Большое сообщество микроорганизмов называет пищеварительный тракт человека своим домом. Этот динамичный конгломерат микроскопических форм жизни – микробиом кишечника – жизненно важен для того, как люди усваивают различные питательные вещества в пище, как их иммунная система реагирует на инфекцию и как они реагируют на различные лекарства. Более того, считается, что дисбаланс в микробиоме играет важную роль во многих заболеваниях человека.
Известно, что набор видов, обитающих в кишечнике, весьма индивидуален, и люди могут значительно различаться по набору видов, которые они укрывают. Новое исследование показывает, что различия между людьми могут быть еще глубже. В статье, опубликованной янв. 29 в Cell, исследователи из Вашингтонского университета показывают, что даже когда люди имеют общие микробы, точные штаммы, которые они переносят, могут сильно отличаться.
"Узнать больше об этих вариациях уровня деформации," сказал Эльханан Боренштейн, старший автор этой статьи и доцент кафедры генома Вашингтонского университета, "имеет решающее значение для понимания сложной взаимосвязи между составом сообщества микробов, живущих в кишечнике человека, и его влиянием на здоровье и болезни."
Однако выявление вариаций штаммов в микробиомах кишечника было научной задачей.
Лаборатория Боренштейна изучает микробиом человека как сложную систему и разрабатывает сложные вычислительные методы для анализа данных микробиома. Чтобы решить эту проблему, Боренштейн и его команда разработали новую схему для обширной характеристики генетических вариаций на уровне штаммов среди многих видов микробов, распространенных в кишечнике человека. Помимо Боренштейна, соавторами статьи являются два сотрудника его лаборатории: аспирантка Шэрон Гринблюм, которая возглавила этот проект, и научный сотрудник Роган Карр.
Авторы объяснили, что отдельные штаммы одного и того же вида микробов могут сильно различаться по набору генов, которые они кодируют, или по количеству копий каждого гена. Некоторые гены могут отсутствовать или присутствовать, или могут повторяться два или более раз, в зависимости от штамма.
Такое изменение числа копий гена может иметь большое влияние на возможности штамма. Он может играть роль в лекарственной устойчивости штамма, в его вирулентности, в видах биохимических соединений, которые он может поглощать из окружающей среды, в том, как он расщепляет вещества для получения энергии, или в его предпочтительном способе передвижения. Эти разные возможности разных штаммов, очевидно, могут влиять на образ жизни микроба, но многие из них также могут иметь последствия для здоровья человека-хозяина.
"Наша вычислительная структура обеспечивает способ оценки количества копий данного гена у данного вида непосредственно из метагеномных данных дробовика," Боренштейн сказал. Он имеет в виду метод геномного секвенирования для изучения всех генов, присутствующих в образце, содержащем сложную смесь видов микробов.
Используя новый вычислительный и статистический анализ, Боренштейн и его команда смогли точно сопоставить каждую последовательность с ее видом происхождения и оценить количество копий десятков тысяч генов у множества видов, обитающих в кишечнике, в микробиомах кишечника более сто человек. Затем исследователи идентифицировали более 5000 генов, охватывающих десятки видов, у которых были значительные вариации числа копий в микробиомах. Фактически, они обнаружили такие вариабельные гены у каждого проанализированного ими вида, причем некоторые виды показали вариабельность почти в четверти их генов.
При этом Боренштейн и его команда обнаружили широко распространенные и ранее не наблюдаемые вариации между штаммами и определили наличие многих новых штаммов обычных организмов. Они также рассмотрели последствия этих вариаций. Они обнаружили несколько функций, которые были особенно подвержены вариациям числа копий генов, включая подвижность, транспорт различных веществ и сбор энергии. Эти вариации штаммов могут показать, насколько легко и быстро микроорганизмы изменяются в ответ на кишечную среду. Самое интересное, что исследователи также обнаружили конкретные примеры вариаций штаммов, которые могут иметь клиническое значение, например, те, которые связаны с ожирением или воспалительным заболеванием кишечника.
До этого исследования у ученых еще не было исчерпывающего ресурса, документирующего масштабы вариабельности деформации кишечника, или строгого метода для характеристики таких вариаций. Поэтому они часто были вынуждены игнорировать возможное влияние вариаций внутри видов при анализе функционального репертуара кишечного микробиома и потенциальных последствий для человека, в котором он живет.
"Мы ожидаем, что анализ внутривидовой изменчивости микробиома кишечника и результирующий общедоступный каталог номеров копий генов, который мы предоставляем, послужат стимулом для новых способов изучения микробиома кишечника как сложной, высокоадаптивной системы," Боренштейн и его коллеги написали. Он добавил, что надеется, что это последнее исследование вызовет новые вопросы о микробной динамике в микробиоме кишечника и о потенциальных способах управления составом или функцией микробиома кишечника при лечении заболеваний.