Mikrobiomveränderungen über Jahrtausende

Forschende aus Irland untersuchten gut erhaltene Mikrobiome von zwei 4.000 Jahre alten Zähnen, die in einer Kalksteinhöhle in Irland entdeckt wurden. Diese enthielten unter anderem Tannerella forsythia, sowie S. mutans, was selten in alten Genomen zu finden ist. Die Zähne, die beide von demselben Mann aus der Bronzezeit stammen, lieferten auch eine Momentaufnahme der Mundgesundheit, wobei ein Zahn Anzeichen einer Mikrobiom-Dysbiose aufwies.

S. mutans ist in heutigen oralen Mikrobiomen sehr häufig, in alten genomischen Aufzeichnungen jedoch außergewöhnlich selten. Ein Grund für seine Seltenheit könnte seine säureproduzierende Natur sein – diese Säure kann DNA abbauen und die Mineralisierung von Plaque verhindern. Das Fehlen von S. mutans-DNA in prähistorischen Körpern könnte auch auf weniger günstige Lebensräume für diese Art während des größten Teils der Menschheitsgeschichte zurückzuführen sein.

Die untersuchten Zähne gehörten zu einer großen Ansammlung von Skelettresten, die in einer Kalksteinhöhle in Killuragh, Grafschaft Limerick, ausgegraben wurden. Im Unterschied zu den anderen Zähnen gab es bei den untersuchten keine Anzeichen für Karies. Dennoch fand man an einem Zahn eine hohe Menge an Mutans-Sequenzen. Die kühlen, trockenen und alkalischen Bedingungen in der Höhle könnten zu der außergewöhnlichen Erhaltung der S. mutans-DNA beigetragen haben, aber ihre große Häufigkeit deutet auch auf eine Dysbiose hin. Die Forschenden stellten fest, dass zwar reichlich S. mutans-DNA vorhanden war, andere Streptokokkenarten in der Zahnprobe jedoch praktisch nicht vorkamen. Dies könnte darauf hindeuten, dass S. mutans die anderen Arten verdrängt hat, was schließlich zu einer Dysbiose führte.

Die Studie stützt die Hypothese des „verschwindenden Mikrobioms“, die besagt, dass die Mikrobiome unserer Vorfahren vielfältiger waren als unsere heutigen. Neben dem S. mutans-Genom rekonstruierten die Autoren zwei Genome von T. forsythia und stellten fest, dass sie stark voneinander abweichen, was auf eine viel größere Stammdiversität in prähistorischen Populationen schließen lässt. „Die beiden untersuchten Zähne enthielten recht unterschiedliche Stämme von T. forsythia“, erklärt Iseult Jackson, Erstautorin der Studie. „Diese Stämme aus einem einzigen alten Mund waren genetisch unterschiedlicher als jedes Paar moderner Stämme in unserem Datensatz, obwohl diese modernen Proben aus Europa, Japan und den USA stammten. Das ist interessant, weil ein Verlust der Artenvielfalt negative Auswirkungen auf die orale Umwelt und die menschliche Gesundheit haben kann.“

Die rekonstruierten Genome von T. forsythia und S. mutans zeigen dramatische Veränderungen in der oralen Mikroumgebung während der vergangenen 750 Jahre. Seitdem hat sich eine Linie von T. forsythia in den weltweiten Populationen durchgesetzt. Dies ist ein verräterisches Zeichen für eine selektive Episode, bei der ein Stamm aufgrund eines genetischen Vorteils rasch an Häufigkeit zunimmt. Die Forschenden fanden heraus, dass die Genome von T. forsythia nach der Industrialisierung viele neue Gene erworben haben, die es einfacher machen, die orale Umgebung zu besiedeln und Krankheiten zu verursachen.

Auch bei S. mutans gab es Anzeichen für jüngste Stammbaumerweiterungen und Veränderungen des Geninhalts, die mit der Popularisierung von Zucker zusammenfallen. Die Forschenden stellten aber fest, dass moderne S. mutans-Populationen vielfältiger geblieben sind als T. forsythia, wobei tiefe Spaltungen im Mutans-Evolutionsbaum vor dem Killuragh-Genom liegen.  Dies könnte auf Unterschiede in den evolutionären Mechanismen zurückzuführen sein, die die Genomvielfalt bei diesen Arten bestimmen.

„S. mutans ist sehr geschickt darin, genetisches Material zwischen verschiedenen Stämmen auszutauschen“, erklärt Lara Cassidy, leitende Autorin der Studie. „Dadurch kann eine vorteilhafte Innovation über die Mutans-Linien verbreitet werden, anstatt dass eine Linie dominant wird und alle anderen verdrängt.“ In der Tat haben sich diese beiden krankheitsverursachenden Bakterien von der Bronzezeit bis heute dramatisch verändert, aber es scheint, dass die jüngsten kulturellen Veränderungen, wie zum Beispiel der Konsum von Zucker, einen übermäßigen Einfluss hatten.