Τι μπορούν να μας πουν τα βακτήρια για την ανθρώπινη εξέλιξη
Είναι η ανθρώπινη φύση να θέλει να μάθει από πού ήρθαμε. Μεμονωμένα, ερευνούμε τις οικογενειακές μας γενεαλογίες για να ανακαλύψουμε προγόνους που χάθηκαν στην ιστορία. Συλλογικά, οι επιστήμονες εξετάζουν δεδομένα από μια τεράστια ποικιλία πηγών, που κυμαίνονται από αρχαία απολιθώματα έως τρέχοντα γονιδιώματα, για να προσδιορίσουν από πού προήλθε η ίδια η ανθρωπότητα και πώς καταλήξαμε να είμαστε ποιοι και πού είμαστε ως είδος σήμερα.
Την περασμένη δεκαετία, οι μελέτες σε αυτόν τον τομέα έφεραν επανάσταση λόγω της μείωσης του κόστους αλληλουχίας γονιδίων. Το έργο του ανθρώπινου γονιδιώματος ξεκίνησε το 1990 και κόστισε περίπου 2,7 δισεκατομμύρια δολάρια — περίπου 100 εκατομμύρια δολάρια ανά γονιδίωμα αλληλουχίας. Σήμερα, μπορεί να προσδιοριστεί η αλληλουχία ενός γονιδιώματος για περίπου 1.000 $ έως 2.000 $ και πλησιάζουμε σε έναν μακροχρόνιο στόχο του γονιδιώματος $100.
Ενώ μεγάλο μέρος της γονιδιωματικής εργασίας που έχει πραγματοποιηθεί μέχρι σήμερα έχει επικεντρωθεί σε γενετικούς παράγοντες κινδύνου για την υγεία και τις ασθένειες, μπορούμε επίσης να χρησιμοποιήσουμε γενετικές ανακατασκευές για να εξετάσουμε την ιστορία του είδους μας. Αλλά τα δικά μας γονίδια δεν μας λένε απαραίτητα ολόκληρη την ιστορία των ταξιδιών και των μεταναστεύσεών μας ως είδος ή των κινδύνων για την υγεία μας.
Για το λόγο αυτό, τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν δώσει πολύ μεγαλύτερη προσοχή στο «δεύτερο γονιδίωμά μας»:αυτό της μικροχλωρίδας μας. Η μικροβίωσή μας είναι όλοι οι μικροσκοπικοί οργανισμοί που ζουν πάνω και μέσα μας, παίζοντας ρόλο στην πέψη μας, εκπαιδεύοντας το ανοσοποιητικό μας σύστημα να ανταποκρίνεται σωστά στα παθογόνα, παρασκευάζοντας βασικές βιταμίνες και καταλαμβάνοντας χώρο που διαφορετικά θα μπορούσαν να εκμεταλλευτούν παθογόνα. Τα μικρόβια του εντέρου είναι οι «κόσμοι μέσα στους κόσμους» που έχουν εξελιχθεί μαζί μας, τους ξενιστές τους, καθώς οι πρώτοι ανθρώπινοι πρόγονοί μας μετακινούνταν από τόπο σε τόπο, έτρωγαν νέα τρόφιμα και συνάντησαν νέα ζώα και περιβάλλοντα. Το σημερινό μας μικροβίωμα (το συλλογικό γενετικό υλικό της μικροχλωρίδας μας) αντανακλά μέρος αυτής της βαθιάς ιστορίας.
Ακραία συμβιόνια στα κελιά μας
Μπορούμε να αντλήσουμε πληροφορίες για την ανθρώπινη ιστορία από αυτούς τους οργανισμούς μέσα μας με διάφορους τρόπους. Το ένα είναι χρησιμοποιώντας τα μέρη των δικών μας κυττάρων που είναι, στην ουσία, μικροβιακά:τα μιτοχόνδριά μας. Αυτά τα οργανίδια μπορούν να θεωρηθούν «ακραία συμβίωση»:Είναι υπολείμματα μικροοργανισμών που κάποτε ζούσαν ελεύθερα αλλά τώρα αποτελούν αναπόσπαστα μέρη όλων των ευκαρυωτικών (σύνθετων) κυττάρων, παράγοντας ενέργεια και ρυθμίζοντας το μεταβολισμό.
Τα μιτοχόνδρια διατηρούν το δικό τους DNA, ξεχωριστό από αυτό του πυρήνα του κυττάρου. Για πολλούς τύπους έρευνας, αυτό το μιτοχονδριακό DNA (mtDNA) είναι προτιμότερο από το πυρηνικό DNA ως αντικείμενο μελέτης. Σε αντίθεση με το πυρηνικό μας DNA, δεν είναι ένα μείγμα του γενετικού υλικού των γονιών μας. Επειδή το mtDNA κληρονομείται αποκλειστικά από το ωάριο και μεταβιβάζεται μέσω γενεών της μητρικής καταγωγής, μοιάζει περισσότερο με έναν κλώνο της μητέρας σας (και της μητέρας της, και της μητέρας της και ούτω καθεξής). Και ενώ τα ευκαρυωτικά κύτταρα έχουν μόνο ένα αντίγραφο του πυρηνικού DNA στον μοναδικό πυρήνα τους, έχουν πολλά μιτοχόνδρια και επομένως πολλαπλά αντίγραφα κάθε γονιδίου mtDNA. Επειδή το γονιδίωμα του mtDNA είναι πολύ μικρότερο από το πυρηνικό DNA (περιέχει μόνο περίπου 37 γονίδια αντί για 20.000 περίπου στον άνθρωπο), είναι επίσης πιο απλό να αναλυθεί.
Η ανάλυση του mtDNA τη δεκαετία του 1980 οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η ανθρωπότητα προέρχεται από την Αφρική, που χρονολογείται από έναν κοινό μητρικό πρόγονο κάπου πριν από 100.000 έως 200.000 χρόνια. Αν και ευρέως αποδεκτή σήμερα, αυτή η δήλωση ήταν αμφιλεγόμενη εκείνη την εποχή, καθώς ορισμένοι βιολόγοι και ανθρωπολόγοι πίστευαν ότι οι σύγχρονοι άνθρωποι εξελίχθηκαν ως μια συλλογικότητα από διαφορετικούς αλλά διασταυρούμενους πληθυσμούς αρχαϊκών ανθρώπων διάσπαρτων στον Παλαιό Κόσμο (η «πολυπεριφερειακή υπόθεση»).
Τα μικρόβια στο σώμα μας μπορούν επίσης να βοηθήσουν στην αποσαφήνιση των προγονικών ταξιδιών της ανθρωπότητας, επειδή και αυτά κληρονομούνται μέσα στις οικογένειες και έχουν συνδεθεί εδώ και πολύ καιρό με ανθρώπινους πληθυσμούς. Ένα παράδειγμα είναι το Helicobacter pylori , ένα βακτήριο του στομάχου που μπορεί να προκαλέσει έλκη και καρκίνο του στομάχου, αλλά μπορεί επίσης να μεταφερθεί χωρίς συμπτώματα σε πολλά άτομα. Η. pylori μεταδίδεται από άτομο σε άτομο, πιθανώς με το σάλιο (από στόματος-στοματική οδός) ή επαφή με κόπρανα (κοπράνων-στοματική οδός), και πιθανώς με μολυσμένο φαγητό ή νερό. Άλλο Helicobacter είδη αποικίζουν τα έντερα των θηλαστικών, γεγονός που υποδηλώνει μια μακρά συνεξέλιξη μεταξύ αυτών των τύπων βακτηρίων, των ανθρώπων και των συγγενών μας. Στο παρελθόν, ο H. pylori πιθανότατα αποίκισε ένα πολύ υψηλό ποσοστό ανθρώπων, αλλά ο επιπολασμός του έχει μειωθεί σε πολλές χώρες τον περασμένο αιώνα λόγω βελτιώσεων στην υγιεινή και την υγιεινή.
Μελέτες τα τελευταία 15 χρόνια εξέτασαν την εξέλιξη του H. pylori με τη συλλογή και τον προσδιορισμό της αλληλουχίας στελεχών του βακτηρίου από άτομα σε όλο τον κόσμο. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ο H. pylori που συλλέγονται στην Αφρική περιείχαν τη μεγαλύτερη γενετική ποικιλότητα (όπως ακριβώς κάνουν οι ανθρώπινοι πληθυσμοί από την Ανατολική Αφρική) και ότι θα μπορούσε κανείς να εντοπίσει τις βασικές ανθρώπινες μεταναστεύσεις από αυτήν την ήπειρο και σε όλο τον κόσμο εξετάζοντας τη γενετική σύνθεση αυτού του βακτηρίου. Η γονιδιωματική ανάλυση έδειξε επίσης ότι το βακτήριο συνεξελίχτηκε με τον άνθρωπο για περίπου 60.000 χρόνια - από τότε που οι σύγχρονοι άνθρωποι άρχισαν να μεταναστεύουν έξω από την Αφρική και να μεταφέρουν το H. pylori και άλλα βακτήρια μαζί για τη βόλτα. Μπορούμε επομένως να χρησιμοποιήσουμε το γονιδίωμα του H. pylori να καταλάβουμε την εξελικτική ιστορία ορισμένων ανθρώπινων πληθυσμών.
Επανιχνεύοντας το παρελθόν μας στα γονίδιά τους
Γιατί να το κάνουμε αυτό όταν μπορούμε να δούμε ανθρώπινα οστά ή γονιδιώματα για να πάρουμε αυτές τις πληροφορίες; Πρώτον, είναι μια ισχυρή επιβεβαίωση της ορθότητας μιας υπόθεσης όταν τα γονιδιωματικά δεδομένα από δύο διαφορετικούς οργανισμούς λένε την ίδια ιστορία, ειδικά όταν αυτοί οι οργανισμοί είναι τόσο διαφορετικοί όσο ένας άνθρωπος και ένα βακτήριο. Επιπλέον, μερικές φορές τα δεδομένα από ένα γονιδίωμα μπορούν να καλύψουν κενά που το άλλο σύνολο δεδομένων δεν μπορεί να επιλύσει. Δεδομένα από το ελικοβακτηρίδιο του πυλωρού Τα γονιδιώματα μπόρεσαν να διαφοροποιήσουν δύο εθνοτικές κοινότητες στο Λαντάκ της Ινδίας, για παράδειγμα, όταν οι διαθέσιμοι ανθρώπινοι γενετικοί δείκτες εκείνη την εποχή δεν μπορούσαν.
Σήμερα, αντί να εξετάζουμε μια ενιαία ποικιλία μικροβίων, κοιτάζοντας τη μαζική συλλογή όλων αυτών μπορεί να πληροφορήσουμε καλύτερα τις γνώσεις μας για το πού ήμασταν οι άνθρωποι ως είδος και πού μπορεί να πάμε. Η ιδέα του holobiont - του ξενιστή και όλων των σχετικών μικροβίων του, που αναλύονται ως ένα ενιαίο ολογονίωμα - διαμορφώνεται καθώς αρχίζουμε να κατανοούμε τα χιλιάδες μικροβιακά είδη που μπορούν να ζουν μέσα και πάνω στο σώμα μας.
Η μικροχλωρίδα μας δεν αντικατοπτρίζει απλώς την ανθρώπινη εξέλιξη — την επηρεάζει:Μέσω των συσχετιζόμενων μικροβίων μας, μπορούμε να αποκτήσουμε ικανότητες που είναι ευεργετικές για τους πληθυσμούς. Μια μελέτη του 2010, για παράδειγμα, διαπίστωσε ότι πολλά άτομα από την Ιαπωνία έχουν ένα γονίδιο στα μικρόβια του εντέρου τους που τους επιτρέπει να παράγουν ένα ένζυμο που βοηθά στην πιο αποτελεσματική διάσπαση των υδατανθράκων από τα φύκια. Αυτό το γονίδιο απουσιάζει από τα σπλάχνα των ανθρώπων από τη Βόρεια Αμερική, όπου (σε αντίθεση με την Ιαπωνία) τα φύκια δεν αποτελούν διατροφική βάση.
Το γονίδιο μπορεί να έχει αποκτηθεί από ένα ανθρώπινο βακτήριο του εντέρου, το Bacteroides plebeius , πιθανώς από το θαλάσσιο βακτήριο Zobellia galactanivorans. Zobellia θα μπορούσε να είχε καταποθεί πριν από πολύ καιρό από άτομα στην Ιαπωνία, εισερχόμενοι στο έντερό τους είτε ως ολόκληρο βακτήριο είτε σε κομμάτια, συμπεριλαμβανομένου του ελεύθερου DNA. Επειδή τα βακτήρια μπορούν να αποκτήσουν γονίδια μέσω μιας διαδικασίας που είναι γνωστή ως οριζόντια μεταφορά γονιδίων, Βακτηρίδια μπορεί να έχει πάρει αυτό το γονίδιο στο περιβάλλον του εντέρου. Το γονίδιο θα μπορούσε τότε να έχει ωφελήσει τόσο το βακτήριο όσο και τον ξενιστή ανοίγοντας μια πρόσθετη πηγή διατροφής και ως εκ τούτου θα είχε διατηρηθεί στον πληθυσμό μέσω φυσικής επιλογής.
Μικροβιακές αναντιστοιχίες
Καθώς αρχίζουμε να αντιλαμβανόμαστε τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μικροβίων μας και των προγόνων μας από αμνημονεύτων χρόνων, μπορεί να είμαστε σε θέση να χρησιμοποιήσουμε αυτές τις βαθιές συμβιώσεις όχι μόνο για να ερμηνεύσουμε την ιστορία μας, αλλά και για να διαμορφώσουμε τα μελλοντικά μας αποτελέσματα υγείας. Η. pylori μπορεί να είναι αιτία γαστρικού καρκίνου, αλλά η τάση του να προωθεί την ανάπτυξη καρκίνου φαίνεται να είναι συνάρτηση του πόσο καλά το βακτηριακό στέλεχος «ταιριάζει» με τον ξενιστή του. Σε μια μελέτη που εξέτασε τον καρκίνο του στομάχου και το H. pylori στην Κολομβία, ερευνητές ανακάλυψαν ότι τα αφρικανικά στελέχη του H. pylori ήταν πιο πιθανό να προκαλέσουν καρκίνο στον πληθυσμό της Κολομβίας — αλλά αυτά τα ίδια στελέχη δεν ήταν συχνά καρκινογόνα στους Αφρικανούς. Αυτή η παρατήρηση δείχνει τη δυνατότητα πρόληψης γαστρικών καρκίνων σε εξατομικευμένη βάση ελαχιστοποιώντας τους κινδύνους από αναντιστοιχίες μεταξύ των ξενιστών και των βακτηρίων τους.
Τώρα που προχωράμε σε μια βαθύτερη επίγνωση της παρουσίας και της λειτουργίας των αυτόχθονων μικροβίων μας, αρχίζουμε να βλέπουμε πώς αυτές οι μακροπρόθεσμες συμβίωση έχουν συμβάλει στο αυτό που είμαστε σήμερα. Πρόσφατη έρευνα επιβεβαίωσε ότι για το μικροβίωμα στο σύνολό του, οι στενά συγγενείς οργανισμοί έχουν πιο παρόμοια σύνθεση μικροβιώματος από εκείνους που σχετίζονται πιο απομακρυσμένα. Το μικροβίωμα στο σύνολό του θα μπορούσε μια μέρα να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε τις εξελικτικές σχέσεις μεταξύ των ειδών.
Αν και η δύναμη του μικροβιώματος να βοηθά στην κατανόηση των καταστάσεων που σχετίζονται με ασθένειες διαφημίζεται συχνά, η ιδέα ότι τα μικρόβια μας μπορεί να είναι σε θέση να μας ενημερώσουν για προγόνους που χάθηκαν στην ιστορία μπορεί να είναι η πιο ενδιαφέρουσα εφαρμογή του.
