A study that was published today in Cell Host & Microbe explored for the first time the variation and evolution of Prevotella copri, a common human gut microbe. A research study conducted jointly by the University of Trento and Eurac Research in Bolzano/Bozen revealed that the evolution of dietary and hygienic habits in Western countries is associated with a decrease in the bacteria that help in digestion. These very bacteria were also found in the Iceman, who lived 5300 years ago, and are still present in non-Westernized populations in various parts of the world. The depletion of the microbiome may be associated with the increased prevalence, in Western countries, of complex conditions like allergies, autoimmune and gastrointestinal diseases, obesity
The intestinal microbiome is a delicate ecosystem made up of billions and billions of microorganisms, bacteria in particular, that support our immune system, protect us from viruses and pathogens, and help us absorb nutrients and produce energy. The industrialization process in Western countries had a huge impact on its content. This was confirmed by a study on the bacteria found in the intestine of Ötzi, the Iceman who, in 1991, emerged from the ice of the Ötztal Alps, where Italy borders with Austria. Scientists of Eurac Research examined samples of the mummy's bacteria, confirming the findings of the researchers of the University of Trento who had analyzed the genome of intestinal microorganisms of over 6500 individuals from all continents.
Previous studies by the University of Trento had demonstrated that there is a connection between the microbiome's bacterial content and the increase, in Western countries, of obesity, autoimmune and gastrointestinal diseases, allergies and other complex conditions. In the study that appeared today in Cell Host & Microbe, researchers from Cibio of the University of Trento and Eurac in Bolzano/Bozen demonstrated that the differences between Western and non-Western or prehistoric microbiome lie in the decrease of some types of bacteria that process complex and vegetal fibers in the intestine. That may have been caused by the Westernization process. Changes in diet, which is now higher in fat and low in fibers, a sedentary lifestyle in an urban setting, the development of new hygiene habits and the widespread use of antibiotics and other medical products have, with no doubt, made our life safer, but impacted the delicate balance of our microbiome.
The study
The scientists of Eurac Research in Bolzano/Bozen sequenced the Iceman's DNA and were able to identify his set of bacteria, while the researchers of the University of Trento compared it with the microbiome of contemporary non-Westernized populations (from Tanzania and Ghana in particular), which are not used to processed food and have non-Westernized hygiene practices and lifestyle. Their findings were surprising.
The study focused, in particular, on Prevotella copri, a microbe that, when is found in our intestine, is usually the most represented. P. copri is present in 30% of Western individuals. "First of all, we found out that P. copri it is not a monotypic species but is composed of four distinct but similar clades", explained Nicola Segata, coordinator of the study with Adrian Tett of Cibio of the University of Trento. "We then noticed that at least three of these four clades are almost always present in non-Westernized populations, but are much less prevalent in Westernized individuals. And when it is so, there usually is only one of the four clades. We postulated that the complex process of Westernization had a considerable impact on the gradual disappearance of this bacterium. Our hypothesis was confirmed by the analysis of ancient samples of DNA that were made available by Frank Maixner of the Institute for Mummy Studies at Eurac Research. The Iceman's guts contained three of the four clades of P. copri. And the four clades were also co-present in fossilized stool samples from Mexico that are more than one thousand years old. We still do not know what are the biomedical consequences of these changes of the microbiome which has evolved considerably in recent decades while the human body it colonizes has remained genetically practically unchanged for centuries". "Through these 'ancient' samples – continued Tett – we were able to study the evolution of these clades and now we know that they genetically delineated with the human species and before the initial human migrations out of the African continent".
The study is the result of close collaboration with the research group of Albert Zink and Frank Maixner at Eurac Research in Bolzano/Bozen. Their team was responsible for the collection and pre-analysis of the Iceman's DNA samples. "The relation between the evolution of the human species and the diversity of intestinal microorganisms, as a field of research, is still rather unexplored, but can yield important results in the future through the analysis of ancient DNA. For this reason, finding more advanced and less invasive techniques to obtain and analyze DNA from human remains is one of the major areas of research at Eurac" concluded the microbiologist of Eurac Research Frank Maixner.
About the article
The article, “The Prevotella copri complex comprises four distinct clades underrepresented in Westernized populations”, was published today in “Cell Host & Microbe”.
The paper is available in Open Access on the website of Cell Host & Microbe and at the following address
(DOI10.1016/j.chom.2019.08.018)
Forscher von Eurac Research und Universität Trient zeigen erstmals, wie die Vielfalt des Bakteriums Prevotella copri in unserem Darm verloren gegangen ist. Proben von Ötzi liefern die Bestätigung.
Der menschliche Körper ist von einer Vielzahl von Bakterien besiedelt. Unser Mikrobiom – die Gesamtheit all dieser „fremden“ Mikroorganismen in und auf uns – hat sich im Laufe der Zeit stark verändert. Dass die Hygiene- und Ernährungsgewohnheiten der industrialisierten Gesellschaften mit dem Verlust der bakteriellen Vielfalt in unserem Darm zusammenhängen, bestätigt jetzt eine Studie des Bozner Forschungszentrums Eurac Research und der Universität Trient. Die Forscher konzentrierten sich auf ein Bakterium: Prevotella copri. Es hilft bei der Verarbeitung von komplexen pflanzlichen Nahrungsmitteln und wie die Wissenschaftler entdeckten, ist es bei Gesellschaften mit ursprünglichem Lebensstil in großer Vielfalt noch vorhanden. Dieselbe Vielfalt zeigt sich auch noch bei Ötzis Darmprobe. Bei Menschen mit westlich geprägtem Lebensstil hingegen ist diese Bakterienvielfalt nahezu verschwunden, wie die Studie erstmals zeigt. Dieser Verlust der Vielfalt in unserer Darmflora könnte eine bedeutende Rolle bei komplexen Krankheitsbildern spielen, wie zum Beispiel bei Allergien, Autoimmunerkrankungen, Magen-Darm-Erkrankungen und zunehmendem Übergewicht. Die Studie ist im renommierten Fachmagazin „Cell Host & Microbe“ heute am 10.Oktober veröffentlicht worden.
Unsere Darmflora ist ein hochsensibles Ökosystem, das aus Milliarden von Mikroorganismen – hauptsächlich Bakterien – besteht. Sie schützen uns vor Viren und Krankheitserregern und helfen uns dabei, Nahrung aufzuspalten und in Energie umzuwandeln. Die Studie der Trientner und Bozner Forscher zeigt, dass Menschen, die sich hauptsächlich von komplexen und pflanzlichen Ballaststoffen ernähren, eine große bakterielle Vielfalt in ihrer Darmflora haben. Diese Vielfalt fanden die Forscher bei Menschen in nicht-westlichen und auch frühgeschichtlichen Gesellschaften, während sie bei Menschen mit westlich geprägtem Lebensstil einen deutlichen Schwund in der Vielfalt bestimmter Darmbakterien feststellten.
Die Studie untersucht erstmals das Darmbakterium Prevotella copri, das, wenn vorhanden, meist das vorherrschende Bakterium in der Darmflora ist. Die Forscher analysierten zunächst die DNA von Darmbakterien von über 6.500 Menschen aus allen Kontinenten. „Wir haben entdeckt, dass es vier verschiedene Varianten dieses Bakteriums gibt“, erklärt Nicola Segata von der Universität Trient, der die Studie gemeinsam mit seinem Institutskollegen Adrian Tett koordinierte. „Dann haben wir gesehen, dass stets drei dieser vier Varianten bei Proben aus Ghana und Tanzania vorkommen. Sie stammen von Menschen, die weniger vorprozessierten Lebensmittel zu sich nehmen, sondern vor allem faserige pflanzliche Nahrung. Bei Menschen mit westlichem Lebensstil hingegen war das Bakterium nur sehr selten auffindbar und wenn, dann meist nur eine einzige Variante davon“, führt Segata weiter aus. Dies verleitete die Forscher zu der Annahme, dass der westliche Lebensstil eine große Rolle beim Verlust der Vielfalt dieses Bakteriums spielen müsse. Hier kamen nun die Experten des Instituts für Mumienforschung von Eurac Research ins Spiel. Sie steuerten genetische Analysen antiker DNA bei. Zum einen lieferten sie mit einer bereits entschlüsselten Magenprobe der Gletschermumie Ötzi einen klaren Beweis: Drei der vier Varianten des Prevotella copri konnten die Bozner Forscher deutlich in der Darmflora des Mannes aus dem Eis identifizieren. Außerdem fanden sie alle vier Varianten des Bakteriums in fossilisierten Exkrementen, die aus der Zeit 600 n.Chr. aus einer Höhle von Mexiko stammen. „Durch den Vergleich der antiken DNA-Proben mit modernen Proben konnten wir die Evolutionsgeschichte des Prevotella copri erstmals nachzeichnen und die Vermutung untermauern, dass der westliche Lebensstil – Hygiene, unsere sanitäre Versorgung, die Ernährung durch vorprozessierte Lebensmittel – für den Verlust der bakteriellen Vielfalt im Magenmikrobiom verantwortlich ist“, unterstreicht Frank Maixner, der die Forschungsarbeit von Eurac Research gemeinsam mit Albert Zink koordinierte.
Welche medizinischen Folgen ein steter Rückgang der Vielfalt unseres Mikrobioms mit sich bringt, muss noch weiter erforscht werden. Vermutet wird ein Zusammenhang mit Mangelerscheinungen, Allergien, Übergewicht, schwachem Immunsystem. „Wie die Evolution des Menschen und die Vielfalt der Mikroorganismen im Darm zusammenhängen, ist ein noch wenig untersuchtes Forschungsfeld. Das Einbeziehen von antiken DNA-Proben wird uns noch viele entscheidende Erkenntnisse bringen“, ist sich Mikrobiologe Maixner sicher. „Deshalb ist auch einer der Schwerpunkte an unserem Institut das Verfeinern von minimal invasiven Techniken und die Analyse von kleinsten Proben, was für die Arbeit mit antikem Probenmaterial fundamental ist.“
Für weitere Informationen: frank.maixner@eurac.edu
Uno studio pubblicato oggi su Cell Host & Microbe analizza per la prima volta la diversità e l’evoluzione del batterio intestinale Prevotella copri.
Una ricerca congiunta dell’Università di Trento e di Eurac Research di Bolzano rivela come l’evoluzione della dieta e delle abitudini igienico sanitarie nei Paesi industrializzati sia connessa con la diminuita presenza di alcuni batteri considerati nostri alleati durante la digestione. Sono gli stessi batteri che si trovavano nell’Iceman vissuto 5300 anni fa e ancora oggi nelle popolazioni di altre parti del mondo con diversi modelli di sviluppo. L’impoverimento del microbioma potrebbe essere connesso con la maggiore incidenza in Occidente di patologie complesse, come allergie, malattie autoimmuni e gastrointestinali, e con l’aumento di obesità
Il microbioma intestinale è un delicato ecosistema composto da miliardi e miliardi di microrganismi, soprattutto batteri, che aiutano le nostre difese immunitarie, ci difendono da virus e agenti patogeni e ci aiutano nell’assorbimento dei nutrimenti e della produzione di energia. Ma il processo di industrializzazione delle popolazioni occidentali ha avuto un impatto rilevante sulla varietà della sua composizione. La conferma arriva da uno studio condotto sui batteri trovati nell’intestino di Ötzi, l’Uomo venuto dal ghiaccio, ritrovato nel 1991 tra le nevi delle Alpi Venoste al confine tra Italia e Austria. Il DNA dei batteri della mummia, analizzato dagli esperti di Eurac Research, ha confermato ciò che i ricercatori dell’Università di Trento avevano evidenziato analizzando il genoma dei microrganismi intestinali di oltre 6500 persone di tutti continenti.
Ricerche precedenti dell’Università di Trento avevano dimostrato che esiste un collegamento tra la composizione batterica del microbioma e l’aumento in Occidente dell’obesità, delle malattie autoimmuni e gastrointestinali, delle allergie e di molte altre patologie complesse.
In uno studio pubblicato oggi sulla rivista Cell Host & Microbe i ricercatori del Cibio dell’Università di Trento e di Eurac Research di Bolzano dimostrano come le differenze tra il nostro microbioma occidentale e quello non-occidentale o preistorico siano legate alla riduzione di alcuni tipi di batteri legati al processamento di fibre complesse e vegetali nel nostro intestino. La causa sarebbe da ricercare nelle conseguenze del processo di occidentalizzazione. Il cambiamento della dieta, più ricca di grassi e povera di fibre, lo stile di vita più sedentario e urbanizzato, lo sviluppo di nuove abitudini igieniche e la diffusione di antibiotici e altri medicinali hanno senz’altro reso la nostra vita più sicura, ma hanno anche avuto un impatto sul delicato equilibrio del nostro microbioma.
Lo studio - I ricercatori di Eurac Research di Bolzano hanno sequenziato il DNA dell’Iceman, ricostruendo il suo patrimonio di batteri e i ricercatori dell’Università di Trento lo hanno confrontato con quello di alcune popolazioni contemporanee non occidentalizzate (in particolare in Tanzania e in Ghana), cioè non abituate a consumare cibi raffinati e che hanno stili di vita e condizioni igienico sanitarie diverse da quelle occidentali. Con risultati sorprendenti.
Lo studio si è concentrato in particolare su “Prevotella copri”, un batterio che, quando presente, è quasi sempre il più abbondante nel nostro intestino. Prevotella copri colonizza il 30% circa dell’intestino gli occidentali. «Per prima cosa abbiamo scoperto che non si tratta di una sola specie, piuttosto di quattro specie distinte, anche se strettamente imparentate» spiega Nicola Segata, coordinatore dello studio insieme a Adrian Tett, sempre del Cibio dell’Università di Trento. «Poi abbiamo notato che almeno tre di queste quattro specie sono quasi sempre tutte presenti nelle popolazioni non-occidentalizzate, ma sono invece molto meno prevalenti nella popolazione occidentale. E quando invece in queste ultime si trova, vi è tipicamente una sola delle quattro specie. Abbiamo ipotizzato che il complesso processo di occidentalizzazione abbia una grossa influenza sulla possibile perdita di tale batterio. La nostra ipotesi è stata confermata dall’analisi di DNA antichi a cui abbiamo avuto accesso grazie alla collaborazione con Frank Maixner dell’Istituto per lo studio delle mummie di Eurac Research. Nell’intestino dell’Iceman, infatti, tre delle quattro le specie sono chiaramente identificabili. La stessa presenza multipla delle quattro specie è confermata anche nei campioni di feci fossilizzate dal Messico che risalgono a oltre mille anni fa. Resta da capire in futuro quali siano le conseguenze biomediche di un microbioma che è mutato rapidamente negli ultimi decenni ma che si trova a colonizzare il corpo umano che è rimasto invece praticamente immutato geneticamente negli ultimi secoli».
«L'uso di campioni "antichi" – continua Tett - ci ha anche permesso di studiare l'evoluzione di queste specie per le quali abbiamo ora evidenza che si siano geneticamente diversificate assieme al genere umano e prima delle iniziali migrazioni umane fuori dal territorio africano».
Lo studio è stato condotto in stretta collaborazione con il gruppo di ricerca di Albert Zink e Frank Maixner di Eurac Research di Bolzano. Il team del centro di ricerca altoatesino ha svolto la parte di raccolta e pre-analisi dei campioni di DNA dell’Iceman. «Il rapporto tra l’evoluzione del genere umano e la varietà dei microrganismi intestinali è un filone di studio ancora poco esplorato che in futuro darà risposte importanti grazie all’esame del DNA antico. Per questo la ricerca di tecniche sempre più avanzate e meno invasive per estrarre e analizzare il DNA dai reperti umani è uno dei principali focus del nostro Istituto” conclude il microbiologo di Eurac Research Frank Maixner.
Per maggiori informazioni: frank.maixner@eurac.edu