Ewolucja ludzkiego mikrobiomu jamy ustnej

Ludzka jama ustna

Ewolucja ludzkiego mikrobiomu jamy ustnej to badanie mikroorganizmów w jamie ustnej i ich adaptacji w czasie. Ostatnie postępy w starożytnych badaniach dentystycznych dały wgląd w ewolucję ludzkiego mikrobiomu jamy ustnej. Dzięki tym technikom wiadomo obecnie, jakie klasy metabolitów zostały zachowane i jaka jest różnica w różnorodności genetycznej, jaka istnieje od starożytnej do współczesnej mikroflory. Zależność między mikroflorą jamy ustnej a jej ludzkim gospodarzem uległa zmianie, a przejście to można bezpośrednio powiązać z powszechnymi chorobami w ewolucyjnej przeszłości człowieka. Medycyna ewolucyjna zapewnia ramy dla ponownej oceny zdrowia i chorób jamy ustnej, a antropologia biologiczna zapewnia kontekst do identyfikacji przodków ludzkiego mikrobiomu. Te dyscypliny razem dają wgląd w mikrobiom jamy ustnej i mogą potencjalnie przyczynić się do przywrócenia i utrzymania zdrowia jamy ustnej w przyszłości.

Postęp techniki

Kamień nazębny

Od lat 80. dobrze wiadomo, że archeologiczny kamień nazębny zachowuje struktury komórkowe i bakterie jamy ustnej, ale nowe odkrycie dokonane w ostatniej dekadzie ujawniło, że kamień nazębny jest długoterminowym rezerwuarem DNA i białek. Ludzkie DNA w kamieniu nazębnym było początkowo celem PCR mitochondrialnego DNA (mtDNA), a następnie wnioskowania o haplogrupach lub konwencjonalnego klonowania i sekwencjonowania Sangera . Metagenomika Shotgun w połączeniu z technologią sekwencjonowania nowej generacji (NGS) dodatkowo potwierdziła, że ​​kamień nazębny zawiera DNA mitochondrialne i jądrowe. Kamień nazębny zazwyczaj zawiera 10–1000 razy więcej DNA niż kość lub zębina , co czyni go najbogatszym znanym źródłem aDNA , jednej z możliwych podwójnych spiralnych struktur DNA w zapisie archeologicznym. Archeologiczny kamień nazębny jest alternatywnym źródłem wysokiej jakości mitochondrialnego DNA, wystarczającego do pełnej rekonstrukcji mitogenomu. Ta rekonstrukcja może być następnie zastosowana do analizy przodków linii matczynej w celu określenia haplogrupy , identyfikując w ten sposób regiony geograficzne, w których osiedlili się przodkowie matki. Zastosowano również sekwencjonowanie białek, ujawniając funkcje bakterii, takie jak czynniki wirulencji, oraz ich interakcje z gospodarzem, które są żywe na podstawie starożytnego kamienia nazębnego. Proteomika ujawniła ponad 60 ludzkich białek pochodzących z kamienia nazębnego, takich jak białko wydzielane przez komórki dendrytyczne mieszków włosowych, alfa-amylaza I, hemoglobina itp. Metabolomika i badania lipidomiczne są wykorzystywane do określenia, jakie kategorie metaboliczne (aminokwasy, węglowodany, kofaktory i witaminy, energia, lipidy, kwasy nukleinowe, peptydy, ksenobiotyki) oraz źródło metabolitów (gospodarz, drobnoustroje, dieta) znajdują się w próbkach kamienia nazębnego. Wiele z tych nowo opracowanych technik wykorzystywanych do badania starożytnego kamienia nazębnego jest wciąż na wczesnym etapie i musi przezwyciężyć kilka ograniczeń, aby zapewnić dokładniejsze zrozumienie ewolucji mikrobiomu jamy ustnej. Niektóre przykłady tych ograniczeń to izolacja zanieczyszczonego DNA, poprawna identyfikacja starożytnych gatunków drobnoustrojów, identyfikacja i izolacja niebakteryjnego DNA, a także lepsze techniki statystyczne.

Różnorodność genetyczna

Profile mikrobiologiczne różnią się znacznie między płytką nazębną a kamieniem nazębnym, chociaż kamień nazębny tworzy się z płytki nazębnej. Profile białkowe i metaboliczne mają również odrębne funkcje taksonomiczne i metaboliczne między płytką nazębną a kamieniem nazębnym. Wraz z biofilmu w jamie ustnej zachodzą zmiany taksonomiczne spowodowane zmianami strukturalnymi i zasobnymi w biofilmie w czasie. Wcześni kolonizatorzy to zazwyczaj fakultatywne beztlenowce, które są sacharolityczne, jednak wraz ze wzrostem biofilmu i wyczerpywaniem się tlenu zwiększa się liczebność metanogenów i reduktorów siarczanów, a liczba wczesnych kolonizatorów maleje. Ta dojrzała społeczność biofilmu zachowała się w kamieniu nazębnym. Starożytny kamień nazębny często zawiera duże ilości bezwzględnych beztlenowców proteolitycznych , które przypominają dojrzały biofilm, w tym Tannerella, Porphyromonas , Methanobrevibacter i Desulfobulbus. Historyczne próbki kamienia nazębnego mają mniejszą różnorodność profili metabolitów (aminokwasy, węglowodany, kofaktory, witaminy, energia, lipidy, kwasy nukleinowe, peptydy), co sugeruje, że poszczególne fenotypy mogą zostać utracone w wyniku degradacji metabolitów w czasie. Jednym z problemów związanych z pobieraniem próbek starożytnego kamienia nazębnego jest to, że niewiele wiadomo na temat degradacji białek związanej z wiekiem. Lipidy są jednymi z najlepiej zachowanych metabolitów i są stabilne w czasie, co stanowi obiecujący przedmiot dalszych badań ewolucyjnych kamienia nazębnego. Fenyloalanina , bursztynian , hydrocynamon, kadaweryna i putrescyna to wszystkie markery metabolitów chorób przyzębia , które można znaleźć w kamieniu nazębnym. Skład bakteryjny starożytnego kamienia nazębnego jest podobny do współczesnego, z wyjątkiem większych ilości Bacillota i Actinomycetota . Ludzkie bakterie jamy ustnej przeszły wyraźną zmianę do konfiguracji związanej z chorobą wraz z przejściem od łowców-zbieraczy do rolnictwa we wczesnym neolicie , a następnie pozostały względnie spójne przez okres średniowiecza (~ 400 lat pne). W przeciwieństwie do tego współczesne środowisko jamy ustnej jest mniej zróżnicowane i zawiera wysoki poziom bakterii próchnicotwórczych, takich jak S. mutans.

Link do zdrowia i chorób

Zdrowy vs choroba przyzębia

Ludzka mikrobiota odgrywa kluczową rolę w zdrowiu i chorobach, a zakłócenie mikrobiomu prowadzi do dysbiozy (zależność między mikrobiomem a żywicielem jest powiązana z chorobami itp.). W przeciwieństwie do innych ludzkich mikrobiomów, mikrobiom jamy ustnej jest w stanie dysbiozy, powodując choroby u większości ludzi w ciągu ich życia. Ludzki mikrobiom jamy ustnej od dawna służy jako zbiornik dla szerokiej gamy patogenów oportunistycznych zaangażowanych zarówno w choroby miejscowe, jak i ogólnoustrojowe. Mikrobiom jamy ustnej zawiera również różnorodne geny przypuszczalnie oporne na antybiotyki. Bogactwo białek układu odpornościowego, zarówno zapalnych ( mieloperoksydaza , azurocidyna , lizozym , kalprotektyna, elastaza ), jak i przeciwzapalnych ( α-1-antytrypsyna i α-1-antychymotrypsyna) znajduje się w starożytnym kamieniu nazębnym. Ta konserwacja białek układu odpornościowego silnie wspiera ich rolę w stanach zapalnych i chorobach przyzębia. Próchnica zębów (próchnica) i choroby przyzębia były rzadkie w przedneolitycznych społeczeństwach łowców-zbieraczy. Oba wzrosły po przejściu na dietę rolniczą, co sugeruje, że miał duży wpływ na mikrobiom jamy ustnej człowieka. Populacje hodowlane zawierały więcej taksonów związanych z chorobami przyzębia, takich jak P. gingivalis , Tannerella i Treponema . Tannerella forsycja jest najbardziej rozpowszechnionym ludzkim patogenem jamy ustnej znalezionym do tej pory w starożytnym kamieniu nazębnym.

forsycja Tannerella

Tannerella forsythia jest bakterią beztlenową l związaną z chorobami przyzębia. Wysoka konserwacja katabolizmu kwasu sialowego i operonu transportowego u T. forsythia ilustruje specyficzną dla człowieka adaptację wynikającą z bliskiego związku z ludzkim żywicielem. Uważa się, że T. forsycja ewoluowała razem z ludźmi. Stare próbki kamienia nazębnego zawierające T. forsythia zawierają większe ilości gatunków związanych z zapaleniem przyzębia niż próbki, które nie zawierają T. forsythia. Te próbki zawierające T. forsythia wykazują również utratę kości w obszarach zębów, co wskazuje na zaawansowane zapalenie przyzębia. Genomy T. forsythia mają duże podobieństwo sekwencji; jednak niektóre wirulencją różnią się znacznie między współczesnymi i starożytnymi T. forsythia. Białka warstwy S T. forsythia mają kluczowe znaczenie dla unikania odporności gospodarza i koagregacji biofilmu. W starożytnym kamieniu nazębnym sekwencje genu i białka warstwy S były liczne i dobrze zachowane, co czyniło je celem do badania ewolucji patogenezy przyzębia u ludzi.