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Ancient human faeces reveal gut microbes of the past
遠(yuǎn)古人類的糞便揭示了過去的腸道微生物
人們越來越認(rèn)識(shí)到腸道微生物是如何塑造健康和疾病的。現(xiàn)在，一項(xiàng)對古代人類糞便的研究揭示了腸道微生物種群在過去2000年里是如何變化的。
寄生在人體腸道內(nèi)的微生物細(xì)胞，統(tǒng)稱為腸道菌群或微生物群，對我們的代謝和免疫系統(tǒng)生物學(xué)有關(guān)鍵影響。許多微生物代代相傳。然而，腸道微生物群(通過分析糞便中的微生物DNA來追蹤)可能會(huì)在幾天到幾個(gè)月的特定事件中發(fā)生根本的改變，比如移民到另一個(gè)國家或抗生素治療。定義哪些微生物曾經(jīng)是我們進(jìn)化史的一部分，后來又消失了，這可能為理解微生物和人類健康之間的關(guān)系提供了關(guān)鍵。通過DNA測序研究1000 - 2000年前人類糞便樣本的微生物群，這項(xiàng)研究為工業(yè)化之前的腸道微生物提供了有價(jià)值的見解。通過DNA測序研究1000 - 2000年前人類糞便樣本的微生物群，這項(xiàng)研究為工業(yè)化之前的腸道微生物提供了有價(jià)值的見解。
人體微生物組是我們生物學(xué)中具有可塑性的組成部分，可以適應(yīng)特定的環(huán)境，例如顯示與食物供應(yīng)相對應(yīng)的季節(jié)性變化。雖然這種延展性為治療與微生物群有關(guān)的人類疾病提供了一個(gè)潛在的途徑，但它也是一種脆弱性。工業(yè)化生活的許多方面，如抗生素的使用和缺乏纖維的西方飲食，對腸道微生物都有負(fù)面影響。
隨著社會(huì)工業(yè)化，工業(yè)化前哪些核心微生物以及相關(guān)的功能消失了? 某些廣泛的細(xì)菌類群（稱為“易變和/或與人類工業(yè)化社會(huì)負(fù)相關(guān)的分類群）在當(dāng)今生活在傳統(tǒng)生活方式中的土著居民中非常普遍，但在工業(yè)化人口中很少或不存在。還有許多細(xì)菌類群（稱為“城市化/現(xiàn)代化社會(huì)中的開花或選擇”（BloSSUM）類群）具有相反的模式。到目前為止，今天的非工業(yè)化人口是否擁有與生活在數(shù)千年前的人類相似的微生物群仍然是一個(gè)懸而未決的問題。
Wibowo等人報(bào)告了從美國西南部和墨西哥采集的15個(gè)古糞便樣本的DNA測序分析。其中7個(gè)樣本被排除在進(jìn)一步研究之外，因?yàn)镈NA質(zhì)量差或土壤污染的證據(jù)，或者因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)樣本來自犬宿主。剩下的8個(gè)樣本的年齡是用碳定年法確定的，對DNA損傷的分析顯示出的特征證實(shí)了材料的古老(古代DNA具有降解的特殊特征)。這些樣本的人類起源通過對古糞便中存在的飲食殘留物的顯微鏡分析和人類線粒體DNA的證據(jù)得到了證實(shí)。這些樣本的人類起源通過對古糞便中存在的飲食殘留物的顯微鏡分析和人類線粒體DNA的證據(jù)得到了證實(shí)。
通過對古糞便中存在的飲食殘?jiān)M(jìn)行顯微鏡分析和人類線粒體DNA證據(jù)，驗(yàn)證了這些樣本的人類起源。在498個(gè)重建的微生物基因組中，共有181個(gè)屬于腸道來源，具有廣泛的DNA損傷，與古代起源一致，39%的古代基因組提供了新發(fā)現(xiàn)物種的證據(jù)。
Wibowo和他的同事將他們從古代腸道樣本中獲得的數(shù)據(jù)與從工業(yè)化和非工業(yè)化生活方式的現(xiàn)代人口中收集的先前排序的糞便樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。BloSSUM taxa 進(jìn)行分類，包括Akkermansia muciniphila嗜黏蛋白阿克曼菌(可降解人類黏液)，在工業(yè)化樣本中比非工業(yè)化樣本和古糞便中更豐富。 總之，這些結(jié)果支持了這樣一個(gè)觀點(diǎn):非工業(yè)化微生物群的特征與我們?nèi)祟愖嫦鹊奈⑸锶合嗨疲I(yè)化人口與這種微生物特征不同(圖1)。
圖 1
Wibowo等人分析了在1000 - 2000年前的人類古糞便中發(fā)現(xiàn)的腸道微生物的DNA，并將其與來自工業(yè)化和非工業(yè)化社會(huì)的現(xiàn)代個(gè)體糞便樣本中的腸道微生物的DNA進(jìn)行了比較。 作者使用了一種被稱為主成分分析的統(tǒng)計(jì)方法來比較來自每個(gè)個(gè)體的樣本中細(xì)菌種類的模式。這種方法將每個(gè)個(gè)體樣本對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在兩個(gè)軸上，稱為PC1和PC2。這一分析表明，古糞便的樣本分布在非工業(yè)化社會(huì)的個(gè)體中，表明古人類和生活在傳統(tǒng)生活方式的現(xiàn)代人類的腸道微生物特征相似，同時(shí)兩者都不同于工業(yè)化社會(huì)中人們的微生物狀況。
作者們不再關(guān)注物種的身份:他們將古糞便中的微生物的基因，以及這些基因編碼的蛋白質(zhì)的預(yù)測功能與現(xiàn)在樣本中發(fā)現(xiàn)的微生物進(jìn)行了比較。無論是工業(yè)化的還是非工業(yè)化的現(xiàn)代樣本，都比古糞便具有更廣泛的抗生素抗性基因，這一發(fā)現(xiàn)與來自抗生素使用時(shí)代之前的古代微生物相一致。古糞便中含有大量編碼蛋白質(zhì)的基因，這些蛋白質(zhì)可以降解甲殼素分子，甲殼素是昆蟲外骨骼的一種成分。通過對古糞便中物質(zhì)的顯微鏡分析，證實(shí)了昆蟲的攝食。作者報(bào)告了許多在工業(yè)化樣本中特別普遍的基因，包括那些與人類腸道粘液降解有關(guān)的基因。
Wibowo和同事的研究是一項(xiàng)了不起的技術(shù)成就。他們能夠從生活在數(shù)千年前的微生物中恢復(fù)高質(zhì)量的DNA，這可能是因?yàn)闃颖舅诘母稍锷衬h(huán)境保存良好。多項(xiàng)獨(dú)立的證據(jù)證實(shí)了糞便樣本的年齡和人類來源。讓這些古老的DNA序列公開無疑將使科學(xué)家們在未來幾年受益。
然而，基于DNA序列的分析在結(jié)果沒有與其他類型的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證配對時(shí)確實(shí)有局限性。在理想條件下，使用計(jì)算工具來預(yù)測DNA編碼的蛋白質(zhì)信息是一種不完美的方法，在分析之前未知生物體的基因功能時(shí)尤其棘手，比如在這項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)的那些生物體。此外，微生物群在個(gè)體和種群之間是高度可變的。為了更好地了解古代人類腸道微生物群的一般和特定人群特征，需要對更大范圍的時(shí)間尺度和地點(diǎn)的更多古糞便進(jìn)行分析。
作者發(fā)現(xiàn)，與現(xiàn)代糞便中的微生物相比，古糞便中的微生物在組成和功能上存在顯著差異。工業(yè)化微生物群落中黏液降解物種和基因的患病率高于古代和非工業(yè)化微生物群落，這可能是由西方飲食造成的，西方飲食往往缺乏足夠的膳食纖維來支持曾經(jīng)數(shù)量眾多的纖維降解微生物物種。鑒于微生物群和免疫系統(tǒng)之間的聯(lián)系，這些差異可能與工業(yè)化人口中自身免疫、炎癥和代謝紊亂的上升率有關(guān)。
Wibowo和他的同事的工作表明，現(xiàn)在有兩種可行的替代方法來理解古代微生物群落的組成。古糞便可以直接調(diào)查古代微生物群，但樣本的年齡限制了進(jìn)一步的測量和實(shí)驗(yàn)。重要的是，這項(xiàng)研究證實(shí)，如今生活在傳統(tǒng)生活方式下的土著居民與古代人類有著相似的微生物群落組成。
