en bakterie kendt som Treponema succinifaciens "er ikke i et enkelt vestligt mikrobiom, som vi analyserede, men det er i hver eneste af de otte gamle mikrobiomer, "Siger Kostic. De gamle mikrobiomer stemte mere tæt sammen med moderne ikke-industrielle mikrobiomer.

Påfaldende, Wibowo fandt ud af, at næsten 40% af de gamle mikrobielle arter aldrig var set før. Hvad kan forklare denne høje genetiske variation?

"I gamle kulturer, de fødevarer, du spiser, er meget forskellige og kan understøtte en mere eklektisk samling af mikrober, "Kostic spekulerer." Men når du bevæger dig mod industrialiseringen og mere af en dagligvarebutik, du mister mange næringsstoffer, der hjælper med at understøtte et mere forskelligartet mikrobiom. "

De gamle mikrobiomer havde også relativt højere tal end de moderne industrielle mikrobiomer af transposaser (transponerbare elementer i DNA -sekvenser, der kan ændre placering i genomet).

"Vi tror, ​​at dette kan være en strategi for mikroberne til at tilpasse sig i et miljø, der skifter meget mere end det moderne industrialiserede mikrobiom, hvor vi spiser de samme ting og lever det samme liv mere eller mindre året rundt, "Siger Kostic." Hvorimod i et mere traditionelt miljø, ting ændrer sig og mikrober skal tilpasse sig. De kan bruge denne meget større samling af transposaser til at gribe og indsamle gener, der hjælper dem med at tilpasse sig de forskellige miljøer. "

I øvrigt, de gamle mikrobielle populationer inkorporerede færre gener relateret til antibiotikaresistens. De gamle prøver havde også et lavere antal gener, der producerer proteiner, der nedbryder tarmslimlaget, som derefter kan producere betændelse, der er forbundet med forskellige sygdomme.

Derudover arbejdet kan kaste lys over en videnskabelig kontrovers om, hvorvidt tarmmikroorganismer overføres lodret fra generation til generation af mennesker, eller primært udvikle sig fra omgivende miljøer.

Ser man på slægten til de almindelige bakterier Methanobrevibacter smithii i de gamle prøver, de fandt, at dens udvikling var i overensstemmelse med en fælles forfædres stamme, der er blevet dateret til nogenlunde, da mennesker først vandrede over Beringstrædet til Nordamerika. "Disse mikrober, ligesom vores egne genomer, har rejst med os, "Siger Kostic.

Forskningsprojektet begyndte med behovet for at identificere uforurenede humane paleofeces -prøver, der blev bevaret i usædvanligt god stand. "Da vi rekonstruerede disse genomer, vi forsøgte at være meget konservative, "Siger Wibowo.

Ud over carbon-14 dating, forskerne brugte kostanalyser og andre metoder til at validere, at de udvalgte prøver faktisk var mennesker og ikke var forurenet af jord eller af andre dyr som hunde, hun siger. Efterforskerne bekræftede også, at de valgte prøver viste de forfaldsmønstre, som alt DNA vides at udvise over tid.

Teamet udførte langt dybere sekventering af DNA end hvad der blev opnået i tidligere bestræbelser, mindst 100 millioner læser, med 400 millioner læsninger af DNA for en prøve.

En samarbejdspartner, antropolog Meradeth Snow, Ph.d., fra University of Montana i Missoula, ledet et initiativ for at få perspektiver på arbejdet fra indianers oprindelige samfund i regionen sydvest. "Vi anerkender og værdsætter de personer, hvis genetik og mikrober blev analyseret til denne forskning, såvel som nutidens personer med tilhørende genetisk eller kulturel arv, "understreger undersøgelsen.

Forskerne planlægger at udvide deres undersøgelser til mange andre gamle mikrobiomprøver, sigter mod at opdage nye mikrobielle arter og forsøger at forudsige deres metaboliske funktioner. Kostic er fascineret af muligheden for at genoplive disse gamle mikrober i laboratoriet, ved at indsætte gamle genomer i de nærmeste levende bakteriearter. "Hvis vi kan dyrke dem i laboratoriet, vi kan forstå disse mikroberes fysiologi meget, meget bedre, " han siger.

LeBlanc hjalp Joslin -efterforskerne med at samle samarbejdspartnere, til sidst rekrutteret fra et dusin institutioner. Blandt centrale bidrag er Montanas Dr. Snow førte ekstraktion og forberedelse af det gamle DNA, og Harvards Christina Warinner, Ph.d., tilbød sin ekspertise om det gamle menneskelige mikrobiom. "Det har været fantastisk at lære af alle disse strålende samarbejdspartnere, "Wibowo siger." Det kræver virkelig en landsby. "

• Rapporterer etiketter på kommercielle kefirprodukter mikrobielle niveauer korrekt?
• Undersøgelse:Bakteriel kolonisering af spædbørns tarm forekommer ikke før fødslen