Genetyczne tajemnice zębów sprzed 4000 lat podkreślają wpływ zmiany diety człowieka na przestrzeni wieków

Naukowcy z Trinity College w Dublinie odzyskali znakomicie zachowane mikrobiomy z dwóch zębów sprzed 4000 lat znalezionych w irlandzkiej jaskini wapiennej. Analizy genetyczne tych drobnoustrojów ujawniają główne zmiany w mikrośrodowisku jamy ustnej od epoki brązu do czasów współczesnych. Zęby należą do tej samej osoby płci męskiej i stanowią również migawkę stanu jego zdrowia jamy ustnej.

Badania przeprowadzone we współpracy z archeologami z Technological University of the Atlantic i University of Edinburgh wykazały, że opublikowany W Biologia molekularna i ewolucja. Naukowcy zidentyfikowali kilka bakterii powiązanych z chorobami dziąseł i zaprezentowali pierwszy wysokiej jakości starożytny genom Streptococcus mutans, odpowiedzialnego głównie za próchnicę zębów.

Chociaż S. mutans jest bardzo powszechny we współczesnych ustach, w starożytnych zapisach genomicznych występuje bardzo rzadko. Jednym z powodów może być kwasotwórczy charakter tych gatunków. Kwas ten powoduje próchnicę zębów, ale niszczy także DNA i zapobiega twardnieniu płytki nazębnej. Chociaż większość starożytnych drobnoustrojów jamy ustnej ekstrahuje się ze skamieniałej płytki nazębnej, to badanie dotyczyło bezpośrednio zębów.

Innym powodem rzadkości występowania S. mutans w starożytnych ustach może być brak odpowiedniego siedliska dla tego kochającego cukier gatunku. Dane archeologiczne odnotowują niewielki wzrost liczby próchnicy zębów po przyjęciu uprawy zbóż tysiące lat temu, ale najbardziej dramatyczny wzrost nastąpił dopiero w ciągu ostatnich kilkuset lat, kiedy do mas wprowadzono słodką żywność.

Pobrane zęby stanowiły część większego zespołu szkieletowego odkrytego w Kilora Cave w hrabstwie Limerick przez nieżyjącego już Petera Woodmana z University College Cork. Podczas gdy inne zęby w jaskini wykazywały zaawansowaną próchnicę, na pobranych zębach nie pojawiły się żadne ubytki. Jednakże jeden ząb wytworzył niespotykaną dotąd ilość DNA S. mutans, co jest oznaką poważnego braku równowagi w społeczności drobnoustrojów jamy ustnej.

„Byliśmy bardzo zaskoczeni, widząc tak dużą liczebność S. mutans w wieku 4000 lat” – powiedziała dr Lara Cassidy, profesor nadzwyczajny w Trinity College of Genetics and Microbiology i główna autorka badania. „To niezwykle rzadkie odkrycie i wskazuje, że u tego mężczyzny bezpośrednio przed śmiercią występowało wysokie ryzyko rozwoju próchnicy”.

Naukowcy odkryli również, że w zębach praktycznie nie było innych gatunków Streptococcus. Sugeruje to, że normalna równowaga biofilmu w jamie ustnej została zakłócona, ponieważ mutanty konkurują z innymi paciorkowcami, co skutkuje stanem przedpatologicznym.

Zespół znalazł także dowody potwierdzające hipotezę o „znikającym mikrobiomie”, która sugeruje, że współczesne mikrobiomy są mniej zróżnicowane niż mikrobiomy naszych przodków. Jest to powód do niepokoju, ponieważ utrata różnorodności biologicznej może mieć wpływ na zdrowie ludzkie. Zęby z epoki brązu wytwarzały bardzo zróżnicowane szczepy Tannerella forsythia, bakterii odpowiedzialnej za choroby dziąseł.

„Te szczepy pochodzące z jednej starożytnej jamy ustnej różniły się od siebie bardziej genetycznie niż jakakolwiek para współczesnych szczepów w naszym zestawie danych, pomimo współczesnych okazów pobranych z Europy, Japonii i Stanów Zjednoczonych” – wyjaśniła dr Iseult Jackson. kandydatka w Trinity i pierwsza autorka badania. „Oznacza to znaczną utratę różnorodności, którą musimy lepiej zrozumieć”.

Bardzo niewiele kompletnych genomów zostało odzyskanych z bakterii jamy ustnej sprzed epoki średniowiecza. Charakteryzując różnorodność prehistoryczną, autorzy byli w stanie ujawnić dramatyczne zmiany w mikrośrodowisku jamy ustnej, które zaszły od tego czasu.

Dr Cassidy dodała: „W ciągu ostatnich 750 lat pojedynczy szczep T. forsythia stał się dominujący na całym świecie. Jest to wyraźna oznaka doboru naturalnego, w którym częstotliwość występowania jednego szczepu gwałtownie wzrasta ze względu na pewną przewagę genetyczną, jaką ma nad innymi szczepami .” „. Szczepy T. forsythia począwszy od epoki przemysłowej zawierają wiele nowych genów, które pomagają bakteriom kolonizować jamę ustną i powodować choroby.

„S. mutans również przeszedł niedawną ekspansję linii i zmiany w zawartości genów związane z patogenicznością. Zbiega się to z masowym spożyciem cukru przez ludzi, chociaż odkrywamy, że współczesne populacje S. mutans pozostały bardziej zróżnicowane, z głębokimi podziałami w S. mutans drzewo.” „Mutant ewolucyjny, który poprzedza genom Killrag”.

Naukowcy uważają, że wynika to z różnic w mechanizmach ewolucyjnych kształtujących różnorodność genomów tych gatunków.

„S. mutans jest bardzo biegły w wymianie materiału genetycznego między szczepami” – stwierdziła dr Cassidy. „Oznacza to, że użyteczna innowacja może rozprzestrzeniać się w liniach S. mutans niczym nowa technologia. Ta zdolność do łatwego dzielenia się innowacjami może wyjaśniać, dlaczego gatunki te utrzymują tak wiele różnorodnych linii rodowych, przy czym żadna nie staje się dominująca i nie wypiera wszystkich pozostałych”.

W rzeczywistości te dwie chorobotwórcze bakterie zmieniły się dramatycznie od epoki brązu do czasów współczesnych, ale wydaje się, że niedawne zmiany kulturowe epoki przemysłowej wywarły na nie nadmierny wpływ.