古老微生物DNA与蛋白质在人类遗骸附着结核中的保存机制及其考古学意义

本研究针对考古遗骸表面结核层中生物分子保存的空白，通过提取和分析新石器时代意大利Puglia遗址人类牙齿及附着结核中的古DNA(aDNA)和蛋白质，发现结核层虽缺乏人类aDNA但富含高质量古微生物基因组及口腔微生物组蛋白，为考古微生物组研究提供了新思路，相关成果发表于《iScience》。

　　

在探索人类演化历史的进程中，考古遗骸的生物分子分析已成为揭开古代社会面纱的关键钥匙。然而，一个长期被忽视的现象引起了科学家的注意——某些特定地质环境和时期的人类骨骼表面常覆盖着坚硬的结核层，这些由周期性水浸形成的矿物沉积物是否也封存了古老的生物信息？来自爱沙尼亚生物中心（Estonian Biocentre, Institute of Genomics, University of Tartu）的研究团队将目光投向了意大利Puglia新石器时代遗址Titolo出土的遗骸，他们发现这些被灰色结核紧密包裹的牙齿，正在默默讲述着一个关于微生物与人类共生的古老故事。

传统研究主要依赖牙齿和骨骼提取古DNA，但结核层的生物分子保存潜力始终是个未解之谜。这项研究创新性地采用双重提取策略，同步分析结核层与对应牙齿中的aDNA和蛋白质。通过高通量测序和质谱技术，研究人员不仅揭示了结核层特殊的生物分子保存模式，更意外发现了其中封存完好的古老微生物基因组——这些微生物正是数千年前人类口腔中的"原住民"。

关键技术方法包括：1）从3具新石器时代人类遗骸的牙齿、牙结石及附着结核层中提取aDNA；2）使用双链双索引文库构建和Illumina测序；3）KrakenUniq进行微生物组筛查；4）SourceTracker2溯源微生物群落组成；5）pFind和novor.cloud双平台蛋白质鉴定；6）RAxML构建微生物系统发育树。

研究结果

结核层与对应组织中人类aDNA的低保存率

所有样本的人类DNA含量均低于0.3%，且部分样本显示出可能来自现代污染的极低脱氨基率。结核层与对应牙齿组织相比，人类aDNA保存无显著差异，表明这类材料在人类遗传学研究中的应用受限。

结核层中口腔微生物组的可比性

微生物来源追踪显示，结核层样本PAL005E和PAL006C中50-80%的微生物种类源自人类口腔，与考古牙结石样本的微生物组成高度相似。其中硫酸盐还原菌Desulfobulbus oralis和Desulfomicrobium orale的丰度尤为突出，这些微生物可能参与了结核形成过程中的硫循环。

完整古口腔微生物基因组的获取

研究人员从结核层中成功重建了Anaerolineaceae bacterium oral taxon 439（口腔分类单元439）的全基因组，平均覆盖深度达2.5X以上。系统发育分析显示，这些新石器时代菌株与意大利其他同时期样本聚为一支，但与现代菌株明显分化，证实了结核层在保存古老微生物基因组方面的独特价值。

人类与细菌肽段的保存特征

质谱分析鉴定出13,657条独特肽段，对应2,938种蛋白质。结核层中不仅含有胶原蛋白（collagen alpha-1(I) chain），还保留了免疫球蛋白G（IgG）和凝血酶原（prothrombin）等宿主蛋白。特别值得注意的是，结核层与牙齿样本中均检测到人类口腔微生物组（HOM）特异性细菌肽段，如Ralstonia pickettii和Prevotella sp.的标记肽。

结论与意义

这项研究首次证实：尽管骨骼表面结核层难以保存人类遗传信息，却意外成为古老微生物组的"时间胶囊"。结核层中保存的微生物基因组与蛋白质组，为重建古代口腔生态系统提供了全新材料。研究揭示了三种重要机制：1）结核层通过矿物基质稳定微生物生物分子；2）革兰氏阳性菌（如Abot439）因其厚壁细胞结构更易在结核中保存；3）微生物功能群（如硫酸盐还原菌）可能参与结核形成过程。

该发现拓展了考古生物分子研究的材料范围，当传统样本（如牙结石）不可获取时，结核层可作为补充研究材料。未来研究可结合地质化学分析，揭示结核形成与生物分子保存的因果关系。论文提出的"结核层-微生物组-宿主"三方互作模型，为理解古代人类与环境的关系提供了新视角，相关方法也可应用于其他考古特殊沉积物的研究。

这项由Biancamaria Bonucci领衔的研究，通过跨学科方法破解了考古结核层的生物信息密码，其成果发表于《iScience》期刊，为考古微生物学研究开辟了新途径。