Táplálkozási források fehérje bizonyítéka az ősi fogkőben

Jessica Hendy

1 Régészeti Tanszék, Max Planck Bölcsészettudományi Intézet, Jena, Németország

3 BioArCh, Régészeti Tanszék, University of York, York, Egyesült Királyság

Christina Warinner

2 Archeogenetikai Tanszék, Max Planck Bölcsészettudományi Intézet, Jena, Németország

4 Molekuláris antropológiai és mikrobiomkutatási laboratórium, Antropológiai Tanszék, Oklahoma Egyetem, Norman, USA

5 Evolúciós Orvostudományi Intézet, ETH-Zürich, Zürichi Egyetem, Zürich, Svájc

7 Periodontológiai Tanszék, Fogorvosi Főiskola, Oklahoma Egyetem Egészségtudományi Központ, Oklahoma, OK, USA

Abigail Bouwman

5 Evolúciós Orvostudományi Intézet, ETH-Zürich, Zürichi Egyetem, Zürich, Svájc

Matthew J. Collins

3 BioArCh, Régészeti Tanszék, University of York, York, Egyesült Királyság

8 EvoGenomics, Dán Természettudományi Múzeum, Koppenhágai Egyetem, Koppenhága, Dánia

Sarah Fiddyment

3 BioArCh, Régészeti Tanszék, University of York, York, Egyesült Királyság

Roman Fischer

10 Discovery Proteomics Facility, Target Discovery Institute, Oxfordi Egyetem, Oxford, Egyesült Királyság

Richard Hagan

2 Archeogenetikai Tanszék, Max Planck Bölcsészettudományi Intézet, Jena, Németország

4 Molekuláris antropológiai és mikrobiomkutatási laboratórium, Antropológiai Tanszék, Oklahoma Egyetem, Norman, USA

Courtney A. Hofman

4 Molekuláris antropológiai és mikrobiomkutatási laboratórium, Antropológiai Tanszék, Oklahoma Egyetem, Norman, USA

Malin Holst

3 BioArCh, Régészeti Tanszék, University of York, York, Egyesült Királyság

12 York Osteoarchaeology Ltd., Wilton püspök, York, Egyesült Királyság

Eros Chaves

7 Periodontológiai Tanszék, Fogorvosi Főiskola, Oklahoma Egyetem Egészségtudományi Központ, Oklahoma, OK, USA

13 Pinellas Dental Specialties, Largo, FL 33776, USA

Lauren Klaus

4 Molekuláris antropológiai és mikrobiomkutatási laboratórium, Antropológiai Tanszék, Oklahoma Egyetem, Norman, USA

7 Periodontológiai Tanszék, Fogorvosi Főiskola, Oklahoma Egyetem Egészségtudományi Központ, Oklahoma, OK, USA

Greger Larson

11 A paleogenomikai és bio-régészeti kutatási hálózat, Régészeti és Művészettörténeti Kutatólaboratórium, Oxfordi Egyetem, Oxford, Egyesült Királyság

Meaghan Mackie

8 EvoGenomics, Dán Természettudományi Múzeum, Koppenhágai Egyetem, Koppenhága, Dánia

9 Novo Nordisk Alapítvány Protein Research Center, Egészségügyi és Orvostudományi Kar, Koppenhágai Egyetem, Koppenhága, Dánia

Krista McGrath

3 BioArCh, Régészeti Tanszék, University of York, York, Egyesült Királyság

Amy Z. Mundorff

14 Antropológiai Tanszék, Művészeti és Tudományos Főiskola, University of Tennessee, Knoxville, TN, USA

Radita Anita

3 BioArCh, Régészeti Tanszék, University of York, York, Egyesült Királyság

Huiyun Rao

15 A Kínai Tudományos Akadémia gerinces evolúciójának és emberi eredetének legfontosabb laboratóriuma, Gerinces Paleontológiai és Paleoantropológiai Intézet, Kínai Tudományos Akadémia, Peking, Kína

Christian Trachsel

6 Funkcionális Genomikai Központ, ETH-Zürich, Zürichi Egyetem, Zürich, Svájc

Irina M. Velsko

11 A paleogenomikai és bio-régészeti kutatási hálózat, Régészeti és Művészettörténeti Kutatólaboratórium, Oxfordi Egyetem, Oxford, Egyesült Királyság

Camilla F. Speller

3 BioArCh, Régészeti Tanszék, University of York, York, Egyesült Királyság

16 Antropológiai Tanszék, British Columbia Egyetem, Vancouver, BC, Kanada

Társított adatok

A tömegspektrometriás adatok a ProteomeXchange konzorciumon keresztül érhetők el a PXD009603 csatlakozás alatt [54].

Absztrakt

1. Bemutatkozás

A régészeti fogkő az ősi DNS és fehérjék gazdag forrása, amely betekintést nyújt a múltbeli szájüregi mikrobaközösségekbe [1,2] és az ősi étrendekbe [3]. A fog plakk az élet során felhalmozódik a fog felszínén, és a nyálban és az íny crevicularis folyadékában lévő kalcium- és foszfátionok jelenlétében mineralizálódik, és fogkővé alakul (fogkő) [4,5]. Ennek során a fogkő magába foglalja és megőrzi a szájüregi mikrobiotához [1,2,6], a gazdához [7], valamint a belélegzett és/vagy lenyelt mikrohulladékhoz [8] kapcsolódó biomolekulákat, beleértve a környezeti vagy foglalkozási törmeléket [8,9] és élelmiszer-részecskék, például keményítők és fitolitok [10–14]. Konkrétan, az élelmiszerek nyomai közvetlenül az emberi szájból származhatnak, és egyedülálló módon felfedik az egyes elfogyasztott élelmiszerek pontos bizonyítékait, szemben az élelmiszerek elkészítésének (pl. Kerámiaedényeken lévő maradványok) vagy az ömlesztett étrend (pl. Stabil izotóp-elemzés) bizonyítékaival. Ezenkívül a fogkő kedvező feltételeket szolgáltat a biomolekuláris megőrzéshez, tekintettel arra, hogy a biomolekulák az in situ mineralizációval gyorsan elzáródnak, és így viszonylag védettek a környezeti változásoktól a posztmortem intervallum alatt [15].

Számos élelmiszer alulreprezentált a régészeti nyilvántartásban a diagnosztikus szövetek gyenge megőrzése miatt. Míg ezen élelmiszerek mikroszkopikus töredékei fennmaradhatnak a fogakban, valamint a talajban, kerámiában és az anyagi kultúra egyéb tárgyaiban (például köszörűkőben), a taxonómiai azonosítás kihívást jelenthet. A növényi mikrofosszíliák (pl. Fitolitok, keményítőszemcsék, pollen) gyakran nem diagnosztizálhatók, vagy csak magas rendszertani rangsorban azonosíthatók, például királyság (pl. Egyszikű) vagy család (pl. Poaceae), és másodlagos állati termékek (pl. Tej, tojás) ) kevés vagy egyáltalán nem hagyhat látható régészeti nyomot. Ezzel szemben a fehérjék robusztus és rendkívül diagnosztikus molekulák, amelyek évezredek és milliók között képesek fennmaradni régészeti és paleontológiai kontextusban [16,17]. Ezenkívül a fehérjék gyakran specifikus szövetekben expresszálódnak, ezáltal megkülönböztethetők a növények különböző részei (pl. Magvak a levelekkel szemben) [18] és az állatok (például az izom és a tej között) [3]. Ha az ilyen diagnosztikai fehérjék megmaradnak, akkor azok pontosabban azonosíthatják az élelmiszereket a régészeti bizonyítékok más vonalaival összehasonlítva, mint például a fauna maradványai, az ősi DNS és a stabil izotóp elemzés.

Az étrendi rekonstrukció szempontjából az ősi fehérjék elemzése új meglátásokat tár fel a korábbi élelmiszerek és edénytartalmak azonosításában. Példaként említhetjük az edényekhez tapadó fehérjmaradványokat [19–21], valamint a kovászos kenyér [22] és az erjesztett tejtermékek [23] tartósított maradványainak összetevőit. Ezek a megközelítések különösen ígéretesek azokban az esetekben, amelyek elősegítik a biomolekuláris megőrzést, mint például anaerob, vízzel teli [24], hideg [18] és száraz körülmények [20,25]. A tartósított tejfehérjék nemrégiben történt felfedezése az ókori régészeti fogászati kalkulusban [3] tovább terjeszti az étkezési fehérje-visszanyerést, a szokatlanul jól megőrzött kontextusokból származó rendkívüli leletek elemzésén túl egy olyan szubsztrátumig, amely rutinszerűen megőrzi sok csontvázcsoportot. Bár számos étrendi DNS-forrásról számoltak be a kalkulusban [2,26], a mai napig csak egyetlen osztály étkezési fehérjét (azaz tejet).

Ennek a kérdésnek a további feltárása érdekében újraelemezzük a 38 korábban publikált sörétes proteomikai adatsort a vaskortól az angliai viktoriánus időszakig [3] (1. ábra). Ezután egy újonnan kifejlesztett fehérje-extrakciós módszert, a gél-segédminta-előkészítést (GASP) [27] alkalmazunk 62 fogászati fogkőmintára tizennyolcadik és tizenkilencedik századi Angliából. Végül elemezzük a modern fogászati kalkulus 14 mintájában azonosított fehérjéket, hogy feltárjuk az étkezési fehérjék jelenlétét és megőrzését a korabeli mintákban.

A vizsgálat során elemzett régészeti fogászati kalkulus minták térképe. a) Nagy-Britannia térképe, amely bemutatja az ebben a tanulmányban elemzett régészeti lelőhelyek eloszlását, színkódolás szerint, időszakonként. Az ebben a tanulmányban elemzett régészeti lelőhelyekre vonatkozó részletes részletek, ideértve a helyszíni kódokat és a lerakat azonosítókat, megtalálhatók az elektronikus kiegészítő anyagban, az S2 táblázatban. A Norton-on-Tees két régészeti helyszínre utal - East Mill és a Bishopsmill School. (b) Az ebben a vizsgálatban elemzett fogászati példa (Lower St Brides, SK1932). (Online verzió színes.)

2. Anyag és módszerek

(összefoglaló

3. Eredmények és megbeszélés

(a) Azonosított fehérjék

Azonosított fehérjék száma a modern és az ősi fogászati kalkulusban, a mikrobiota, az emberi gazdaszervezet, a nem emberi állatok, a növények és a lehetséges laboratóriumi szennyeződések taksonómiai kategóriáihoz hozzárendelve (a feltételezett étrendi fehérjék későbbi megerősítése előtt). Az adatok 76 új mintát és 38 nyers adatfájl elemzését tartalmazzák, amelyeket a Warinner et al. [3]. (Online verzió színes.)

A régészeti (n = 26) és a modern (n = 4) fogkő mintáiból azonosított étrendi fehérjeforrások. a) A növényi és állati forrásokhoz rendelt azonosított étkezési fehérjék aránya. (b) A fogkőből származó azonosított étkezési fehérjék teljes száma (sötétebb árnyalatok a régészeti mintákat, a világos árnyalatok a modern mintákat jelzik). (c) Az α-S1-kazein (túró) és a β-laktoglobulin (tejsavó) tejfehérjék aránya, amelyet régészeti és modern fogkőmintákban azonosítottak. (Online verzió színes.)

(b) Fehérje-diagenesis és egyéni variációk

Az állandó földrajzi területről (Anglia) kinyert fogászati számminták időbeli transzkciója betekintést enged a régészeti fehérje-megőrzés széleskörű tendenciáiba (4. ábra). Statisztikailag szignifikáns különbség mutatkozott az összes fehérje-azonosításban az időtartamok között, egyirányú ANOVA-val meghatározva (F5,110 = 8,898, p (362K, docx)

Kiegészítő anyag

Köszönetnyilvánítás

Köszönjük a következő személyeknek, múzeumoknak és ügynökségeknek, hogy hozzáférést biztosítottak a csontvázgyűjteményekhez: Törvényszéki Antropológiai Központ a Tennessee Egyetemen, Knoxville-ben (Dawnie Steadman); Buglass János régészeti szolgálatok; Londoni Múzeum (Rebecca Redfern, Jelena Bekvalac); Természettudományi Múzeum (Ian Barnes, Heather Bonney, Robert Kruszynski); Oxfordi régészet (Louise Loe); Durhami Egyetem Régészeti Tanszék (Anwen Caffell, Rebecca Gowland); Leicesteri Egyetem Régészeti Szolgálatai; York Egyetem Régészeti Tanszék (Cath Neal); Washburn Örökség Központ; York Archaeological Trust for Excavation and Research Ltd (Christine McDonnell); York Osteoarchaeology Ltd (Katie Keefe). A szerzők ezenkívül szeretnék köszönetet mondani Simon Hickinbothamnak a számítási szkriptek előállításához nyújtott segítségért az adatelemzéshez, Frank Rühli az infrastruktúra támogatásáért és Monica Tromp a kézirattal kapcsolatos hasznos megjegyzésekért.

Etika

Az élő alanyok fogászati kalkulációját tájékozott beleegyezés alapján gyűjtötték össze, és a kutatási protokollokat jóváhagyta az Oklahomai Egyetem humán kutatási résztvevőinek védelmével foglalkozó intézményi felülvizsgálati bizottság (IRB # 4543).

Az adatok hozzáférhetősége

A tömegspektrometriás adatok a ProteomeXchange konzorciumon keresztül érhetők el a PXD009603 csatlakozás alatt [54].