Эволюция микробиома полости рта человека
Эволюция микробиома полости рта человека — это изучение микроорганизмов в полости рта и того, как они адаптировались с течением времени. Недавние достижения в древних стоматологических исследованиях дали представление об эволюции микробиома полости рта человека. [1] Благодаря этим методам теперь известно, какие классы метаболитов сохранились, а также разница в генетическом разнообразии, существующая от древней до современной микробиоты. [2] Отношения между микробиотой полости рта и человеком-хозяином изменились, и этот переход может быть напрямую связан с распространенными заболеваниями в эволюционном прошлом человека. [3] Эволюционная медицина обеспечивает основу для переоценки здоровья и болезней полости рта, а биологическая антропология обеспечивает контекст для идентификации предкового микробиома человека. [1] Вместе эти дисциплины дают представление о микробиоме полости рта и потенциально могут способствовать восстановлению и поддержанию здоровья полости рта в будущем. [1]
Технические достижения
[ редактировать ]
С 1980-х годов было хорошо известно, что археологический зубной камень сохраняет клеточные структуры и бактерии полости рта, но новое открытие, сделанное за последнее десятилетие, показало, что зубной камень является долговременным резервуаром ДНК и белков. [1] ДНК человека в зубном камне первоначально была мишенью для ПЦР- амплификации митохондриальной ДНК (мтДНК) с последующим либо выводом гаплогрупп, либо традиционным клонированием и секвенированием по Сэнгеру . [4] дробовика Метагеномика в сочетании с технологией секвенирования нового поколения (NGS) еще раз подтвердила, что зубной камень содержит митохондриальную и ядерную ДНК. [4] Зубной камень обычно содержит в 10–1000 раз больше ДНК, чем кость или дентин , что делает его самым богатым известным источником адДНК , одной из возможных двойных спиральных структур ДНК, в археологических данных. [1] [4] Археологический зубной камень является альтернативным источником высококачественной митохондриальной ДНК, достаточной для полной реконструкции митогенома. [4] Эту реконструкцию затем можно применить к анализу предков по материнской линии, чтобы определить гаплогруппу и таким образом определить, в каких географических регионах поселились предки по материнской линии. [4] [5] Также было применено секвенирование белков, выявившее жизнеспособность бактериальных функций, таких как факторы вирулентности и их взаимодействие с хозяином, исходя из древних зубных камней. [5] Протеомика выявила более 60 белков человека, происходящих из зубного камня, таких как белок, секретируемый фолликулярными дендритными клетками, альфа-амилаза I, гемоглобин и т. д. [4] Метаболомические и липидомные исследования используются для определения того, какие метаболические категории (аминокислоты, углеводы, кофакторы и витамины, энергия, липиды, нуклеиновые кислоты, пептиды, ксенобиотики) и источник метаболитов (хозяин, микробы, диета) обнаруживаются в образцах зубного камня. . [6] Многие из этих недавно разработанных методов, используемых для изучения древних зубных камней, все еще находятся на ранних стадиях своего развития, и им необходимо преодолеть ряд ограничений, чтобы обеспечить более точное понимание эволюции микробиома полости рта. Некоторыми примерами этих ограничений являются выделение загрязняющей ДНК, правильная идентификация древних видов микробов, идентификация и выделение небактериальной ДНК, а также более совершенные статистические методы. [7]
Генетическое разнообразие
[ редактировать ]и зубных камней значительно различается, Микробный профиль зубных бляшек хотя зубной камень образуется из зубного налета. [8] Белковые и метаболические профили также имеют различные таксономические и метаболические функции между зубными бляшками и зубными камнями. [8] По мере развития биопленки полости рта происходят таксономические сдвиги из-за структурных и ресурсных изменений биопленки с течением времени. [8] Ранние колонизаторы обычно представляют собой факультативные анаэробы, обладающие сахаролитическим действием, однако по мере роста биопленки и истощения кислорода численность метаногенов и сульфатредукторов увеличивается, а количество ранних колонизаторов уменьшается. [8] Это созревшее сообщество биопленок сохраняется в зубном камне. [8] Древние зубные камни часто содержат большое количество протеолитических облигатных анаэробов, напоминающих зрелую биопленку, включая , Porphyromonas , Methanobrevibacter и Tannerella Desulfobulbus. [8] [3] Исторические образцы конкрементов имеют меньшее разнообразие профилей метаболитов (аминокислоты, углеводы, кофакторы, витамины, энергия, липиды, нуклеиновые кислоты, пептиды), что позволяет предположить, что отдельные фенотипы могут быть потеряны в результате деградации метаболитов с течением времени. [6] Одна из проблем с отбором проб древних зубных камней заключается в том, что мало что известно о возрастной деградации белка. [6] Липиды являются одними из наиболее хорошо сохранившихся метаболитов и стабильны с течением времени, что делает их перспективным направлением для дальнейших эволюционных исследований зубного камня. [6] Фенилаланин , сукцинат , гидроциннимат, кадаверин и путресцин являются метаболитными маркерами заболеваний пародонта , которые можно обнаружить в зубных камнях. [6] Бактериальный состав древних зубных камней аналогичен современному, но за исключением более высокого содержания Bacillota и Actinomycetota . [9] Бактерии полости рта человека претерпели явный сдвиг в конфигурацию, связанную с болезнями, с переходом от охотников-собирателей к земледелию в раннем неолите , а затем оставались относительно постоянными в течение средневекового периода (~ 400 лет назад). [9] Напротив, современная среда полости рта менее разнообразна и содержит высокий уровень кариесогенных бактерий, таких как S. mutans. [9]
Связь со здоровьем и болезнями
[ редактировать ]
Микробиота человека играет центральную роль в здоровье и заболеваниях, а нарушение микробиома приводит к дисбактериозу (отношения между микробиотой и хозяином связаны с болезнями и т. д.). [10] В отличие от других микробиомов человека, микробиом полости рта находится в состоянии дисбактериоза, вызывающего заболевания у большинства людей в течение жизни. [3] Микробиом ротовой полости человека уже давно служит резервуаром для хранения широкого спектра условно-патогенных микроорганизмов, участвующих как в местных, так и в системных заболеваниях. [3] Микробиом полости рта также содержит множество генов предполагаемой устойчивости к антибиотикам. [3] множество белков иммунной системы, как воспалительных ( миелопероксидаза , азуроцидин , лизоцим , кальпротектин, эластаза ), так и противовоспалительных ( α-1-антитрипсин и α-1-антхимотрипсин). В древних зубных камнях обнаружено [3] Эта консервация белков иммунной системы убедительно подтверждает их роль в воспалениях и заболеваниях пародонта. [3] Кариес зубов (кариес) и заболевания пародонта были редкостью в донеолитических обществах охотников-собирателей. [9] Оба этих показателя увеличились после перехода на сельскохозяйственную диету, что указывает на серьезное влияние на микробиом полости рта человека. [9] В фермерских популяциях содержалось больше таксонов, связанных с заболеваниями пародонта, таких как P. gingivalis , Tannerella и Treponema . [9] Tannerella forsythia на сегодняшний день является наиболее распространенным патогеном полости рта человека, обнаруженным в древних зубных камнях. [2]
Таннерелла форзиция
[ редактировать ]Tannerella forsythia представляет собой анаэробный вид бактерий , вызывающий заболевания пародонта. [11] Высокая консервативность оперона катаболизма и транспорта сиаловой кислоты у T. forsythia иллюстрирует специфичную для человека адаптацию вследствие тесной связи с человеком-хозяином. [12] T. forsythia Считается, что эволюционировала одновременно с человеком. [12] Образцы древних зубных камней, содержащие T. forsythia, содержат большее количество видов, связанных с пародонтитом, чем образцы, не содержащие T. forsythia. [2] Эти образцы, содержащие T. forsythia, также имеют потерю костной массы в областях зубов, что указывает на прогрессирующий пародонтит. [2] Геномы T. forsythia имеют высокое сходство последовательностей; однако некоторые гены, связанные с вирулентностью , значительно различаются у современных и древних T. forsythia. [2] Белки S-слоя T. forsythia имеют решающее значение для уклонения от иммунного ответа хозяина и совместной агрегации биопленок. [3] В древних зубных камнях гены и белковые последовательности S-слоя были в изобилии и хорошо сохранились, что делало их мишенью для изучения эволюции патогенеза пародонта у людей. [3]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и Вариннер, Кристина (июль 2016 г.). «Зубной камень и эволюция микробиома полости рта человека» . Журнал Калифорнийской стоматологической ассоциации . 44 (7): 411–420. дои : 10.1080/19424396.2016.12221034 . hdl : 11858/00-001M-0000-002B-5472-7 . ISSN 1043-2256 . ПМИД 27514153 . S2CID 35175328 .
- ^ Jump up to: а б с д и Филлипс, Анна; Столарек, Иренеуш; Хандшу, Луиза; Новис, Катажина; Юрас, Анна; Тшчинский, Давид; Новачевска, Виолетта; Вжесиньска, Анна; Потемпа, Джон; Фиглерович, Марек (15 июня 2020 г.). «Анализ микробиома ротовой полости ископаемых человеческих останков выявил существенные различия в факторах вирулентности современной и древней Tannerella forsythia» . БМК Геномика . 21 (1): 402. doi : 10.1186/s12864-020-06810-9 . ISSN 1471-2164 . ПМЦ 7296668 . ПМИД 32539695 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Вариннер, Кристина; Родригеш, Жоау Ф. Матиас; Вяс, Рунак; Траксел, Кристиан; Швед, Наталья; Гроссманн, Йонас; Радини, Анита; Хэнкок, Ю; Тито, Рауль Ю; Фиддимент, Сара; Спеллер, Камилла (апрель 2014 г.). «Патогены и иммунитет хозяина в полости рта древнего человека» . Природная генетика . 46 (4): 336–344. дои : 10.1038/ng.2906 . hdl : 10550/42064 . ISSN 1061-4036 . ПМЦ 3969750 . ПМИД 24562188 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Озга, Эндрю Т.; Ньевес-Колон, Мария А.; Хонап, Танви П.; Шанкаранараянан, Критивасан; Хофман, Кортни А.; Милнер, Джордж Р.; Льюис, Сесил М.; Стоун, Энн К.; Вариннер, Кристина (июнь 2016 г.). «Успешное обогащение и восстановление целых митохондриальных геномов из зубного камня древнего человека» . Американский журнал физической антропологии . 160 (2): 220–228. дои : 10.1002/ajpa.22960 . ISSN 0002-9483 . ПМЦ 4866892 . ПМИД 26989998 .
- ^ Jump up to: а б Эйзенхофер, Рафаэль; Андерсон, Атолл ; Добни, Кейт; Купер, Алан; Вейрих, Лаура С. (3 апреля 2019 г.). «ДНК древних микробов в зубном камне: новый метод изучения событий быстрой миграции человека» . Журнал островной и прибрежной археологии . 14 (2): 149–162. дои : 10.1080/15564894.2017.1382620 . ISSN 1556-4894 . S2CID 91059329 .
- ^ Jump up to: а б с д и Вельско Ирина М.; Овермайер, Кэтрин А.; Спеллер, Камилла; Клаус, Лорен; Коллинз, Мэтью Дж.; Ло, Луиза; Франц, Лоран А.Ф.; Шанкаранараянан, Критивасан; Льюис, Сесил М.; Мартинес, Хуан Баутиста Родригес; Чавес, Эрос (3 октября 2017 г.). «Метаболом зубного камня в современных и исторических образцах» . Метаболомика . 13 (11): 134. дои : 10.1007/s11306-017-1270-3 . ISSN 1573-3890 . ПМК 5626792 . ПМИД 29046620 .
- ^ Вейрих, Лаура С. (февраль 2021 г.). «Эволюционная история микробиоты полости рта человека и ее значение для современного здоровья» . Пародонтология 2000 . 85 (1): 90–100. дои : 10.1111/прд.12353 . ISSN 0906-6713 . ПМИД 33226710 . S2CID 227132686 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Вельско Ирина М.; Товарищи Йейтс, Джеймс А.; Арон, Франциска; Хаган, Ричард В.; Франц, Лоран А.Ф.; Ло, Луиза; Мартинес, Хуан Баутиста Родригес; Чавес, Эрос; Госден, Крис; Ларсон, Грегер; Вариннер, Кристина (6 июля 2019 г.). «Микробные различия между зубными бляшками и историческим зубным камнем связаны со стадией созревания биопленки полости рта» . Микробиом . 7 (1): 102. дои : 10.1186/s40168-019-0717-3 . ISSN 2049-2618 . ПМК 6612086 . ПМИД 31279340 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Адлер, Кристина Дж; Добни, Кейт; Вейрих, Лаура С; Кайдонис, Джон; Уокер, Алан В.; Хаак, Вольфганг; Брэдшоу, Кори Дж. А.; Таунсенд, Грант; Солтысяк, Аркадиуш; Альт, Курт В; Паркхилл, Джулиан (апрель 2013 г.). «Секвенирование древних кальцинированных зубных бляшек показывает изменения в микробиоте полости рта в результате изменений в питании во время неолитической и промышленной революций» . Природная генетика . 45 (4): 450–455д1. дои : 10.1038/ng.2536 . ISSN 1061-4036 . ПМЦ 3996550 . ПМИД 23416520 .
- ^ Вариннер, Кристина; Спеллер, Камилла; Коллинз, Мэтью Дж. (19 января 2015 г.). «Новая эра в палеомикробиологии: перспективы древнего зубного камня как долговременной записи микробиома полости рта человека» . Философские труды Королевского общества B: Биологические науки . 370 (1660): 20130376. doi : 10.1098/rstb.2013.0376 . ПМЦ 4275884 . ПМИД 25487328 .
- ^ «Tannerella forsythia» , Arc.Ask3.Ru , 24 февраля 2021 г. , дата обращения 24 марта 2021 г.
- ^ Jump up to: а б Стаффорд, Дж; Рой, С; Хонма, К; Шарма, А. (февраль 2012 г.). «Сиаловая кислота, пародонтопатогены и Tannerella forsythia: оставайтесь рядом и наслаждайтесь праздником!» . Молекулярная оральная микробиология . 27 (1): 11–22. дои : 10.1111/j.2041-1014.2011.00630.x . ISSN 2041-1006 . ПМК 4049603 . ПМИД 22230462 .