Ancient human faeces reveal gut microbes of the past

远古人类的粪便揭示了过去的肠道微生物

人们越来越认识到肠道微生物是如何塑造健康和疾病的。现在，一项对古代人类粪便的研究揭示了肠道微生物种群在过去2000年里是如何变化的。

寄生在人体肠道内的微生物细胞，统称为肠道菌群或微生物群，对我们的代谢和免疫系统生物学有关键影响。许多微生物代代相传。然而，肠道微生物群(通过分析粪便中的微生物DNA来追踪)可能会在几天到几个月的特定事件中发生根本的改变，比如移民到另一个国家或抗生素治疗。定义哪些微生物曾经是我们进化史的一部分，后来又消失了，这可能为理解微生物和人类健康之间的关系提供了关键。通过DNA测序研究1000 - 2000年前人类粪便样本的微生物群，这项研究为工业化之前的肠道微生物提供了有价值的见解。通过DNA测序研究1000 - 2000年前人类粪便样本的微生物群，这项研究为工业化之前的肠道微生物提供了有价值的见解。

人体微生物组是我们生物学中具有可塑性的组成部分，可以适应特定的环境，例如显示与食物供应相对应的季节性变化。虽然这种延展性为治疗与微生物群有关的人类疾病提供了一个潜在的途径，但它也是一种脆弱性。工业化生活的许多方面，如抗生素的使用和缺乏纤维的西方饮食，对肠道微生物都有负面影响。

随着社会工业化，工业化前哪些核心微生物以及相关的功能消失了? 某些广泛的细菌类群（称为“易变和/或与人类工业化社会负相关的分类群）在当今生活在传统生活方式中的土著居民中非常普遍，但在工业化人口中很少或不存在。还有许多细菌类群（称为“城市化/现代化社会中的开花或选择”（BloSSUM）类群）具有相反的模式。到目前为止，今天的非工业化人口是否拥有与生活在数千年前的人类相似的微生物群仍然是一个悬而未决的问题。

Wibowo等人报告了从美国西南部和墨西哥采集的15个古粪便样本的DNA测序分析。其中7个样本被排除在进一步研究之外，因为DNA质量差或土壤污染的证据，或者因为发现样本来自犬宿主。剩下的8个样本的年龄是用碳定年法确定的，对DNA损伤的分析显示出的特征证实了材料的古老(古代DNA具有降解的特殊特征)。这些样本的人类起源通过对古粪便中存在的饮食残留物的显微镜分析和人类线粒体DNA的证据得到了证实。这些样本的人类起源通过对古粪便中存在的饮食残留物的显微镜分析和人类线粒体DNA的证据得到了证实。

通过对古粪便中存在的饮食残渣进行显微镜分析和人类线粒体DNA证据，验证了这些样本的人类起源。在498个重建的微生物基因组中，共有181个属于肠道来源，具有广泛的DNA损伤，与古代起源一致，39%的古代基因组提供了新发现物种的证据。

Wibowo和他的同事将他们从古代肠道样本中获得的数据与从工业化和非工业化生活方式的现代人口中收集的先前排序的粪便样本数据进行了比较。BloSSUM taxa 进行分类，包括Akkermansia muciniphila嗜黏蛋白阿克曼菌(可降解人类黏液)，在工业化样本中比非工业化样本和古粪便中更丰富。 总之，这些结果支持了这样一个观点:非工业化微生物群的特征与我们人类祖先的微生物群相似，而工业化人口与这种微生物特征不同()。

图 1

Wibowo等人分析了在1000 - 2000年前的人类古粪便中发现的肠道微生物的DNA，并将其与来自工业化和非工业化社会的现代个体粪便样本中的肠道微生物的DNA进行了比较。 作者使用了一种被称为主成分分析的统计方法来比较来自每个个体的样本中细菌种类的模式。这种方法将每个个体样本对应的数据点分布在两个轴上，称为PC1和PC2。这一分析表明，古粪便的样本分布在非工业化社会的个体中，表明古人类和生活在传统生活方式的现代人类的肠道微生物特征相似，同时两者都不同于工业化社会中人们的微生物状况。

作者们不再关注物种的身份:他们将古粪便中的微生物的基因，以及这些基因编码的蛋白质的预测功能与现在样本中发现的微生物进行了比较。无论是工业化的还是非工业化的现代样本，都比古粪便具有更广泛的抗生素抗性基因，这一发现与来自抗生素使用时代之前的古代微生物相一致。古粪便中含有大量编码蛋白质的基因，这些蛋白质可以降解甲壳素分子，甲壳素是昆虫外骨骼的一种成分。通过对古粪便中物质的显微镜分析，证实了昆虫的摄食。作者报告了许多在工业化样本中特别普遍的基因，包括那些与人类肠道粘液降解有关的基因。

Wibowo和同事的研究是一项了不起的技术成就。他们能够从生活在数千年前的微生物中恢复高质量的DNA，这可能是因为样本所在的干燥沙漠环境保存良好。多项独立的证据证实了粪便样本的年龄和人类来源。让这些古老的DNA序列公开无疑将使科学家们在未来几年受益。

然而，基于DNA序列的分析在结果没有与其他类型的实验室实验验证配对时确实有局限性。在理想条件下，使用计算工具来预测DNA编码的蛋白质信息是一种不完美的方法，在分析之前未知生物体的基因功能时尤其棘手，比如在这项研究中发现的那些生物体。此外，微生物群在个体和种群之间是高度可变的。为了更好地了解古代人类肠道微生物群的一般和特定人群特征，需要对更大范围的时间尺度和地点的更多古粪便进行分析。

作者发现，与现代粪便中的微生物相比，古粪便中的微生物在组成和功能上存在显著差异。工业化微生物群落中黏液降解物种和基因的患病率高于古代和非工业化微生物群落，这可能是由西方饮食造成的，西方饮食往往缺乏足够的膳食纤维来支持曾经数量众多的纤维降解微生物物种。鉴于微生物群和免疫系统之间的联系，这些差异可能与工业化人口中自身免疫、炎症和代谢紊乱的上升率有关。

Wibowo和他的同事的工作表明，现在有两种可行的替代方法来理解古代微生物群落的组成。古粪便可以直接调查古代微生物群，但样本的年龄限制了进一步的测量和实验。重要的是，这项研究证实，如今生活在传统生活方式下的土著居民与古代人类有着相似的微生物群落组成。