Science: 5300年前的病原体基因组
2016/01/12
本周的Science 和Nature相继报道科研人员从距今5000多年前的冰木乃伊中提取了最古老的病原体全基因组。该研究登载在1月7日的Science上。


本周的Science 和Nature相继报道科研人员从距今5000多年前的冰木乃伊中提取了最古老的病原体全基因组。该研究登载在1月7日的Science上。

“冰人”Ötzi在大约5300年前,意大利的阿尔卑斯山脉被谋杀。他的死因一直被认为是在背后的箭头,但研究人员发现他受多种健康问题、包括胃病的困扰。他的胃里不是普通的消化道菌群。这个古代的农民感染了一种特殊的幽门螺杆菌的古老菌株,和现代亚洲菌株最为相似。通过对这个可以在今天可以引起溃疡的古老病原体的基因组进行测序,研究人员已经获得关于Ötzi自己历史上的一个惊人的发现:他的祖先遗传的细菌来自亚洲而不是非洲,说明早期欧洲农民的前驱在他们迁移到欧洲前与亚洲人有亲密的接触。


“冰人”Ötzi复原图

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幽门螺杆菌起源传播假说

幽门螺杆菌可能是感染人类最成功的细菌,潜伏在几乎一半人的肠胃道中。它会引起溃疡、癌症,在10%的人中引起胃炎。它可以持续潜伏几十年。这种微生物在人类的消化道定居生活中有至少10万年了。基于它今天存在的多样性,这些菌株在世界各地,分为七个不同的细菌种群的。虽然幽门螺旋杆菌很可能起源于非洲,并由现代人类携带,因为他们在世界各地定居。不同类型的这种微生物如何在全球范围内传播,以及它们是如何相互关联的一直是一个谜。

在今天的欧洲,例如,最常见的类型(称为hpEurope)的DNA与来自非洲和亚洲的幽门螺杆菌类型有相同的元素。这说明这种欧洲的类型是古老的,在中东或其他亚洲的岔路口,超过10000年前进化而来的。这可能发生在一些不幸的人中,被感染了非洲和亚洲的两种类型。两种菌株杂交成一个新的类型。这种新类型在人类移居欧洲之前,大约在农业革命8000年左右前,就蔓延开了。

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“冰人”Ötzi带来的机会

然而,没有古老的胃组织样本就没有任何方法来检验这一想法。Ötzi,在冰雪中埋了千百年,只是在1991当冰融化时由徒步旅行者发现。他胃成像的检测结果仍然保留着,这给了在意大利的Bozen/Bolzano欧洲学院(EURAC)研究人员机会。在12次活检中,他保存得非常好的消化道组织(和胃内容物)能够分离出足够的细菌DNA序列,以比较高的分辨率来对5300年前的幽门螺杆菌基因组测序,这就是1月7日在Science上的报告。

当他们比较Ötzi与来自世界各地其他类型的幽门螺杆菌的基因组,他们得到了一个惊喜:Ötzi的类型和一个来自亚洲的类型非常相似,而不是那些今天发现在欧洲或非洲的类型。这不仅为Ötzi的健康,而且为他的祖先的迁徙路线提供了见解。Ötzi自己的DNA最接近来自中东的早期欧洲农民。但他的幽门螺杆菌最接近今天在印度和南亚的,在hpEurope类群中聚集在一起的菌株。

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古病原菌的DNA要少于现代株

在EURAC微生物生态学家作者Frank Maixner说明,从非洲的幽门螺杆菌来源的今天的hpEurope比Ötzi的亚洲的菌株有更多的DNA。他说,这意味着一个新的场景:祖先早期欧洲农民,如Ötzi,也许在他们迁移到欧洲前,在中东就携带来自亚洲的幽门螺杆菌DNA。然后,在Ötzi生活之后的时代,携带非洲微生物菌株的新移民到达欧洲。这2种类型的微生物混合在这些移民中,创造了今天的欧洲菌株DNA比预期的要多得多。

这个结果是很重要的,因为它表明如幽门螺杆菌的细菌可比预期快得多地进化和适应新的人群,带来让人类痛苦的后果。Oklahoma大学的Christina Warinner说:“这和最近的一个古基因研究相似的令人惊讶的结果是,许多遗传性状和微生物菌株,被认为是非常古老的,实际上是和最近的很相似。”

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带来新的微生物不用重大迁移

这项发现也显示,带来新的微生物不用重大迁移。这个欧洲菌株可能在大陆上还没有遇到那个主要的,大家都知道的来自非洲的新移民浪潮;然后可能是由几个个体同时感染两株菌株,产生特别的适应混合型,在欧洲迅速蔓延。

Maixner说:“两种类型的幽门螺杆菌重组可能只发生在Ötzi的时代之后,这表明欧洲移居的历史是比以前认为的复杂得多。”

英国Swansea大学的统计遗传学家Daniel Falush说:“这表明有一个非洲血统的幽门螺杆菌,有非常大的传播优势,在欧洲传播得比我们预期的要快。”为什么它如此迅速地蔓延是一个谜。他推测也许是靠饮食的变化,农业让人们定居在近距离比狩猎采集者易于传播,或者是较差的卫生帮助它传播。

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炎症相关蛋白的表达

研究小组还发现,Ötzi,当时是在他40岁的时候,幽门螺杆菌感染有足够长的时间以至于消化道退微生物有反应:他的组织呈现22个与炎症有关的蛋白的表达。他可能有胃炎或溃疡。但他不是太虚弱,当他死时肚子里装满了高山野山羊肉。Maixner说:“他吃了很多!”

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该研究解决的重要问题

Daniel Falush说这项研究解决了一个重要的问题是,现代欧洲人携带的混合幽门螺杆菌菌株是什么时候出现的。目前尚不清楚另一个北非的幽门螺旋菌菌株如何传播到欧洲。Falush开玩笑:“一些在尼罗河居住的法老可能传播了它。”

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