本研究では、口腔内細菌叢を解析した結果、現代と古代のTannerella forsythiaの病原性因子に大きな違いがあることを明らかにした

Analysis of oral microbiome from fossil human remains revealed the significant differences in virulence factors of modern and ancient Tannerella forsythia.

• Anna Philips
• Ireneusz Stolarek
• Luiza Handschuh
• Katarzyna Nowis
• Anna Juras
• Dawid Trzciński
• Wioletta Nowaczewska
• Anna Wrzesińska
• Jan Potempa
• Marek Figlerowicz

抄録

背景:

近年の次世代シークエンシング（NGS）の進歩により、数千年前の骨格遺体を含む様々な環境やソースから採取されたDNAのメタゲノム解析が可能になった。古代のサンプルから抽出されたDNAのほとんどが微生物であることが示されています。抽出されたDNAのかなりの割合が、研究対象となった個人の生前に同行していたバクテリアのものであることを示す報告がいくつかあります。

BACKGROUND: Recent advances in the next-generation sequencing (NGS) allowed the metagenomic analyses of DNA from many different environments and sources, including thousands of years old skeletal remains. It has been shown that most of the DNA extracted from ancient samples is microbial. There are several reports demonstrating that the considerable fraction of extracted DNA belonged to the bacteria accompanying the studied individuals before their death.

結果:

本研究では、1000年前と2000年前のヒトの歯から344個のマイクロバイオームをスキャンした。このデータセットは、ヒトの古代DNA（aDNA）とヒトの遺体に付随する微生物のDNAに関するこれまでの研究に由来するものである。その結果、多くのサンプルで感染症関連種が同定されており、その中には口腔内のヒトの病原体として最も一般的なものの一つであるTannerella forsythiaが含まれていることが明らかになった。そのため、完全なゲノムアッセンブリーを行うのに十分な量のT. forsythiaのaDNAを含む試料を選択し、徹底的な解析を行った。その結果、T. forsythiaを含む試料は対照試料に比べて歯周炎関連種の量が多いことが確認された。また、他の病原体由来のaDNAが検出されたが、これらの細菌のゲノムを合理的に再構成するにはあまりにも断片化されており、損傷を受けていた。また，T. forsythiaを含むサンプルを採取した古代頭蓋骨の人類学的検査では，進行性歯周炎に特徴的な歯の部位に病原性歯槽骨の喪失が認められた．最後に、古代のT. forsythia株の遺伝物質を解析した。その結果、4つの古代T. forsythiaゲノム（2000年前のものが1つ、1000年前のものが3つ）を構築した。その結果、現代のT. forsythiaゲノムと比較したところ、4つの古代株の遺伝的多様性は現代株に比べて低いことが明らかになった。また、T. forsythiaの病原性因子の遺伝子を調べたところ、そのうちのいくつかの遺伝子（KLIKKプロテアーゼとbspA遺伝子）が古代と現代で大きく異なることがわかった。

RESULTS: In this study we scanned 344 microbiomes from 1000- and 2000- year-old human teeth. The datasets originated from our previous studies on human ancient DNA (aDNA) and on microbial DNA accompanying human remains. We previously noticed that in many samples infection-related species have been identified, among them Tannerella forsythia, one of the most prevalent oral human pathogens. Samples containing sufficient amount of T. forsythia aDNA for a complete genome assembly were selected for thorough analyses. We confirmed that the T. forsythia-containing samples have higher amounts of the periodontitis-associated species than the control samples. Despites, other pathogens-derived aDNA was found in the tested samples it was too fragmented and damaged to allow any reasonable reconstruction of these bacteria genomes. The anthropological examination of ancient skulls from which the T. forsythia-containing samples were obtained revealed the pathogenic alveolar bone loss in tooth areas characteristic for advanced periodontitis. Finally, we analyzed the genetic material of ancient T. forsythia strains. As a result, we assembled four ancient T. forsythia genomes - one 2000- and three 1000- year-old. Their comparison with contemporary T. forsythia genomes revealed a lower genetic diversity within the four ancient strains than within contemporary strains. We also investigated the genes of T. forsythia virulence factors and found that several of them (KLIKK protease and bspA genes) differ significantly between ancient and modern bacteria.

結論:

以上のことから、我々は、古代ヒトマイクロバイオームのNGSスクリーニングが、疾患関連微生物の同定に有効なアプローチであることを示した。本研究では、口腔内細菌叢の一員であるT. forsythiaの出現、進化、病原性因子に関する新たな情報を提供した。

CONCLUSIONS: In summary, we showed that NGS screening of the ancient human microbiome is a valid approach for the identification of disease-associated microbes. Following this protocol, we provided a new set of information on the emergence, evolution and virulence factors of T. forsythia, the member of the oral dysbiotic microbiome.