Insights into microbial evolution and ecology from genetic analysis of diverse archaeological materials

The study of human health over time offers valuable pathways for understanding multiple aspects of human experience and biology. Determining the presence of a disease in an ancient individual or community can give us insights into daily life during that time, and comparing human microbiota between different human groups over time and space can offer insights into behavior and diet. Assessing the health of past populations may provide new perspectives on concomitant social or political changes, and contribute to our understanding of how those populations managed, or failed to manage, crises and change. On a broader level, identifying and interrogating humanity’s relationship with infectious and commensal microbes may offer insights into human evolution and adaptation. Most hopefully, the knowledge gained from the basic science of past human health may one day lead to discoveries that can be applied to modern medicine. For example, the evolutionary history of a specific pathogen may allow us to understand how it may behave in the future, and the constitution of ancient human microbiota may allow us to interrogate what taxa have been gained and lost over time in certain populations and what this may mean for modern oral and gut health. The study of past human health has always, by necessity, been an interdisciplinary endeavor. The task of diagnosis, difficult in living populations, becomes increasingly complicated with the passage of time, and the meaning and value of historical diagnosis, depending on the theoretical tides among medical historians, modern clinicians, and anthropologists, may fluctuate (Arrizabalaga, 2002; Waldron, 2009). Historical documentation or art pieces may offer verbal descriptions or visual depictions of ill health, but may be open to broad interpretation due to differing medical conventions and terminology over time and space, embellishment of the artist, or even political concerns that may or may not be evident to the scholar attempting a diagnosis (Mitchell, 2011). Health can also be inferred from human remains in archaeological contexts or the archaeological contexts themselves. Mass graves or multiple burials, for example, could signal an epidemic event (Blakely and Detweiler-Blakely, 1989; Rugg, 2000). Disease processes can leave traces in surviving soft tissue in the case of mummified individuals or in hard tissue, and as human remains that survive in the archaeological record are mostly skeletonized, bone tends to be the most common medium from which paleopathologists attempt to diagnose deceased, archaeological individuals. However, pathological changes in bone are not always specific to a single condition or infection, and not all conditions and infections leave signs in the Introduction 5 skeleton. For those conditions that can leave signs in the skeleton, whether or not this occurs depends on numerous factors, such as, for example, the immunocompetency of the individual or the severity of the infection. Even in the event that there are pathognomonic signs of a specific infection identified in a skeletonized individual, that information cannot be used to infer evolutionary dynamics of the infecting organism.Alte mikrobielle DNA ist eine ausgezeichnete Quelle um Informationen über die Gesundheit der Menschen in der Vergangenheit zu gewinnen. Die Methoden zur effektiven Analyse sind noch jung und müssen weiter präzisiert werden. Next-Generation-Sequenzierungstechnologien machten es möglich, vollständige Bakteriengenome aus großen mikrobiellen Gemeinschaften menschlicher Überreste zu isolieren sowie die Gemeinschaften in ihrer Gesamtheit zu untersuchen. Die vorgelegte Dissertation veranschaulicht den Wert dieser beiden Ansätze durch die metagenomische Analyse verschiedener archäologischer Materialien: ein verkalkter Lungenknoten aus mumifizierten menschlichen Überresten, Dentin, Zahnstein und Latrinensedimenten. Im Verlauf der drei hier vorgestellten Projekte benutze ich das Genom eines Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) aus dem 17. Jahrhundert um den Zeitpunkt der Entstehung des Komplexes besser zu kalibrieren, untersuche anhand eines globalen Datensatzes die Dynamik in der DNA Erhaltung von Wirt und oralem Mikrobiom in Zahnstein und Zahnbein und untersuche die Konservierung microbieller DNA in zwei Latrinensedimentenproben für sowohl eukaryotische Parasiten als auch im Darm angesiedelte Mikroben. Manuskript A behandelt ein hochqualititives Mycobacterium tuberculosis-Genom. Die hohe Qualität des Genoms und das genau bekannte Todesjahr des Verstorbenen ermöglichen es uns, das Genom als sicheren Kalibrierungspunkt in der Bayesischen phylogenetischen Analyse zu verwenden und so den letzten gemeinsamen Vorfahren (tMRCA) für den gesamten MTBC und der Linie 4 des MTBC zu bestimmen. Diese Arbeit zeigt, dass der verkalkte Lungenknoten eine ausgezeichnete Quelle für MTBC-DNA darstellt und unterstützt die These der Verbindung zwischen der Entsehung der Tuberkulose und der Ausbreitung der Landwirtschaft und Tierzucht. Manuskript B bietet eine umfassende Untersuchung der DNA-Erhaltung in Zahnstein im Vergleich zum Zahnbein desselben Zahns und bestätigt systematisch Zahnstein als eine hervorragende Konservierungsumgebung für DNA über verschiedene Kontinente, Zeiträume und Individuen hinweg. Alle Zahnsteinproben weisen einen hohen Gehalt an genetischem Material der oralen Mikroben und geringen Mengen an Wirts DNA auf. Die Zahnsteinproben enthielten außerdem weniger Verunreinigungen aus der Umgebung. Interessanterweise enthielt auch das Zahnbein kleine Mengen von oralen Mikroben. Dies zeigt, dass Dentin in einigen Situationen als Proxy für einzelne orale Taxa verwendet werden kann. Diese Arbeit erhebt damit standartisiert die Erwartungen für die Erhaltung von DNA in Zahlstein. In Manuskript C wird eine Fallstudie in der interdisziplinären Paläomikrobiologie vorgestellt. Latrinensedimenteproben aus zwei mittelalterlichen Stätten, die zuvor bereits mikroskopisch analysiert wurden werden genetisch analysiert. Die metagenomischen Profile 165 beider Proben wurden auf eukaryotischen Parasiten und Erhaltung des Darm- Mikrobioms hin untersucht. Das Projekt zeigt, wie die Metagenomanalyse die Mikroskopie bei der Untersuchung der Gesundheit vergangener Bevölkerungungen ergänzen kann, indem sie einen enaueren Einblick in das Vorhandensein von Taxa, ihre Abstammungslinie und ihre Genomsequenzen bietet. Genetische Analysen können auch die unsichtbare Welt der zum Darmmikrobiom gehörenden Taxa aufdecken. Allerdings zeigt dieses Projekt auch viele Einschränkungen bei Analysen dieser Art auf. Die meisten Einschränkungen ergeben sich aus dem Mangel an modernen Genomsequenzen für eukaryotische Parasiten und nicht kultivierbarer Darmmikroben. Alte mikrobielle DNA ist eine ausgezeichnete Quelle um Informationen über die Gesundheit der Menschen in der Vergangenheit zu gewinnen. Die Methoden zur effektiven Analyse sind noch jung und müssen weiter präzisiert werden. Next-Generation- Sequenzierungstechnologien machten es möglich, vollständige Bakteriengenome aus großen mikrobiellen Gemeinschaften menschlicher Überreste zu isolieren sowie die Gemeinschaften in ihrer Gesamtheit zu untersuchen. Die vorgelegte Dissertation veranschaulicht den Wert dieser beiden Ansätze durch die metagenomische Analyse verschiedener archäologischer Materialien: ein verkalkter Lungenknoten aus mumifizierten menschlichen Überresten, Dentin, Zahnstein und Latrinensedimenten. Im Verlauf der drei hier vorgestellten Projekte benutze ich das Genom eines Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) aus dem 17. Jahrhundert um den Zeitpunkt der Entstehung des Komplexes besser zu kalibrieren, untersuche anhand eines globalen Datensatzes die Dynamik in der DNA Erhaltung von Wirt und oralem Mikrobiom in Zahnstein und Zahnbein und untersuche die Konservierung microbieller DNA in zwei Latrinensedimentenproben für sowohl eukaryotische Parasiten als auch im Darm angesiedelte Mikroben. Manuskript A behandelt ein hochqualititives Mycobacterium tuberculosis-Genom. Die hohe Qualität des Genoms und das genau bekannte Todesjahr des Verstorbenen ermöglichen es uns, das Genom als sicheren Kalibrierungspunkt in der Bayesischen phylogenetischen Analyse zu verwenden und so den letzten gemeinsamen Vorfahren (tMRCA) für den gesamten MTBC und der Linie 4 des MTBC zu bestimmen. Diese Arbeit zeigt, dass der verkalkte Lungenknoten eine ausgezeichnete Quelle für MTBC-DNA darstellt und unterstützt die These der Verbindung zwischen der Entsehung der Tuberkulose und der Ausbreitung der Landwirtschaft und Tierzucht. Manuskript B bietet eine umfassende Untersuchung der DNA-Erhaltung in Zahnstein im Vergleich zum Zahnbein desselben Zahns und bestätigt systematisch Zahnstein als eine hervorragende Konservierungsumgebung für DNA über verschiedene Kontinente, Zeiträume und Individuen hinweg. Alle Zahnsteinproben weisen einen hohen Gehalt an genetischem Material der oralen Mikroben und geringen Mengen an Wirts DNA auf. Die Zahnsteinproben enthielten außerdem weniger Verunreinigungen aus der Umgebung. Interessanterweise enthielt auch das Zahnbein kleine Mengen von oralen Mikroben. Dies zeigt, dass Dentin in einigen Situationen als Proxy für einzelne orale Taxa verwendet werden kann. Diese Arbeit erhebt damit standartisiert die Erwartungen für die Erhaltung von DNA in Zahlstein. In Manuskript C wird eine Fallstudie in der interdisziplinären Paläomikrobiologie vorgestellt. Latrinensedimenteproben aus zwei mittelalterlichen Stätten, die zuvor bereits mikroskopisch analysiert wurden werden genetisch analysiert. Die metagenomischen Profile Zusammenfassung 165 beider Proben wurden auf eukaryotischen Parasiten und Erhaltung des Darm- Mikrobioms hin untersucht. Das Projekt zeigt, wie die Metagenomanalyse die Mikroskopie bei der Untersuchung der Gesundheit vergangener Bevölkerungungen ergänzen kann, indem sie einen genaueren Einblick in das Vorhandensein von Taxa, ihre Abstammungslinie und ihre Genomsequenzen bietet. Genetische Analysen können auch die unsichtbare Welt der zum Darmmikrobiom gehörenden Taxa aufdecken. Allerdings zeigt dieses Projekt auch viele Einschränkungen bei Analysen dieser Art auf. Die meisten Einschränkungen ergeben sich aus dem Mangel an modernen Genomsequenzen für eukaryotische Parasiten und nicht kultivierbarer Darmmikroben. Zusammenfassend untersucht diese Arbeit die Möglichkeiten und Grenzen alter mikrobieller genetischer Daten bei der Erforschung der menschlichen Gesundheit und Krankheiten der Vergangenheit. Zusammenfassend untersucht diese Arbeit die Möglichkeiten und Grenzen alter mikrobieller genetischer Daten bei der Erforschung der menschlichen Gesundheit und Krankheiten der Vergangenheit

A seventeenth-centuryMycobacterium tuberculosisgenome supports a Neolithic emergence of theMycobacterium tuberculosiscomplex

BACKGROUND: Although tuberculosis accounts for the highest mortality from a bacterial infection on a global scale, questions persist regarding its origin. One hypothesis based on modern Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) genomes suggests their most recent common ancestor followed human migrations out of Africa approximately 70,000 years before present. However, studies using ancient genomes as calibration points have yielded much younger dates of less than 6000 years. Here, we aim to address this discrepancy through the analysis of the highest-coverage and highest-quality ancient MTBC genome available to date, reconstructed from a calcified lung nodule of Bishop Peder Winstrup of Lund (b. 1605-d. 1679). RESULTS: A metagenomic approach for taxonomic classification of whole DNA content permitted the identification of abundant DNA belonging to the human host and the MTBC, with few non-TB bacterial taxa comprising the background. Genomic enrichment enabled the reconstruction of a 141-fold coverage M. tuberculosis genome. In utilizing this high-quality, high-coverage seventeenth-century genome as a calibration point for dating the MTBC, we employed multiple Bayesian tree models, including birth-death models, which allowed us to model pathogen population dynamics and data sampling strategies more realistically than those based on the coalescent. CONCLUSIONS: The results of our metagenomic analysis demonstrate the unique preservation environment calcified nodules provide for DNA. Importantly, we estimate a most recent common ancestor date for the MTBC of between 2190 and 4501 before present and for Lineage 4 of between 929 and 2084 before present using multiple models, confirming a Neolithic emergence for the MTBC

Next-generation museomics disentangles one of the largest primate radiations

Guenons (tribe Cercopithecini) are one of the most diverse groups of primates. They occupy all of sub-Saharan Africa and show great variation in ecology, behavior, and morphology. This variation led to the description of over 60 species and subspecies. Here, using next-generation DNA sequencing (NGS) in combination with targeted DNA capture, we sequenced 92 mitochondrial genomes from museum-preserved specimens as old as 117 years. We infer evolutionary relationships and estimate divergence times of almost all guenon taxa based on mitochondrial genome sequences. Using this phylogenetic framework, we infer divergence dates and reconstruct ancestral geographic ranges.We conclude that the extraordinary radiation of guenons has been a complex process driven by, among other factors, localized fluctuations of African forest cover. We find incongruences between phylogenetic trees reconstructed from mitochondrial and nuclear DNA sequences, which can be explained by either incomplete lineage sorting or hybridization. Furthermore, having produced the largest mitochondrial DNA data set from museum specimens, we document how NGS technologies can "unlock" museum collections, thereby helping to unravel the tree-of-life. [Museum collection; next-generation DNA sequencing; primate radiation; speciation; target capture.] © The Author(s) 2013.SCOPUS: ar.jinfo:eu-repo/semantics/publishe

Author Correction: The Anglo-Saxon migration and the formation of the early English gene pool.

See original record

The Anglo-Saxon migration and the formation of the early English gene pool.

The history of the British Isles and Ireland is characterized by multiple periods of major cultural change, including the influential transformation after the end of Roman rule, which precipitated shifts in language, settlement patterns and material culture1. The extent to which migration from continental Europe mediated these transitions is a matter of long-standing debate2-4. Here we study genome-wide ancient DNA from 460 medieval northwestern Europeans-including 278 individuals from England-alongside archaeological data, to infer contemporary population dynamics. We identify a substantial increase of continental northern European ancestry in early medieval England, which is closely related to the early medieval and present-day inhabitants of Germany and Denmark, implying large-scale substantial migration across the North Sea into Britain during the Early Middle Ages. As a result, the individuals who we analysed from eastern England derived up to 76% of their ancestry from the continental North Sea zone, albeit with substantial regional variation and heterogeneity within sites. We show that women with immigrant ancestry were more often furnished with grave goods than women with local ancestry, whereas men with weapons were as likely not to be of immigrant ancestry. A comparison with present-day Britain indicates that subsequent demographic events reduced the fraction of continental northern European ancestry while introducing further ancestry components into the English gene pool, including substantial southwestern European ancestry most closely related to that seen in Iron Age France5,6

The Anglo-Saxon migration and the formation of the early English gene pool

The history of the British Isles and Ireland is characterized by multiple periods of major cultural change, including the influential transformation after the end of Roman rule, which precipitated shifts in language, settlement patterns and material culture1. The extent to which migration from continental Europe mediated these transitions is a matter of long-standing debate2,3,4. Here we study genome-wide ancient DNA from 460 medieval northwestern Europeans—including 278 individuals from England—alongside archaeological data, to infer contemporary population dynamics. We identify a substantial increase of continental northern European ancestry in early medieval England, which is closely related to the early medieval and present-day inhabitants of Germany and Denmark, implying large-scale substantial migration across the North Sea into Britain during the Early Middle Ages. As a result, the individuals who we analysed from eastern England derived up to 76% of their ancestry from the continental North Sea zone, albeit with substantial regional variation and heterogeneity within sites. We show that women with immigrant ancestry were more often furnished with grave goods than women with local ancestry, whereas men with weapons were as likely not to be of immigrant ancestry. A comparison with present-day Britain indicates that subsequent demographic events reduced the fraction of continental northern European ancestry while introducing further ancestry components into the English gene pool, including substantial southwestern European ancestry most closely related to that seen in Iron Age France5,6

Ten millennia of hepatitis B virus evolution

Hepatitis B virus (HBV) has been infecting humans for millennia and remains a global health problem, but its past diversity and dispersal routes are largely unknown. We generated HBV genomic data from 137 Eurasians and Native Americans dated between ~10,500 and ~400 years ago. We date the most recent common ancestor of all HBV lineages to between ~20,000 and 12,000 years ago, with the virus present in European and South American hunter-gatherers during the early Holocene. After the European Neolithic transition, Mesolithic HBV strains were replaced by a lineage likely disseminated by early farmers that prevailed throughout western Eurasia for ~4000 years, declining around the end of the 2nd millennium BCE. The only remnant of this prehistoric HBV diversity is the rare genotype G, which appears to have reemerged during the HIV pandemic

The impact of frequently neglected model violations on bacterial recombination rate estimation: a case study in <i>Mycobacterium canettii</i> and <i>Mycobacterium tuberculosis</i>

Abstract Mycobacterium canettiiMycobacterium tuberculosisM. tuberculosisM. canettiiM. canettiiM. tuberculosi

Estimating molecular preservation of the intestinal microbiome via metagenomic analyses of latrine sediments from two medieval cities.

Ancient latrine sediments, which contain the concentrated collective biological waste of past whole human communities, have the potential to be excellent proxies for human gastrointestinal health on the population level. A rich body of literature explores their use to detect the presence of gut-associated eukaryotic parasites through microscopy, immunoassays and genetics. Despite this interest, a lack of studies have explored the whole genetic content of ancient latrine sediments through consideration not only of gut-associated parasites, but also of core community gut microbiome signals that remain from the group that used the latrine. Here, we present a metagenomic analysis of bulk sediment from medieval latrines in Riga (Latvia) and Jerusalem. Our analyses reveal survival of microbial DNA representative of intestinal flora as well as numerous parasites. These data are compared against parasite taxon identifications obtained via microscopy and ELISA techniques. Together, these findings provide a first glimpse into the rich prokaryotic and eukaryotic intestinal flora of pre-industrial agricultural populations, which may give a better context for interpreting the health of modern microbiomes. This article is part of the theme issue 'Insights into health and disease from ancient biomolecules'