1摘要
口腔微生物组在人类生物学，健康和疾病中起着关键作用，但对该微生物群落的全球多样性，变异或进化知之甚少。为了更好地了解人类口腔微生物组的进化和变化的生态学，我们利用宏基因组技术分析了人类的124种牙石生物膜，包括尼安德特人和晚更新世，以及当今的现代人类，黑猩猩和大猩猩，以及新大陆吼猴进行比较。我们发现，在整个非洲原始人的进化过程中，牙石生物膜微生物群落中持续保留着一个核心微生物组，并且这些微生物群也与吼猴共享，这表明自4千万年来它们一直是重要的口腔成员。然而，群落结构和个体微生物系统发育并不能密切反映宿主关系，人和黑猩猩的牙石生物膜在主要微生物类别和功能上存在差异。
重建十万年前的口腔基因组，我们发现尼安德特人和现代人类的微生物谱非常相似，在营养代谢中具有功能适应性。这些包括明显的同源特异性获得唾液淀粉酶结合能力的口腔链球菌，表明微生物与宿主饮食共同适应。我们还发现了尼安德特人和旧石器时代的现代人类的口腔细菌中共有的遗传多样性证据，而在后来的现代人类种群中没有观察到。非洲原始人类口腔微生物组的差异提供了有关人类进化，人类微生物组的祖先状态以及了解微生物健康和疾病的时间框架的见识。
2主要结果
1. 牙石中口腔微生物的保留
我们从非洲和欧洲的多个种群中取样，并添加了之前发表的黑猩猩 (n = 1) 、尼安德特人 (n = 4) 和现代人类 (n = 10) 的微生物组数据，共124个个体（图A）。古代的牙石不同于内脏和考古时的骨头，但与现在的牙菌斑重叠（图B）。尼安德特人和他们的祖先旧石器时代的现代人表现出了与真实的aDNA一致的预期损伤模式，然而当代人却没有类似的情况（图C）。
图一 古牙石的样本位置及口腔微生物组鉴定
2. 非洲原始人口腔核心微生物组
我们计算了所有宿主类群中每个核心微生物属 (图A) 和种 (图B) 的交集，多数“核心”类群在所有三个非洲原始人属 (Gorilla Pan和Homo) 和吼猴中共享，而只有少数“核心”类群是非洲原始人属 (Gorilla Pan和Homo) 、Pan和Homo独有的。在属和种水平上的核心类群包括菌斑生物膜形成各阶段的知名成员，包括早期的殖民者链球菌和放线菌，桥接类群梭杆菌和棒状杆菌，以及晚期殖民者卟啉单胞菌和密螺旋体，尽管后两者只有黑猩猩和人属是“核心”菌群（图C）。
图二 非洲原始人口腔核心菌群具有较深的生物膜结构进化保守性
3. 非洲人口腔微生物组结构与宿主系统发育关系较弱
层次聚类分析表明，牙石微生物组倾向于按寄主属聚类，证实了群内相似性，但这些关系表现出不同于寄主的系统发育关系。例如，我们发现吼猴和大猩猩属于同一支系，是黑猩猩的一个分支。关于后者，可用的宏基因组数据没有提供任何与地理、时间段或疾病等因素的明确关联来解释这种模式。总的来说，大猩猩和吼猴的特点是有广泛的有氧和兼性厌氧分类群，而黑猩猩有更高水平的专性厌氧分类群，包括许多假定的周围病原体，尼安德特人一直属于现代人类的多样性。Homo以其丰富的链球菌种类而闻名，而在Pan中发现的链球菌种类的含量则低得多。
图三 非洲人牙石微生物群按宿主属和其他因素聚类
4. 口腔微生物物种的进化史反映了人的相互作用
在识别单核苷酸多态性(SNPs)时，许多共生口腔微生物缺乏足够的参考基因组增加了错误定位和噪声效应。然而，尽管面临这些挑战，并利用核心类群的代表性基因组，我们能够重建8个口腔细菌的系统发育树，在内部节点上有高启动支持。成分分析一样，重建的基因组水平序列倾向于与来自同一寄主属的序列聚类，但不能密切反映寄主的系统发育。总的来说，从大猩猩和黑猩猩身上重建的基因组水平序列之间的距离比黑猩猩和人类之间的更近。使用现代人类来源的微生物参考基因组产生的偏差可能在一定程度上促成了这种模式，但大猩猩和黑猩猩在整个进化过程中重叠的领土范围导致的微生物交换也可能是一个促成因素。
图四 以寄主属划分的非洲原始人口腔类群
5. 口腔生物膜的同源特异性变化与膳食淀粉利用率有关
蛋白功能水平的PCA分析显示不同的寄主之间高度分离（图A），不同于我们只观察到一个中等程度的分离（基于物种水平的PCoA分析，图一A），这表明原始人共享的微生物类群的基因功能组成更多的是宿主特异性的，而不是基于物种层面分类，这种模式在其他微生物系统中也有发现。推动人与非人类灵长类动物分离的基因主要与碳水化合物过程有关，人类存在的微生物物种的基因要丰富得多，而且主要来自链球菌，灵长类动物的肠道微生物群落中也观察到这种现象。
因此，我们使用基于生化特征和遗传亲缘关系的分类系统调查了我们的样本中链球菌的分布。我们发现，属于Mitis、Sanguinis和Salivarius群体的链球菌在人属中占主导地位，而这些相同的群体在黑猩猩中有效地缺失，而非人灵长类动物的特点是在Anginosus、Mutans和Pyogenic群体中链球菌种类的比例更高（图B）。淀粉酶结合蛋白基因 (如abpA和abpB) 没有同源性，而是通过趋同进化产生了相似的表型，它们几乎只在口腔链球菌中发现。基因组分析结果表明abpA存在于所有已测序的人身上，而且abpA在现代人类中尤其普遍（图C）。这表明，口腔链球菌的进化与宿主饮食的变化有关，并支持了富含淀粉的食物在人类进化中的早期重要性。
图五 非洲人口腔微生物群的代谢功能和链球菌淀粉酶结合基因含量是不同的
原文信息
The evolution and changing ecology of the African hominid oral microbiome
2021-5-18, doi: 10.1073/pnas.2021655118