Что бактерии могут рассказать об эволюции человека

Человеческой природе свойственно желание знать своё происхождение. Поодиночке мы исследуем наши фамильные деревья, чтобы найти предков, утерянных в истории. Совместно учёные исследуют данные из огромного количества источников, от древних ископаемых до современных геномов, и определяют, откуда произошло человечество и как мы стали таким видом, который существует сегодня.

За последнее десятилетие исследования в этой области претерпели революционные изменения благодаря резкому падению стоимости секвенирования генома. Проект человеческого генома был запущен в 1990 году и обошёлся в $2,7 млрд — примерно по $100 за каждый секвенированный геном. Сегодня геном можно секвенировать за $1000-$2000, и мы уже близко подошли к давней цели в $100.

Хотя большая часть работы с геномом по сегодняшний день концентрировалась на изучении генетических рисков для здоровья и заболеваниях, мы можем исследовать историю нашего вида через генетическую реконструкцию. Но наши собственные гены не обязательно расскажут нам всю историю наших странствий и миграций как вида или обо всех рисках для нашего здоровья.

Поэтому в последние годы исследователи гораздо пристальнее начали присматриваться к нашему «второму геному» — генам микрофлоры. Наша микрофлора — это все микроскопические организмы, живущие внутри и снаружи нас, играющие роль в нашем пищеварении, тренирующие нашу иммунную систему правильно реагировать на патогены, изготавливающие ключевые витамины, и занимающие место, которое вместо них могли бы занять патогены. Кишечные микробы — это «мир внутри мира», эволюционировавший вместе с нами, их хозяевами, в то время, как ранние предки людей передвигались с места на место, ели новую пищу и встречали новых зверей и окружающие условия. Наша сегодняшняя микрофлора (собирательный генетический материал микрофлоры) отражает часть той глубинной истории.

Экстремальные симбионты в наших клетках

Извлечь информацию о человеческой истории из этих организмов внутри нас можно несколькими способами. Один из них — использование частей наших собственных клеток, которые, по сути, микробные: наших митохондрий. Эти органеллы можно считать «экстремальными симбионтами»: это остатки микроорганизмов, когда-то живших свободно, но теперь являющихся частью всех эукариотов (сложных клеток), производящих энергию и регулирующих метаболизм.

Митохондрии сохраняют собственную ДНК, отдельную от клетки ядра. Для многих типов исследований митохондриальная ДНК (мтДНК) предпочтительнее ядерной ДНК. В отличие от ядерной ДНК, она не является смесью генетического материала наших родителей. Поскольку мтДНК наследуются исключительно из яйцеклетки и передаётся по поколениям по материнской линии, она больше похожа на клон вашей матери (и её матери, и её матери, и т.п.). И хотя у эукариотов есть лишь одна копия ядерной ДНК в одном ядре, у них есть множество митохондрий, и, следовательно, множество копий каждого гена мтДНК. Поскольку геном мтДНК гораздо меньше ядерной ДНК (он содержит 37 генов вместо 20 000), его легче анализировать.

Анализ мтДНК, проведённый в 1980-х, привёл к заключению о том, что человечество произошло из Африки, а дату рождения общего материнского предка определили в 100 000 — 200 000 лет назад. И хотя это заявление сегодня считается общепринятым, в то время оно было спорным, поскольку некоторые биологи и антропологи считали, что современные люди появились как группа, произошедшая от разнообразной, но скрещивающейся между собой популяции архаичных людей, рассеянных по Старому миру (гипотеза мультирегионального происхождения человека).

Микробы внутри нас тоже могут помочь пролить свет на путешествия наших предков, поскольку они также унаследованы в семьях и давно уже ассоциируются с человеческой популяцией. Один пример — Helicobacter pylori, желудочная бактерия, способная вызвать язву и рак желудка, но которую множество индивидов способны переносить безо всяких симптомов. H. pylori передаётся от человека к человеку, вероятно через слюну (орально), или через контакт с фекалиями, и, возможно, через заражённую еду и воду. Другие виды Helicobacter колонизируют кишечник млекопитающих, что говорит о долгой совместной эволюции этих типов бактерий, людей и наших родственников. В прошлом H. pylori, вероятно, колонизировали большой процент людей, но это преобладание во многих странах уменьшилось за последние сто лет из-за улучшений санитарных условий и гигиены.

Исследования за последние 15 лет изучили эволюцию H. pylori, собирая и секвенируя штаммы бактерий от разных людей со всего мира. Исследователи обнаружили, что H. pylori, собранные в Африке, обладают наибольшим генетическим разнообразием (прямо как человеческие популяции в Восточной Африке), и что в принципе можно отследить основные миграции человека с этого континента и по всему земному шару, изучая генетическое строение этой бактерии. Генетический анализ также указал на то, что бактерия эволюционировала совместно с людьми примерно 60 000 лет — начиная недалеко от того момента, когда современные люди начали миграцию из Африки, и переносили вместе с собой H. pylori и другие бактерии. Следовательно можно использовать геном H. pylori для определения эволюционной истории некоторых популяций людей.

Восстанавливая наше прошлое по их генам

Но зачем этим заниматься, если можно изучить человеческие кости или геном, чтобы получить эту информацию? Например, одинаковая история, рассказанная генетическими данными двух разных организмов, может стать серьёзным подтверждением правильности гипотезы, особенно когда эти организмы отличаются так сильно, как люди и бактерии. Кроме того, иногда данные по одному геному могут заполнить пробелы в данных, которые не способны заполнить другие данные. Данные по геномам H. pylori были способны помочь разделить два этнических сообщества в городе Ладакх в Индии, при том, что доступные в то время генетические маркеры людей этого сделать не могли.

Сегодня, вместо того, чтобы изучать единственный вариант микроба, изучение большой коллекции всех их может лучше проинформировать нас о том, в каком состоянии бывал человеческий род и куда мы можем направляться. Идея голобионта — хозяина и всех связанных с ним микробов, анализируемых как единственный гологеном — уже приобретает определённую форму, в то время, как мы начинаем понимать тысячи представителей микрофлоры, способных жить внутри и снаружи наших тел.

Наша микрофлора не просто отражает эволюцию человека — она на неё влияет. Благодаря связанным с нами микробам мы можем получать способности, благотворно сказывающиеся на популяции. В исследовании от 2010 года было обнаружено, что у многих людей из Японии их кишечные микробы обладают геном, позволяющим им производить фермент, помогающий им более эффективно расщеплять углеводы, получаемые из водорослей. Этого гена нет в кишечнике людей из Северной Америки, где морских водорослей нет в числе главных продуктов.

Этот ген мог быть получен кишечной бактерией Bacteroides plebeius, вероятно, от морской бактерии Zobellia galactanivorans. Японцы могли давно съесть Zobellia, и она могла попасть в их кишечник либо целиком, либо по частям, включая и свободную ДНК. Поскольку бактерии могут получать гены через горизонтальный генетический перенос, Bacteriodes могла подцепить этот ген в кишечном окружении. Затем этот ген мог начать приносить пользу как бактериям, так и их хозяину, открыв дополнительные источники питания, в связи с чем и остался в популяции благодаря естественному отбору.

Несоответствие микробов

Начиная понимать взаимосвязь между нашими микробами и нашими предками с давних времён, мы можем использовать этот глубинный симбиоз не только для интерпретации истории, но и для формирования нашего будущего здоровья. H. pylori может стать причиной рака желудка, но эта её возможность способствовать развитию рака кажется функцией того, насколько хорошо штамм бактерии соответствует хозяину. В исследовании по изучению рака желудка и H. pylori в Колумбии исследователи обнаружили, что африканские штаммы H. pylori с наибольшей вероятностью могли вызвать рак у колумбийской популяции — но те же самые штаммы не были настолько канцерогенными у африканцев. Это наблюдение указывает на возможность предотвращения рака желудка на индивидуальной основе через минимизацию несоответствия хозяина и его бактерий.

Теперь, переходя к более глубинному пониманию присутствия и функционирования наших микробов, мы начинаем понимать, как эти долговременные симбиозы могли повлиять на то, что мы представляем собой сегодня. Недавние исследования подтвердили, что микрофлора в целом у родственных организмов гораздо больше схожа, чем у организмов с менее близким родством. Микрофлора как целое однажды может помочь нам понять эволюционные связи разных видов.

И хотя вспомогательные возможности микрофлоры в понимании болезней иногда чрезмерно преувеличивают, самым интересным может стать то, что наша микрофлора сообщит нам о наших предках, затерянных в истории.

Человеческой природе свойственно желание знать своё происхождение. Поодиночке мы исследуем наши фамильные деревья, чтобы найти предков, утерянных в истории. Совместно учёные исследуют данные из огромного количества источников, от древних ископаемых до современных геномов, и определяют, откуда произошло человечество и как мы стали таким видом, который существует сегодня.

За последнее десятилетие исследования в этой области претерпели революционные изменения благодаря резкому падению стоимости секвенирования генома. Проект человеческого генома был запущен в 1990 году и обошёлся в $2,7 млрд — примерно по $100 за каждый секвенированный геном. Сегодня геном можно секвенировать за $1000-$2000, и мы уже близко подошли к давней цели в $100.

Хотя большая часть работы с геномом по сегодняшний день концентрировалась на изучении генетических рисков для здоровья и заболеваниях, мы можем исследовать историю нашего вида через генетическую реконструкцию. Но наши собственные гены не обязательно расскажут нам всю историю наших странствий и миграций как вида или обо всех рисках для нашего здоровья.

Поэтому в последние годы исследователи гораздо пристальнее начали присматриваться к нашему «второму геному» — генам микрофлоры. Наша микрофлора — это все микроскопические организмы, живущие внутри и снаружи нас, играющие роль в нашем пищеварении, тренирующие нашу иммунную систему правильно реагировать на патогены, изготавливающие ключевые витамины, и занимающие место, которое вместо них могли бы занять патогены. Кишечные микробы — это «мир внутри мира», эволюционировавший вместе с нами, их хозяевами, в то время, как ранние предки людей передвигались с места на место, ели новую пищу и встречали новых зверей и окружающие условия. Наша сегодняшняя микрофлора (собирательный генетический материал микрофлоры) отражает часть той глубинной истории.

Экстремальные симбионты в наших клетках

Извлечь информацию о человеческой истории из этих организмов внутри нас можно несколькими способами. Один из них — использование частей наших собственных клеток, которые, по сути, микробные: наших митохондрий. Эти органеллы можно считать «экстремальными симбионтами»: это остатки микроорганизмов, когда-то живших свободно, но теперь являющихся частью всех эукариотов (сложных клеток), производящих энергию и регулирующих метаболизм.

Митохондрии сохраняют собственную ДНК, отдельную от клетки ядра. Для многих типов исследований митохондриальная ДНК (мтДНК) предпочтительнее ядерной ДНК. В отличие от ядерной ДНК, она не является смесью генетического материала наших родителей. Поскольку мтДНК наследуются исключительно из яйцеклетки и передаётся по поколениям по материнской линии, она больше похожа на клон вашей матери (и её матери, и её матери, и т.п.). И хотя у эукариотов есть лишь одна копия ядерной ДНК в одном ядре, у них есть множество митохондрий, и, следовательно, множество копий каждого гена мтДНК. Поскольку геном мтДНК гораздо меньше ядерной ДНК (он содержит 37 генов вместо 20 000), его легче анализировать.

Анализ мтДНК, проведённый в 1980-х, привёл к заключению о том, что человечество произошло из Африки, а дату рождения общего материнского предка определили в 100 000 — 200 000 лет назад. И хотя это заявление сегодня считается общепринятым, в то время оно было спорным, поскольку некоторые биологи и антропологи считали, что современные люди появились как группа, произошедшая от разнообразной, но скрещивающейся между собой популяции архаичных людей, рассеянных по Старому миру (гипотеза мультирегионального происхождения человека).

Микробы внутри нас тоже могут помочь пролить свет на путешествия наших предков, поскольку они также унаследованы в семьях и давно уже ассоциируются с человеческой популяцией. Один пример — Helicobacter pylori, желудочная бактерия, способная вызвать язву и рак желудка, но которую множество индивидов способны переносить безо всяких симптомов. H. pylori передаётся от человека к человеку, вероятно через слюну (орально), или через контакт с фекалиями, и, возможно, через заражённую еду и воду. Другие виды Helicobacter колонизируют кишечник млекопитающих, что говорит о долгой совместной эволюции этих типов бактерий, людей и наших родственников. В прошлом H. pylori, вероятно, колонизировали большой процент людей, но это преобладание во многих странах уменьшилось за последние сто лет из-за улучшений санитарных условий и гигиены.

Исследования за последние 15 лет изучили эволюцию H. pylori, собирая и секвенируя штаммы бактерий от разных людей со всего мира. Исследователи обнаружили, что H. pylori, собранные в Африке, обладают наибольшим генетическим разнообразием (прямо как человеческие популяции в Восточной Африке), и что в принципе можно отследить основные миграции человека с этого континента и по всему земному шару, изучая генетическое строение этой бактерии. Генетический анализ также указал на то, что бактерия эволюционировала совместно с людьми примерно 60 000 лет — начиная недалеко от того момента, когда современные люди начали миграцию из Африки, и переносили вместе с собой H. pylori и другие бактерии. Следовательно можно использовать геном H. pylori для определения эволюционной истории некоторых популяций людей.

Восстанавливая наше прошлое по их генам

Но зачем этим заниматься, если можно изучить человеческие кости или геном, чтобы получить эту информацию? Например, одинаковая история, рассказанная генетическими данными двух разных организмов, может стать серьёзным подтверждением правильности гипотезы, особенно когда эти организмы отличаются так сильно, как люди и бактерии. Кроме того, иногда данные по одному геному могут заполнить пробелы в данных, которые не способны заполнить другие данные. Данные по геномам H. pylori были способны помочь разделить два этнических сообщества в городе Ладакх в Индии, при том, что доступные в то время генетические маркеры людей этого сделать не могли.

Сегодня, вместо того, чтобы изучать единственный вариант микроба, изучение большой коллекции всех их может лучше проинформировать нас о том, в каком состоянии бывал человеческий род и куда мы можем направляться. Идея голобионта — хозяина и всех связанных с ним микробов, анализируемых как единственный гологеном — уже приобретает определённую форму, в то время, как мы начинаем понимать тысячи представителей микрофлоры, способных жить внутри и снаружи наших тел.

Наша микрофлора не просто отражает эволюцию человека — она на неё влияет. Благодаря связанным с нами микробам мы можем получать способности, благотворно сказывающиеся на популяции. В исследовании от 2010 года было обнаружено, что у многих людей из Японии их кишечные микробы обладают геном, позволяющим им производить фермент, помогающий им более эффективно расщеплять углеводы, получаемые из водорослей. Этого гена нет в кишечнике людей из Северной Америки, где морских водорослей нет в числе главных продуктов.

Этот ген мог быть получен кишечной бактерией Bacteroides plebeius, вероятно, от морской бактерии Zobellia galactanivorans. Японцы могли давно съесть Zobellia, и она могла попасть в их кишечник либо целиком, либо по частям, включая и свободную ДНК. Поскольку бактерии могут получать гены через горизонтальный генетический перенос, Bacteriodes могла подцепить этот ген в кишечном окружении. Затем этот ген мог начать приносить пользу как бактериям, так и их хозяину, открыв дополнительные источники питания, в связи с чем и остался в популяции благодаря естественному отбору.

Несоответствие микробов

Начиная понимать взаимосвязь между нашими микробами и нашими предками с давних времён, мы можем использовать этот глубинный симбиоз не только для интерпретации истории, но и для формирования нашего будущего здоровья. H. pylori может стать причиной рака желудка, но эта её возможность способствовать развитию рака кажется функцией того, насколько хорошо штамм бактерии соответствует хозяину. В исследовании по изучению рака желудка и H. pylori в Колумбии исследователи обнаружили, что африканские штаммы H. pylori с наибольшей вероятностью могли вызвать рак у колумбийской популяции — но те же самые штаммы не были настолько канцерогенными у африканцев. Это наблюдение указывает на возможность предотвращения рака желудка на индивидуальной основе через минимизацию несоответствия хозяина и его бактерий.

Теперь, переходя к более глубинному пониманию присутствия и функционирования наших микробов, мы начинаем понимать, как эти долговременные симбиозы могли повлиять на то, что мы представляем собой сегодня. Недавние исследования подтвердили, что микрофлора в целом у родственных организмов гораздо больше схожа, чем у организмов с менее близким родством. Микрофлора как целое однажды может помочь нам понять эволюционные связи разных видов.

И хотя вспомогательные возможности микрофлоры в понимании болезней иногда чрезмерно преувеличивают, самым интересным может стать то, что наша микрофлора сообщит нам о наших предках, затерянных в истории.