牙结石揭示3万年里史前意大利人口腔微生物组的演化和饮食变化

•研究可以帮助我们重建古人的食谱，了解古人的疾病和健康状况、生活方式等，并且为人类微生物组的演化提供时间标尺，有助于我们理解为什么现在人类微生物组的组成是这样的，回答人类、人类微生物组和自然环境三者是如何互相适应的。也回答了很多有趣的问题，激发我们的好奇心和探索欲。

近年来，许多研究揭示了微生物组和人类健康之间的关系。但微生物群落是如何进化的，仍然是一个尚待解锁的谜题。

11月23日，意大利帕多瓦大学（Università degli studi Padova）安德里亚·夸利亚里洛（Andrea Quagliariello）等人在《自然-通讯》（Nature Communications）上在线发表了题为“Ancient oral microbiomes support gradual Neolithic dietary shifts towards agriculture”的论文。研究结果基于牙结石（钙化牙菌斑）中发现的古DNA，揭示了史前意大利人口在由新石器时代向农业过渡的3万年里，口腔微生物组的演化和饮食变化。

公元前6200年左右，黎凡特（the Levant）的人口穿越地中海到达意大利半岛一个现在被称为阿普利亚（Apulia）的地区，意大利开始狩猎采集向农业生计的首次过渡。在第一阶段，几组家庭在小村庄里组织起来，生产一种名为“压印陶器”的典型陶瓷产品。接下来的两千年里，这些社区向北扩展，形成了更复杂的社会结构，并根据当地资源和环境条件调整其农业生计制度。

帕多瓦大学团队将该地区作为案例，比较了新石器时代的微生物组与旧石器时代晚期狩猎采集者和红铜时代人群的微生物组。他们首先分析了来自Paglicci洞穴（公元前31000–11000年）的9个旧石器时代晚期狩猎采集样本，以描述前农业微生物组。为了更好地描述与农业过渡相关的变化，他们又选择了从新石器时代（公元前6200-4000年）到红铜时代（公元前3500-2200年）的67个样本作比较，这组样本跨越了构成阿普利亚地区新石器时代的所有阶段，并对应不同的文化背景。

研究发现，古人的微生物组在两个时期发生了变化，分别是当地旧石器时代狩猎采集社区向新石器时代农业社会转型时，以及新石器时代晚期。研究者认为，检测到的大多数微生物组变化可能与农业转型带来的生存策略转变或新石器时代饮食的变化有关。

具体而言，在由旧石器时代向新石器时代转型时，随着农业生活方式的引入，古人的生存策略表现为对动物蛋白质和脂肪以及淀粉类碳水化合物食物的大量消费，同时碳水化合物的摄入存在不同。这驱动了古人微生物组组成的初始改变。相比旧石器时代，新石器时代样本中微小小单胞菌（Parvimonas micra）、龈沟产线菌(Filifactor alocis)等口腔疾病致病菌增加。后者还具有半乳糖代谢的特征，可能与奶制品的消费有关。

新石器时代早期和晚期之间的微生物组也存在显著差异。研究者在新石器时代晚期和红铜时代样本中检测出了丰富的二氧化碳噬纤维菌（Capnocytophaga spp.）、长奈瑟氏球菌(Neisseria elongata)等微生物，分别与素食者唾液微生物组和牙菌斑微生物组中膳食纤维的较高消耗有关。结合其他性状，研究者认为在新石器时代后半期，人们可能开始采用高碳水化合物/低蛋白的饮食方案，并且呈动物蛋白摄入量下降，植物蛋白摄入量增加的趋势，使得微生物组发生变化。此外，新石器时代晚期和红铜时代的样本表现出比之前更差的口腔健康状况。

帕多瓦大学团队指出，上述结论表明，随着新石器时代的到来，人们对当地的可用资源具有很强的适应性，向新生存战略的转变是渐进的，而非急剧的。

古人类的牙结石告诉我们什么信息？还可以怎样研究？澎湃科技专访厦门大学人类学研究所所长王传超教授，进行解读。王传超专注于通过古DNA和群体遗传学与语言学、历史学、考古学的交叉研究来解析东亚古今各族群的起源、迁徙、演化和混合过程。他的团队曾发布东亚地区规模最大的古人基因组研究，包含了166个距今8000到1000年前古人基因组捕获测序，首次通过古DNA精细解析东亚人群8000年来的形成历史。

【对话】

澎湃科技：请通俗地介绍下这项研究的发现。你如何评价这项研究？

王传超（厦门大学人类学研究所所长、教授）：作者对意大利中南部阿普利亚地区从旧石器时代晚期到新石器时代再到红铜时代的76个牙结石样本进行了DNA的提取和测序，分析了口腔中的古微生物种属系谱，发现史前狩猎采集人群过渡到农业人群的过程中口腔微生物种类发生了明显的变化，且变化主要发生在新石器时代晚期，说明口腔微生物的变化是在新石器化的过程中逐步发生的而不是一蹴而就的。

之前也有新石器化过程中人类口腔微生物变化相关的研究，但样本量都很小且分布地域广泛，不同地区的食物种类差异以及不同的生态环境条件都可能会影响结果的解读，而这项研究是在一个较小的固定区域内比较了跨越两万多年的70余例古代样本的牙结石，尽可能排除了不同地区的可能影响而且样本量较大，使得结果更可靠。

澎湃科技：古DNA的提取很难，从牙结石中提取古DNA在这一领域中的难度如何？牙结石为什么可以保存那么久？怎么确定发现的细菌是新石器时代的，它们不会随着时间而改变吗？

王传超：牙结石是正在矿化或已经完全矿化的牙菌斑，从牙结石中提取古DNA也非常困难，因为牙结石量少，不像骨骼和牙齿等可用材料量很多，但牙结石能够保存的DNA含量远远高于骨骼或牙齿本身，因为牙结石中的羟基磷灰石矿物可与DNA紧密结合，从而能更好地将遗传物质保留下来。

细菌是在牙结石中保留下来的，如果这些牙齿通过测年可追溯到新石器时代，那也就间接说明了附着其上的牙结石来自新石器时代；同时，DNA片段会随着时间而不断降解，末端会发生脱氨基作用而出现损伤，可以根据测序DNA片段的末端是否存在末端损伤以及损伤程度来判断是否属于古代细菌的DNA。

澎湃科技：76个样本，在古DNA研究中的样本量算大吗？

王传超：在目前的人类古DNA研究中，单篇论文有的能发表数百个古代样本的全基因组水平的数据，所以该研究的76个样本也不算样本量大的，只能是中等样本量，但这批样本的时间跨度大、代表性较好。

澎湃科技：研究者的一个结论是口腔健康状况的下降与向农业的转变有关。两者之间具体的关系是什么？

王传超：进入新石器时代，人类掌握了农业技术，有了稳定的食物来源，但食物多是高碳水化合物和低蛋白质的，口腔菌群中的致病菌种类此时也开始增多，比如牙周病病原菌，它们携带几种具有蛋白水解能力的毒力因子（如菌毛和蛋白酶），能够影响宿主结缔组织并引发免疫反应功能障碍；另外，牙龈卟啉单胞菌的存在也与一些口腔外炎症状况有关，如心血管疾病、糖尿病和阿尔茨海默病，并且似乎对宿主肠道微生物组成产生直接影响。

澎湃科技：研究所揭示的新石器时代饮食变化对口腔微生物组的影响，和今天的我们有关系吗？

王传超：人类微生物组是鉴定与阐明和人类健康与疾病相关的微生物的功能，近年来随着宏基因组学技术和方法的广泛应用，已成为了一个蓬勃发展的学科方向。研究发现人类微生物群落能够产生抗生素，其对与药物治疗相关的人类健康既有积极作用也有消极作用，甚至或会影响机体对癌症疗法的反应等。

通过牙结石研究古人的口腔微生物组，可以帮助我们重建古人的食谱，了解古人的疾病和健康状况、生活方式等，并且为人类微生物组的演化提供了时间标尺，有助于我们理解为什么现在人类微生物组的组成是这样的，帮我们回答我们人类、人类微生物组和自然环境三者是如何互相适应的。当然，这些基础研究本身可能不能给今天的我们带来直接的效益，但回答了很多有趣的问题，能激发我们的好奇心和探索欲。

澎湃科技：研究者说，人类微生物组的进化仍然是一个悬而未决的问题，古DNA的研究可能可以解释复杂的微生物群落如何随着时间的推移进化到目前的组成。如何通过古DNA进行人类微生物组进化的研究？这一领域的研究难点是什么？有什么最新进展？

王传超：通过古DNA进行人类微生物组进化的研究主要有两种可能的方式：一是纵向比较，通过对同一地域不同时间段或不同生计方式的古人的牙结石进行DNA提取和测序，鉴定其所包含的微生物的种属系谱；二是横向比较，通过对不同地域差不多相同时间段或相同生计方式的古人的牙结石进行DNA提取和测序，鉴定其所包含的微生物的种属系谱。当然，还可以将已灭绝古人类（尼安德特人、丹尼索瓦人等）的牙结石微生物组和我们现代人类的进行比较，更多地了解我们人类近亲的生活方式等。

这一领域的研究难点是样本获取困难，尤其是有代表性的可用样本更是稀少，同时古DNA的提取、测序、比对和污染排查等都有较大的难度。欧美研究机构最近几年多有开展牙结石DNA的研究，有很多有趣的进展，比如通过尼安德特人的牙结石重建其口腔微生物组，由此探究他们的饮食、健康和疾病状况等；通过对牙结石DNA的分析探究新石器化过程中的南欧古人的口腔微生物变化等。

澎湃科技：国内有人在做相关的研究吗？

王传超：国内目前没有做牙结石的微生物DNA研究，国内的牙结石研究主要集中在用牙结石淀粉粒追溯古人植物性食物的来源，或者通过牙结石检出率反映古人的口腔健康状况等。

参考资料：https://doi.org/10.1038/s41467-022-34416-0