Исследователи восстанавливают микробиомы полости рта неандертальцев, приматов и людей

В организме и на теле человека живут триллионы микробных клеток, принадлежащих к тысячам видов бактерий, известных как микробиом. Эти микробы играют ключевую роль в здоровье человека, но об их эволюции известно мало. В новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, междисциплинарная международная исследовательская группа под руководством ученых из Института Макса Планка по изучению истории человечества (MPI-SHH) изучила эволюционную историю микробиома полости рта гоминид, проанализировав окаменелый зубной налет людей и неандертальцев за последние 100 000 лет и сравнив его с налетом диких шимпанзе, горилл и обезьян-ревунов.

В исследовании приняли участие ученые из 41 учреждения в 13 странах, что делает его самым масштабным и амбициозным исследованием древнего микробиома полости рта на сегодняшний день. Анализ зубного камня более чем 120 особей, представляющих ключевые моменты эволюции приматов и человека, позволил сделать удивительные выводы о поведении раннего человека и по-новому взглянуть на эволюцию микробиома гоминид.

Самая сложная головоломка в мире

Работа с ДНК, возраст которой составляет десятки и сотни тысяч лет, очень сложна, и подобно археологам, восстанавливающим разбитые горшки, археогенетикам также приходится кропотливо собирать воедино разбитые фрагменты древних геномов, чтобы восстановить полную картину прошлого. Для данного исследования ученым пришлось разработать новые инструменты и вычислительные подходы для генетического анализа миллиардов фрагментов ДНК и идентификации давно исчезнувших бактериальных сообществ, сохранившихся в археологическом зубном камне. Используя эти новые инструменты, исследователи реконструировали 100 000-летний микробиом полости рта неандертальца из пещеры Пештурина в Сербии – самый древний микробиом полости рта, успешно реконструированный на сегодняшний день более чем на 50 000 лет.

“Мы смогли показать, что бактериальная ДНК из микробиома полости рта сохраняется по крайней мере в два раза дольше, чем считалось ранее”, — сказал Джеймс Феллоуз Йейтс, ведущий автор и докторант Института Макса Планка по изучению истории человечества. “Инструменты и методы, разработанные в этом исследовании, открывают новые возможности для ответа на фундаментальные вопросы микробной археологии и позволят более широко изучить тесную взаимосвязь между человеком и его микробиомом“.

Устойчивое микробное сообщество

В окаменевшем зубном налете исследователи выявили десять групп бактерий, которые были членами микробиома полости рта приматов на протяжении более 40 миллионов лет и которые до сих пор являются общими для людей и их ближайших родственников-приматов. Известно, что многие из этих бактерий выполняют важные полезные функции в полости рта и могут способствовать здоровью десен и зубов. Однако удивительное количество этих бактерий настолько мало изучено, что у них даже нет видовых названий.

“То, что многие из наиболее важных таксонов плохо охарактеризованы, стало сюрпризом для микробиологов полости рта, которые занимаются этими бактериями уже много лет”, — сказал Флойд Дьюхерст, старший сотрудник Института Форсайта и соавтор исследования. “Мы все еще узнаем о новых членах этого сообщества, и эти результаты дают нам новые виды, на которые следует обратить внимание для полной характеристики“.

Палеолитические связи

Хотя люди имеют много общих бактерий полости рта с другими приматами, микробиомы полости рта людей и неандертальцев особенно похожи. Тем не менее существует несколько небольших различий, в основном на уровне штаммов бактерий. Когда исследователи рассмотрели эти различия более подробно, они обнаружили, что древние люди, жившие в Европе в ледниковый период, разделяли некоторые бактериальные штаммы с неандертальцами. Поскольку микробиом полости рта обычно приобретается в раннем детстве от лиц, осуществляющих уход, это совместное использование может отражать более ранние пары человек-неандерталец и воспитание детей, на что также уже указывало открытие ДНК неандертальцев в древних и современных геномах человека.

Исследователи обнаружили, что неандертальские штаммы бактерий больше не обнаруживались у людей после приблизительно 14000 лет назад, в период, когда в конце последнего ледникового периода в Европе происходил значительный рост населения.

“Бактерии полости рта предоставляют неожиданную возможность для реконструкции взаимодействия людей и неандертальцев десятки тысяч лет назад”, — сказала Ирина Вельско, постдокторский исследователь MPI-SHH и соавтор исследования. “Пересечение эволюционной биологии человека и микробов завораживает.”

Ранняя любовь к крахмалу

Среди самых больших сюрпризов было открытие, что подгруппа бактерий Streptococcus, присутствующая как у современных людей, так и у неандертальцев, по-видимому, специально приспособилась к потреблению крахмала на ранних этапах эволюции человека. Это говорит о том, что крахмалистые продукты стали важными в рационе человека задолго до появления сельского хозяйства, а фактически даже до эволюции современного человека. Крахмалистые продукты, такие как корнеплоды, клубни и семена, являются богатыми источниками энергии, и предыдущие исследования утверждали, что переход к употреблению крахмалистых продуктов, возможно, помог нашим предкам вырастить большой мозг, характерный для нашего вида.

“Реконструкция того, что входило в меню наших древнейших предков, является сложной задачей, но бактерии полости рта могут дать важные подсказки для понимания ранних изменений в питании, которые сделали нас уникальными людьми”, — сказала Кристина Уориннер, ведущий старший автор исследования и профессор с совместными назначениями в области антропологии и микробиомных наук в Гарвардском университете и MPI-SHH. “Геномы бактерий развиваются гораздо быстрее, чем геном человека, что делает наш микробиом особенно чувствительным индикатором важных событий в нашем далеком и недавнем эволюционном прошлом“.

Это важная пища для размышлений – скромные бактериальные бляшки, которые растут на наших зубах и которые мы тщательно счищаем каждый день, содержат замечательные ключи не только к нашему здоровью, но и к нашей эволюции.