A mikrobiom változása az ember evolúciója során

mikrobiom ábrázolás


A tudományos világban ma már általánosan elfogadott, hogy az ember szimbiózisban él számos más fajjal, amelyek nélkülözhetetlenek az életünkhöz.

Ez annyira igaz, hogy a bennünk élő mikroorganizmusok sejtszáma meghaladja az emberi sejtek számát és nélkülük az egészséges emberi élet elképzelhetetlen. A mikroorganizmusok közül jelenleg a baktériumok a legismertebbek, ezeket tanulmányozzák a legtöbben. A korábbi, a baktériumok tenyésztésen alapuló vizsgálatok alkalmatlanok voltak tanulmányozásukra, és csak a legújabb genetika, metagenomikai módszerek lettek alkalmasak pontos megismerésükre. Azóta kiderült, hogy a mai ember számos betegsége összefügghet azzal, hogy a mai életmódunk, táplálkozásunk, gyógyszerezésünk (pl. antibiotikumok) megváltoztatták az egészségünk szempontjából fontos összetételt, és több betegségben mutatták ki, hogy az egészséges (ősi) mikrobiom megváltozása hozzájárult a betegség kialakulásához.

A mai modern metagenomikai módszerek együttműködve a régészettel, megteremtette annak a lehetőségét, hogy nyomonkövessük, hogy az ember evolúciója során változott-e, ha igen hogyan a mikrobiom összetétele.

Az ember szervezetében legnagyobb mennyiségben a vastagbelünkben találhatók baktériumok, melyek össztömege ott testtömegünktől függően több kilogramm is lehet. De, baktériumok gyakorlatilag, általában láthatatlanul mindenhol ott vannak, és jó esetben védelmet nyújtanak különböző ártalmas, patogén, pl. gombás fertőzések ellen. Előfordul azonban, hogy a nem megfelelő higiénia miatt ezek a baktériumok láthatóvá válnak, és az egyébként jótékony baktériumok túlszaporodnak, ellenünk fordulnak és betegséget okoznak.

Erre az egyik ismert példa a fogkő, amely nagyrészt baktériumokból áll.

Egy milligramm fogkő kb. 200 millió baktériumsejtet tartalmaz, amely hosszútávon különböző fogbetegségekhez, ínygyulladáshoz vezethet, de a gyulladás más szervekre is átterjedhet.

fogkő

Azonban ez a fogkő tudományos szempontból azért előnyös, mert a benne található baktériumok genetikai állománya hosszú távon is fennmarad és lehetőséget nyújt arra, hogy akár ősi mintákban is megállapítsák, hogy milyen baktériumok találhatók benne. Ez lehetőséget teremt arra, hogy akár több tízezer éves ősemberi leletekben is meghatározhassuk a fogkövekben található baktériumokat és összehasonlítsuk a ma élő emberek mikrobiomjával.

Potosan ezt tette egy nagy nemzetközi kutatócsoport, amely a fogkövekben található baktérium összetételt vizsgálta ma élő emberekben, az emberhez evolúciós szempontból közel álló emberszabású majmokban, régészeti ásatások során felárt ősemberekből és neandervölgyi emberekből származó fogleletekben.

A fogkövekben található mikrobiomnak az az előnye a belekben találhatóhoz képest, hogy sokkal stabilabb, kisebb az emberek közötti variabilitás, összetételét még az antibiotikumok sem változtatják meg.

A mikrobiom változása

Az egyik meglepő felfedezés az volt, hogy a modern ember és a neandervölgyi ember száj mikrobiom összetétele nagyfokú hasonlóságot mutatott függetlenül a lelet helyszínétől, táplálkozástól, életstílusától.

Az eredmények azt is megerősítették, hogy a kb. 600 ezer évvel ezelőtt még Afrikában szétvált Homo sapiens és a neandervölgyi ember később már Európában kb. 25 ezer évvel ezelőtt ismét részben keveredett egymással, amelynek genetikai nyomát egyébként genomunk is megőrizte.

Tíz olyan baktérium nemzetséget is detektáltak, amelyek még a bőgőmajmokkal is közösek voltak, pedig tőlük kb. 40 millió évvel ezelőtt váltunk el, ami mutatja, hogy a velünk élő baktériumok milyen stabilan megmaradnak. Azonosítottak számos „homo” specifikus baktériumot, amely a gorillákkal és a csimpánzokkal volt közös. Ezek a baktériumok biofilmet hoznak létre a fogak felületén és hozzájárulnak a fogak és az íny egészségéhez Az úgynevezett mag baktériumok között találhatóak olyanok is, amelyek ma fogbetegségeket okoznak, ami arra utal, hogy ezek a baktériumok alapvetően nem patogének, de a mai életstílus, táplálkozás megbontotta az egyensúlyt a baktériumok alkotta biofilm és a gazdaszervezet között, ami így megváltoztatta a két életforma (ember és baktérium) viszonyát.

Az ember evolúciója szempontjából talán még érdekesebbek a különbségek.

A modern ember és a neandervölgyi ember fogfelszínén rendkívüli módon felszaporodtak azok a baktériumok (főleg Streptococcusok), amelyek képesek az ember nyálában jelen levő amiláz nevű enzimeket megkötni, ezáltal saját céljaira felhasználni. A nyálban található amilázok a növényekben jelenlevő keményítőt képesek egyszerű cukrokká lebontani, ami így könnyebben fel tud szívódni, hasznosulni. A keményítő emészthetőségéhez nagyban hozzájárul a főzés. Ez arra is utal, hogy már a neandervölgyi emberek is képesek voltak melegítéssel az ételeket könnyebben emészthetővé tenni. A keményítőből nyert cukrok magas kalóriatartalmú, jól felszívódó energiaforrások.

Azt már korábban megfigyelték, hogy az ember genomjában, az evolúciósan közel álló fajokhoz képest (pl. csimpánz, gorilla), sokkal több példányban fordulnak elő különböző amilázok génjei. A vizsgálatot végző kutatók hipotézise alapján, ez a keményítőből nyert extra energiaforrás hozzájárulhatott a modern és a neandervölgyi ember extrém agyméret növekedéséhez az úgynevezett enkefalizációhoz, ezáltal a mai ember kialakulásához. A modern emberben található amiláz gének száma még a ma élő embercsoportok között is jelentősen különbözhet.

Azokban az etnikumokban, amelyek több növényi keményítőt fogyasztanak, sokkal több kópiában fordulnak elő ezek a gének, ami azt is mutatja, hogy az ember evolúciója, a környezethez, táplálkozáshoz való adaptációja, evolúciós szempontból a közelmúltban is folytatódott. A Streptococcusokban található amiláz-kötő gének specifikusak a két faj (Homo sapiens és neandervölgyi) fogkövében található baktériumokra, azaz a több százezer éves együttes evolúció során alakultak ki és ezáltal képesek lettek az egyébként számukra emészthetetlen keményítőből energiát nyerni.

Ahogy korábban említettem az ember beleiben található mikroorganizmusok mennyisége és száma a legnagyobb, és ezáltal egészségünkre gyakorolt hatása is a legváltozatosabb.

Egy másik nemzetközi kutatócsoport ásatásokból nyert 1000-2000 éves beszáradt, konzerválódott emberi székletminták mikrobiom összetételét hasonlította össze, 798 ma élő természetes, nem-iparosodott körülmények között élő és iparosodott környezetben élők székletének bél-mikrobiomával. A nem-iparosodott mai minták Mexikóból, Madagaszkárból, a Fidzsi- szigetekről, Peruból és Tanzániából származtak, az iparosodott körülményekből származó minták Dániából, Spanyolországból és az USA-ból. Ezeket hasonlították össze 8, 1000-2000 éves ősi mintával.

Az ősi mintákból, amelyek Délnyugat-USA-ból és Mexikóból származtak, 498 féle mikrobiális genomot tudtak jó minőségben azonosítani, amelyből 181-ről tudták egyértelműen megállapítani, hogy ősi, emberi bél-eredetű. Érdekes módon ezek közül 39% jelenleg nem ismert baktérium-faj genomja volt, ami mutatja, hogy még mennyi mindent nem tudunk a velünk élő mikroorganizmusokról.

Az összehasonlításokból számos érdekes eredmény született.

A vártnál nagyobb egyezést találtak az ősi és a mai mikrobiom összetételben, főleg amikor a nem-iparosodott közösségeket vizsgáltak. Az egyik legjelentősebb felfedezés az volt, hogy a nem iparosodott mai közösségek bél-mikrobiom összetétele jobban hasonlított az ősi minták mikrobiom összetételéhez, mint az iparosodott környezetből származókhoz. Például az ősi és a nem-iparosodott mintákban nagyobb mennyiségben fordultak elő keményítő és glikogén (mindkettő összetett szénhidrát) emésztésére képes baktériumok, amelyek hasznosítani képesek az ember számára az ilyen tartalmú ételeket. Az ősi mikrobiomokban kitint emésztő enzimgéneket is találtak, amelyek lehetővé tették a rovarok, és a gombák alaposabb emésztését.

mikrobiom változása

Az egyezések mellett számos érdekes és jelentős különbséget is felfedeztek.

A mai emberek mikrobiomjában található egyes baktériumok genomjában sokkal nagyobb mennyiségben fordulnak elő antibiotikum-rezisztens gének (főleg tetraciklin-rezisztens), mint az ősi mintákban, hozzájárulva ahhoz, hogy ezek az antibiotikumok manapság egyre gyakrabban hatástalanok.

Az iparosodáshoz kapcsolódó sokkal tisztább élet, és az antibiotikumok bár csökkentették a fertőzéses megbetegedések számát, viszont számos hasznos baktérium eltűnését eredményezték. Ez azért lényeges, mert egyértelműen ki lehet mutatni, hogy minél változatosabb a bélflóra, minél többféle baktériumot tartalmaz, annál jobb hatással van az egészségre. Egyes baktériumok hiánya más, patogén baktériumok felszaporodásához vezet, ami krónikus, civilizációs betegségek kialakulásához vezethet. Itt olyan különböző civilizációs betegségekre kell gondolni, mint az például az obezitás, autoimmunbetegségek, diabetes, bélgyulladások, depresszió, autizmus, Alzheimer- és Parkinson-kór. Mindegyikben kimutatták már, hogy a betegek mikrobiomja eltér az egészségesekétől. Az ősi és a nem iparosodott környezetből származó emberekből nyert bélflórák egyértelműen nagyobb diverzitást, változékonyságot mutattak.

Ráadásul az iparosodott közösségek bélflórájában megjelentek olyan baktériumok, amelyek a bélfal védelmét biztosító mucint bontják (pl. Akkermansia mucinophila). Ilyeneket az ősi mikrobiomokban nem lehetett találni, és a nem iparosodott környezetből származókban is csak csekély mennyiségben. Ha ez a baktérium bontja a mucint, az megbontja az általa alkotott védelmet, megnő a bél-áteresztőképessége és más, esetleg patogén mikróbák kerülhetnek a bélfalba, gyulladást okozva. Ezt a jelenséget szivárgó bélszindrómának (angolul leaky gut) hívják. Ezeknek a vizsgálatoknak a komplexitását mutatja viszont, hogy egy korábbi kis létszámú vizsgálatban ennek a baktériumnak az elölt, pasztörizált formáját tartalmazó kapszulák fogyasztása javította a kórosan elhízott emberek egészségügyi paramétereit, anélkül, hogy a mikrobiom összetételén változtatott volna (ld. https://gyogyhirek.hu/bakteriumokkal-elhizas-ellen/).

A fenti vizsgálatokból látszik, hogy a bennünk élő baktériumok milyen fontos szerepet játszanak életünkben, egészségünk fenntartásában.

A metagenomika tudománya, ami lehetővé tette vizsgálatukat, még relatív új módszer, és ez magyarázza, hogy mikrobiomunkban számos olyan baktérium él, aminek még nevet sem adtak, és semmit nem tudunk róluk, hogy mit csinálnak. A régészeti leletekben található mikrobiom megismerésével megérthetjük, hogy melyek azok a baktériumok, amelyek az ember evolúciója során csatlakoztak hozzánk, kialakítva azt az életközösséget, amely az egészséges emberi élethez nélkülözhetetlen. A következő években a mikrobiomunk jobb megismerése egy olyan eszközt adhat kezünkbe, amellyel számos, az életminőséget jelentősen rontó betegséget előzhetünk meg.

Prof. Dr. Szalai Csaba


Irodalom
1. Fellows Yates JA és mtsai. The evolution and changing ecology of the African hominid oral microbiome. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021 May 18;118(20):e2021655118.
2. Wibowo MC és mtsai. Reconstruction of ancient microbial genomes from the human gut. Nature. 2021 May 12.
3. Gurung M és mtsai. Role of gut microbiota in type 2 diabetes pathophysiology. EBioMedicine. 2020 Jan;51:102590.
4. Romano S és mtsai. Meta-analysis of the Parkinson’s disease gut microbiome suggests alterations linked to intestinal inflammation. NPJ Parkinsons Dis. 2021 Mar 10;7(1):27.
5. Askarova S és mtsai. The Links Between the Gut Microbiome, Aging, Modern Lifestyle and Alzheimer’s Disease. Front Cell Infect Microbiol. 2020 Mar 18;10:104.
6. https://www.sciencemag.org/news/2020/05/meet-psychobiome-gut-bacteria-may-alter-how-you-think-feel-and-act
7. https://gyogyhirek.hu/virtualis-szervunk-mikrobiom/

Segíts az információ terjesztésében. Oszd meg a cikket ismerőseiddel is!
  •  
  •  
  •  
  •  
  •