Древнюю микробиоту восстановили по палеофекалиям

Учёные фиксируют множество свидетельств того, что некоторые варианты микробиоты кишечника — собрания бактерий и других микробов в нашем пищеварительном тракте — играют патогенную роль при диабете и других болезнях. Исследователи из центра изучения диабета имени Джослина обнаружили существенную разницу между микробиомами древних народов Северной Америки и современными микробиомами, что даёт новые данные о том, как эти микробы эволюционировали на фоне меняющихся диет.

Учёные проанализировали микробную ДНК, найденную в палеофекалиях аборигенов из необычайно сухих пещер в Юте и северной Мексике при помощи высокоуровневого секвенирования генома. Работу, опубликованную в Nature, представил младший научный сотрудник центра имени Джослина Александар Костик, кандидат наук и старший автор статьи.
«В нашем исследовании мы впервые провели столь широкий и глубокий анализ микробиоты кишечника древнего человека и выявили в образцах новые виды микробов», — сказал Костик, доцент микробиологии в медицинской школе Гарварда.

В предыдущих исследованиях детей из Финляндии и России Костик и его коллеги показали разнице между микробиотой кишечника у детей из промышленных регионов, у которых с большей вероятностью развивается диабет I типа, и детей из менее промышленно развитых регионов. «Нам удалось идентифицировать конкретных микробов и микробные продукты, которые, как мы считаем, затрудняют развитие иммунитета в раннем детстве, — сказал Костик. — Это приводит к учащению случаев развития не только диабета I типа, но и других аутоиммунных и аллергических заболеваний».

Так как бы выглядел здоровый микробиом человека до эффектов индустриализации? «Я убеждён, что на этот вопрос нельзя ответить при помощи современных людей», — говорит Костик, указывая на то, что даже племена в отдалённых регионах Амазонии заражаются современными болезнями.

Археолог Стивен Лебланк, работавший в Гарвардском музее археологии и этнологии имени Пибоди, дал Костику невероятный альтернативный источник — микробную ДНК, найденную в образцах палеофекалий человека, которую музеи собрали из засушливых мест на юго-западе Северной Америки.

Костик и его дипломница Марша Вибово взялись за эту задачу. В итоге они сравнили ДНК из восьми превосходно сохранившихся образцов содержимого кишечника из сухих пещер (некоторые датировались первым веком нашей эры) с ДНК 789 современных образцов. Чуть более половины современных образцов относились к людям на индустриализированной «западной» диете. Остальные принадлежали людям, потреблявшим неиндустриализированные продукты, выращенные преимущественно в собственных коммунах.

Исследователи обнаружили поразительные различия между микробиомными популяциями. Например, бактерий Treponema succinifaciens, по словам Костика, не встречалась ни в одном из изученных западных микробиомов, но присутствовала в каждом из восьми древних образцов. Также древние микробиомы чётко соответствовали современным неиндустриализированным микробиомам.

Что удивительно, Вибово обнаружила, что 39 % древних видов микробов ранее никогда не встречались. Что могло бы объяснить такую высокую генетическую изменчивость?

«В древних обществах продукты, которые вы едите, разнообразнее и поддерживают более эклектичные собрания микробов, — предполагает Костик. — По мере индустриализации и перехода к диете на продуктах из супермаркета теряются нутриенты, которые помогают поддерживать более разнообразный микробиом».

Древние микробиомы также имели относительно более высокие уровни транспозаз (ферментов, которые позволяют участкам последовательностей ДНК менять положение в геноме).

«Мы считаем, что это могло быть стратегией микробов для адаптации к среде, которая меняется намного больше, чем микробиом в современных промышленных условиях, когда мы едим одни и те же продукты и живём одной и той же жизнью почти круглый год, — говорит Костик. — Тогда как в традиционной среде микробам нужно адаптироваться к изменениям. Они могли использовать большее число тарнспозаз, чтобы выбирать и собирать гены, которые помогали адаптироваться к среде».

Древние микробные популяции включали меньше генов, связанных с устойчивостью к антибиотикам. Также древние образцы имели меньшее количество генов, производящих белки, разрушающие слизистую кишечника, которые затем приводили к воспалению, связанному с различными заболеваниями.

Помимо этого, работа проливает свет на научный спор о том, передаются ли популяции микробов вертикально из поколения в поколение людей, или эволюционирует в первую очередь в зависимости от окружающей среды.
Рассмотрев линию распространённой бактерии Methanobrevibacter smithii в древних образцах, учёные обнаружили, что её эволюция соотносилась с общей веткой предков, датированной периодом, когда люди впервые мигрировали через Берингов пролив в Северную Америку. «Эти микробы, так же, как и наш собственный геном, путешествовали с нами», — говорит Костик.

Исследовательский проект начался с необходимости определения незагрязнённых образцов палеофекалий человека, которые сохранились в необычайно хорошем состоянии. «Мы старались быть бережными при реконструкции этих геномов», — говорит Вибово.

Помимо датировки по углероду-14, учёные использовали анализ диеты и другие методы, чтобы подтвердить, что выбранные образцы действительно относились к людям и не загрязнены почвой или другими животными, например, собаками. Также исследователи подтвердили, что выбранные образцы проявляли схемы разложения, характерные для всех ДНК.

Команда провела более глубокое секвенирование ДНК, чем достигалось в предыдущих работах. Как минимум на 100 миллионов считываний, а для одного образца — 400 миллионов.

Исследователи планируют расширить работы на другие образцы древних микробиомов чтобы обнаружить новые виды микробов и попытаться предсказать их метаболические функции. Костик заинтригован возможностью воскрешения этих древних микробов в лаборатории посредством внедрения древних геномов в ближайшие живущие виды бактерий. «Если мы сможем вырастить их в лаборатории, то удастся намного лучше понять физиологию этих микробов», — говорит он.

Перевод подготовили Антон Меньшенин и Екатерина Хананова.

Источник и исследование.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s