Insights into microbial evolution and ecology from genetic analysis of diverse archaeological materials

Sabin, Susanna GND

The study of human health over time offers valuable pathways for understanding multiple aspects of human experience and biology. Determining the presence of a disease in an ancient individual or community can give us insights into daily life during that time, and comparing human microbiota between different human groups over time and space can offer insights into behavior and diet. Assessing the health of past populations may provide new perspectives on concomitant social or political changes, and contribute to our understanding of how those populations managed, or failed to manage, crises and change. On a broader level, identifying and interrogating humanity’s relationship with infectious and commensal microbes may offer insights into human evolution and adaptation. Most hopefully, the knowledge gained from the basic science of past human health may one day lead to discoveries that can be applied to modern medicine. For example, the evolutionary history of a specific pathogen may allow us to understand how it may behave in the future, and the constitution of ancient human microbiota may allow us to interrogate what taxa have been gained and lost over time in certain populations and what this may mean for modern oral and gut health. The study of past human health has always, by necessity, been an interdisciplinary endeavor. The task of diagnosis, difficult in living populations, becomes increasingly complicated with the passage of time, and the meaning and value of historical diagnosis, depending on the theoretical tides among medical historians, modern clinicians, and anthropologists, may fluctuate (Arrizabalaga, 2002; Waldron, 2009). Historical documentation or art pieces may offer verbal descriptions or visual depictions of ill health, but may be open to broad interpretation due to differing medical conventions and terminology over time and space, embellishment of the artist, or even political concerns that may or may not be evident to the scholar attempting a diagnosis (Mitchell, 2011). Health can also be inferred from human remains in archaeological contexts or the archaeological contexts themselves. Mass graves or multiple burials, for example, could signal an epidemic event (Blakely and Detweiler-Blakely, 1989; Rugg, 2000). Disease processes can leave traces in surviving soft tissue in the case of mummified individuals or in hard tissue, and as human remains that survive in the archaeological record are mostly skeletonized, bone tends to be the most common medium from which paleopathologists attempt to diagnose deceased, archaeological individuals. However, pathological changes in bone are not always specific to a single condition or infection, and not all conditions and infections leave signs in the Introduction 5 skeleton. For those conditions that can leave signs in the skeleton, whether or not this occurs depends on numerous factors, such as, for example, the immunocompetency of the individual or the severity of the infection. Even in the event that there are pathognomonic signs of a specific infection identified in a skeletonized individual, that information cannot be used to infer evolutionary dynamics of the infecting organism.

Alte mikrobielle DNA ist eine ausgezeichnete Quelle um Informationen über die Gesundheit der Menschen in der Vergangenheit zu gewinnen. Die Methoden zur effektiven Analyse sind noch jung und müssen weiter präzisiert werden. Next-Generation-Sequenzierungstechnologien machten es möglich, vollständige Bakteriengenome aus großen mikrobiellen Gemeinschaften menschlicher Überreste zu isolieren sowie die Gemeinschaften in ihrer Gesamtheit zu untersuchen. Die vorgelegte Dissertation veranschaulicht den Wert dieser beiden Ansätze durch die metagenomische Analyse verschiedener archäologischer Materialien: ein verkalkter Lungenknoten aus mumifizierten menschlichen Überresten, Dentin, Zahnstein und Latrinensedimenten. Im Verlauf der drei hier vorgestellten Projekte benutze ich das Genom eines Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) aus dem 17. Jahrhundert um den Zeitpunkt der Entstehung des Komplexes besser zu kalibrieren, untersuche anhand eines globalen Datensatzes die Dynamik in der DNA Erhaltung von Wirt und oralem Mikrobiom in Zahnstein und Zahnbein und untersuche die Konservierung microbieller DNA in zwei Latrinensedimentenproben für sowohl eukaryotische Parasiten als auch im Darm angesiedelte Mikroben. Manuskript A behandelt ein hochqualititives Mycobacterium tuberculosis-Genom. Die hohe Qualität des Genoms und das genau bekannte Todesjahr des Verstorbenen ermöglichen es uns, das Genom als sicheren Kalibrierungspunkt in der Bayesischen phylogenetischen Analyse zu verwenden und so den letzten gemeinsamen Vorfahren (tMRCA) für den gesamten MTBC und der Linie 4 des MTBC zu bestimmen. Diese Arbeit zeigt, dass der verkalkte Lungenknoten eine ausgezeichnete Quelle für MTBC-DNA darstellt und unterstützt die These der Verbindung zwischen der Entsehung der Tuberkulose und der Ausbreitung der Landwirtschaft und Tierzucht. Manuskript B bietet eine umfassende Untersuchung der DNA-Erhaltung in Zahnstein im Vergleich zum Zahnbein desselben Zahns und bestätigt systematisch Zahnstein als eine hervorragende Konservierungsumgebung für DNA über verschiedene Kontinente, Zeiträume und Individuen hinweg. Alle Zahnsteinproben weisen einen hohen Gehalt an genetischem Material der oralen Mikroben und geringen Mengen an Wirts DNA auf. Die Zahnsteinproben enthielten außerdem weniger Verunreinigungen aus der Umgebung. Interessanterweise enthielt auch das Zahnbein kleine Mengen von oralen Mikroben. Dies zeigt, dass Dentin in einigen Situationen als Proxy für einzelne orale Taxa verwendet werden kann. Diese Arbeit erhebt damit standartisiert die Erwartungen für die Erhaltung von DNA in Zahlstein. In Manuskript C wird eine Fallstudie in der interdisziplinären Paläomikrobiologie vorgestellt. Latrinensedimenteproben aus zwei mittelalterlichen Stätten, die zuvor bereits mikroskopisch analysiert wurden werden genetisch analysiert. Die metagenomischen Profile 165 beider Proben wurden auf eukaryotischen Parasiten und Erhaltung des Darm- Mikrobioms hin untersucht. Das Projekt zeigt, wie die Metagenomanalyse die Mikroskopie bei der Untersuchung der Gesundheit vergangener Bevölkerungungen ergänzen kann, indem sie einen enaueren Einblick in das Vorhandensein von Taxa, ihre Abstammungslinie und ihre Genomsequenzen bietet. Genetische Analysen können auch die unsichtbare Welt der zum Darmmikrobiom gehörenden Taxa aufdecken. Allerdings zeigt dieses Projekt auch viele Einschränkungen bei Analysen dieser Art auf. Die meisten Einschränkungen ergeben sich aus dem Mangel an modernen Genomsequenzen für eukaryotische Parasiten und nicht kultivierbarer Darmmikroben. Alte mikrobielle DNA ist eine ausgezeichnete Quelle um Informationen über die Gesundheit der Menschen in der Vergangenheit zu gewinnen. Die Methoden zur effektiven Analyse sind noch jung und müssen weiter präzisiert werden. Next-Generation- Sequenzierungstechnologien machten es möglich, vollständige Bakteriengenome aus großen mikrobiellen Gemeinschaften menschlicher Überreste zu isolieren sowie die Gemeinschaften in ihrer Gesamtheit zu untersuchen. Die vorgelegte Dissertation veranschaulicht den Wert dieser beiden Ansätze durch die metagenomische Analyse verschiedener archäologischer Materialien: ein verkalkter Lungenknoten aus mumifizierten menschlichen Überresten, Dentin, Zahnstein und Latrinensedimenten. Im Verlauf der drei hier vorgestellten Projekte benutze ich das Genom eines Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) aus dem 17. Jahrhundert um den Zeitpunkt der Entstehung des Komplexes besser zu kalibrieren, untersuche anhand eines globalen Datensatzes die Dynamik in der DNA Erhaltung von Wirt und oralem Mikrobiom in Zahnstein und Zahnbein und untersuche die Konservierung microbieller DNA in zwei Latrinensedimentenproben für sowohl eukaryotische Parasiten als auch im Darm angesiedelte Mikroben. Manuskript A behandelt ein hochqualititives Mycobacterium tuberculosis-Genom. Die hohe Qualität des Genoms und das genau bekannte Todesjahr des Verstorbenen ermöglichen es uns, das Genom als sicheren Kalibrierungspunkt in der Bayesischen phylogenetischen Analyse zu verwenden und so den letzten gemeinsamen Vorfahren (tMRCA) für den gesamten MTBC und der Linie 4 des MTBC zu bestimmen. Diese Arbeit zeigt, dass der verkalkte Lungenknoten eine ausgezeichnete Quelle für MTBC-DNA darstellt und unterstützt die These der Verbindung zwischen der Entsehung der Tuberkulose und der Ausbreitung der Landwirtschaft und Tierzucht. Manuskript B bietet eine umfassende Untersuchung der DNA-Erhaltung in Zahnstein im Vergleich zum Zahnbein desselben Zahns und bestätigt systematisch Zahnstein als eine hervorragende Konservierungsumgebung für DNA über verschiedene Kontinente, Zeiträume und Individuen hinweg. Alle Zahnsteinproben weisen einen hohen Gehalt an genetischem Material der oralen Mikroben und geringen Mengen an Wirts DNA auf. Die Zahnsteinproben enthielten außerdem weniger Verunreinigungen aus der Umgebung. Interessanterweise enthielt auch das Zahnbein kleine Mengen von oralen Mikroben. Dies zeigt, dass Dentin in einigen Situationen als Proxy für einzelne orale Taxa verwendet werden kann. Diese Arbeit erhebt damit standartisiert die Erwartungen für die Erhaltung von DNA in Zahlstein. In Manuskript C wird eine Fallstudie in der interdisziplinären Paläomikrobiologie vorgestellt. Latrinensedimenteproben aus zwei mittelalterlichen Stätten, die zuvor bereits mikroskopisch analysiert wurden werden genetisch analysiert. Die metagenomischen Profile Zusammenfassung 165 beider Proben wurden auf eukaryotischen Parasiten und Erhaltung des Darm- Mikrobioms hin untersucht. Das Projekt zeigt, wie die Metagenomanalyse die Mikroskopie bei der Untersuchung der Gesundheit vergangener Bevölkerungungen ergänzen kann, indem sie einen genaueren Einblick in das Vorhandensein von Taxa, ihre Abstammungslinie und ihre Genomsequenzen bietet. Genetische Analysen können auch die unsichtbare Welt der zum Darmmikrobiom gehörenden Taxa aufdecken. Allerdings zeigt dieses Projekt auch viele Einschränkungen bei Analysen dieser Art auf. Die meisten Einschränkungen ergeben sich aus dem Mangel an modernen Genomsequenzen für eukaryotische Parasiten und nicht kultivierbarer Darmmikroben. Zusammenfassend untersucht diese Arbeit die Möglichkeiten und Grenzen alter mikrobieller genetischer Daten bei der Erforschung der menschlichen Gesundheit und Krankheiten der Vergangenheit. Zusammenfassend untersucht diese Arbeit die Möglichkeiten und Grenzen alter mikrobieller genetischer Daten bei der Erforschung der menschlichen Gesundheit und Krankheiten der Vergangenheit.

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Sabin, S., 2019. Insights into microbial evolution and ecology from genetic analysis of diverse archaeological materials. Jena. https://doi.org/10.22032/dbt.40574
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