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Science:微生物与人类共同进化

摘要 : 一项新的研究提示,现代人和猿类并非简单地从环境中得到其肠道细菌,这些细菌在人科动物体内与宿主共同演化了数百万年之久,它们帮助塑造了我们的免疫系统。

不同类型的消化道微生物与人类共同进化了数百万年。图片来源:J. Luecke/ 得克萨斯大学

2016年7月22日,国际顶尖学术期刊《Science》杂志上在线发表了奥斯汀得克萨斯大学Andrew Moeller研究组的一盘研究论文,论文报道了微生物能够很好地适应人类的消化道,帮助训练我们的免疫系统,指导肠道的发育,甚至调节人类的情绪和行为。

现代人和猿类并非简单地从环境中得到其肠道细菌,这些细菌在人科动物体内与宿主共同演化了数百万年之久,它们帮助塑造了我们的免疫系统。这些结果为了解我们与我们体内微生物间组成独特共生关系的演化过程研究做好了准备。生活在我们肠道内的细菌是如何到达肠道的仍然不为人知。科学家们尤其不清楚在影响肠道微生物组成中共生现象起着什么作用。为了对这一问题提供更多线索,Andrew Moeller等人在此研发了一种旨在比较粪便样本中快速演化细菌基因序列的方法,他们将这种方法应用于坦桑尼亚的黑猩猩、刚果民主共和国的倭黑猩猩、喀麦隆的大猩猩以及美国人的样本。这让他们能比较数个细菌世系的族谱,并最终发现,它们与其宿主的演化模式密切吻合。更重要的是,研究人员发现,某个宿主独特的细菌种类很少会转移到其它宿主体内。这表明,细菌以独特方式随着宿主演化,生活在当今人类体内的肠道细菌是祖先细菌共生体的后代。

人类并不是独自进化的。根据一项新的研究,数十万亿的微生物从史前猿人阶段便开始伴随着人类,并一路进化而来。但是这项研究也发现,人类同时也失去了一些依然存在于类人猿表亲体内的古代微生物,这或许可以解释一些人类疾病,甚至肥胖和精神疾病的来源。

研究人员已经知道,人类和其他类人猿携带了许多类型的细菌,特别是在消化道中,这些细菌被称为微生物组。然而这些微生物从何而来——是从人类的远古祖先那里,还是源于周围的环境?一项对所有哺乳动物的粪便细菌进行的研究显示,与从环境中获得微生物相比,继承微生物要容易得多。然而其他研究则表明,食物在塑造人类消化道细菌方面起到了重要作用。

为了找到问题的答案,Andrew Moeller将目光投向了野生类人猿。作为其博士论文的一部分,这位如今身为美国加利福尼亚大学伯克利分校博士后的进化生物学家,研究了从47只坦桑尼亚黑猩猩、24只刚果民主共和国倭黑猩猩、24只喀麦隆大猩猩和16名康涅狄格州人的粪便样本中分离的消化道细菌。

在这些样本中,Moeller与奥斯汀得克萨斯大学的同事比较了类人猿以及人类消化道细菌中一种常见的快速进化基因的脱氧核糖核酸(DNA)序列。研究人员随后将不同的DNA基因序列添加到系谱图中。

事实证明,人类消化道中的大部分细菌已经伴随我们进化了很长时间。Moeller发现,在类人猿和人类的3个主要消化道细菌家族中,有两个的起源可以回溯到距今1500多万年前的一个共同祖先,而不是来自于周围的环境。但是随着不同种类的类人猿从这个祖先那里逐渐分化,它们的消化道细菌也分化为新的菌株,并平行地开始协同进化,以适应不同的饮食、栖息地,以及宿主的胃肠道疾病。

该项目负责人、得克萨斯大学进化生物学家Howard Ochman表示:“令人惊讶的是我们的消化道菌群——我们可以从环境中的许多来源得到它们,事实上在这么长的时间里一直在我们身体内部共同进化着。”

研究人员发现,在类人猿物种分化后,一些类人猿失去了在其他类人猿体内存在的独特菌群,这可能也是适应宿主的另一个标志。

在最终的试验里,研究人员对人类微生物组进行了更深入的研究。他们比较了在所有类人猿中分析的相同DNA序列,但这一次仅限于康涅狄格州人与非洲的马拉维人。研究人员发现,来自这些非洲人的菌株与美国人的菌株在170万年前便已背道而驰,后者则与那些最早走出非洲的人类祖先相一致。Moeller表示,这意味着消化道细菌能够被用来追踪早期人类与动物的迁徙情况。

有趣的是,美国人体内缺乏一些在马拉维人以及在大猩猩与黑猩猩体内发现的菌株,这符合在工业化社会中观察到的人体消化道微生物多样性的普遍减少,或许是食物及抗生素的使用造成了这一改变。

并未参与该项研究的加利福尼亚州帕洛阿尔托市斯坦福大学Justin Sonnenburg认为,这项研究“向着摸清人类微生物群的共同进化历史迈出了意义重大的一步”。Sonnenburg说:“它完美地表明,在数百万年里,消化道微生物是一代代垂直传递的。”

纽约大学微生物学家Martin Blaser对此表示赞同。他说:“传播的路径从母类人猿到幼类人猿至少经历了几十万代。”

然而在其他类人猿中存在但却消失于人体的一些菌株为人类的健康亮起了红灯。Blaser说:“如果一名孕妇在怀孕期间服用了抗生素将会怎样?如果她在分娩的时候服用又会怎样?”

“我们正在了解消化道微生物对于我们的健康有多么重要。”Sonnenburg说,“这些发现对于我们搞清真正健康的微生物组到底应该是什么样的具有重要意义。”

原文链接:

Cospeciation of gut microbiota with hominids

原文摘要:

 

The evolutionary origins of the bacterial lineages that populate the human gut are unknown. Here we show that multiple lineages of the predominant bacterial taxa in the gut arose via cospeciation with humans, chimpanzees, bonobos, and gorillas over the past 15 million years. Analyses of strain-level bacterial diversity within hominid gut microbiomes revealed that clades of Bacteroidaceae and Bifidobacteriaceae have been maintained exclusively within host lineages across hundreds of thousands of host generations. Divergence times of these cospeciating gut bacteria are congruent with those of hominids, indicating that nuclear, mitochondrial, and gut bacterial genomes diversified in concert during hominid evolution. This study identifies human gut bacteria descended from ancient symbionts that speciated simultaneously with humans and the African apes.

来源: Science 浏览次数:27

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