Сколько звезд в наблюдаемой Вселенной? Когда-то этот вопрос считался неразрешимым, но астрономы нашли ответ - около одного миллиарда триллионов из них.
Теперь ученые из Гарвардской медицинской школы и Диабетического центра Джослина приступили к не менее сложной задаче: сколько генов содержится в микробиоме человека?
В исследовании, опубликованном 14 августа в журнале Cell Host & Microbe, группа микробиологов и биоинформатиков предлагает первое представление о множестве генов, которые составляют бактериальную вселенную, проживающую в каждом из нас.
Выводы на данный момент: в коллективном человеческом микробиоме может быть больше генов, чем звезд в наблюдаемой Вселенной, и по крайней мере половина этих генов, по-видимому, уникальна для каждого человека - разнообразие, намного превышающее ожидания исследователей..
Это исследование считается крупнейшим на сегодняшний день анализом такого рода и первым, в котором были использованы образцы ДНК бактерий, обитающих как во рту, так и в кишечнике. Прошлые исследования были сосредоточены на одном или другом.
Тем не менее, работа знаменует собой лишь начало усилий по анализу всего генома микробиома человека.
«Наше исследование является отправным пунктом, первым шагом на пути к пониманию того, как различия в содержании генов влияют на поведение микробов и изменяют риск заболевания», - сказал первый автор исследования Брейден Тирни, аспирант. в Гарвардской медицинской школе.
Микробная дактилоскопия для более точной терапии
Ученые подсчитали, что микробиом человека - совокупность микробов, населяющих наш кишечник, рот, кожу и другие части тела, - содержит триллионы бактерий, большинство из которых безвредны, многие из них полезны, а некоторые вызывают болезни. Все больше данных свидетельствуют о роли этих микробов как мощных модуляторов болезней и здоровья. Изменения как количества бактерий, так и их содержания были связаны с развитием заболеваний, начиная от кариеса зубов и кишечных инфекций и заканчивая более серьезными, включая хронические воспалительные заболевания кишечника, диабет и рассеянный склероз..
Большинство исследований на сегодняшний день были сосредоточены на картировании типов бактерий, которые населяют наши тела, чтобы определить, может ли и как присутствие данного вида бактерий влиять на риск заболевания. Напротив, новое исследование идет гораздо глубже, изучая гены, составляющие различные виды и штаммы микробов.
Изучение только видов бактерий может дать лишь частичное представление о роли этих микроорганизмов в заболевании и здоровье, говорят исследователи. Учитывая, что генетическое содержание у одних и тех же микробов сильно различается, понимание того, как и влияют ли отдельные микробные гены на риск заболевания, не менее важно.
«Так же, как нет двух генетически идентичных братьев и сестер, нет и двух генетически идентичных бактериальных штаммов», - сказал соавтор исследования Чираг Патель, доцент кафедры биомедицинской информатики в Институте Блаватника Гарвардской медицинской школы. «Два представителя одного и того же бактериального штамма могут иметь заметно различный генетический состав, поэтому информация только о видах бактерий может скрывать критические различия, возникающие в результате генетической изменчивости».
Каталогизация массива микробных генов может помочь в разработке точного лечения, сказал старший соавтор исследования Алекс Костик, доцент кафедры микробиологии Гарвардской медицинской школы и исследователь Диабетического центра Джослин.
«Такие узконаправленные методы лечения будут основываться на уникальном микробном генетическом составе человека, а не только на бактериальном типе», - сказал Костич.
Кроме того, профилирование уникальных генов, составляющих микробиом человека, может выступать в качестве формы микробного снятия отпечатков пальцев, которая дает ценные подсказки о прошлом воздействии различных патогенов или воздействий окружающей среды, а также о предрасположенности к заболеваниям, добавил Костик.
Эволюционный орган микроба
В ходе исследования исследователи намеревались оценить размер вселенной микробных генов в организме человека, собрав все общедоступные данные секвенирования ДНК микробиомов ротовой полости и кишечника человека. В общей сложности они проанализировали ДНК около 3500 образцов человеческого микробиома, из которых более 1400 были получены изо рта людей и 2100 - из их кишок.
Исследователи обнаружили около 46 миллионов бактериальных генов в 3 500 образцах: около 24 миллионов в микробиоме полости рта и 22 миллиона в микробиоме кишечника.
Более половины всех бактериальных генов (23 миллиона) встречались только один раз, что делает их уникальными для человека. Исследователи назвали эти уникальные гены «одиночками». Из 23 миллионов одиночек 11,8 миллиона были получены из образцов полости рта, а 12,6 миллиона - из образцов кишечника.
Усугубляет интригу то, что эти одноэлементные гены также ведут себя иначе, чем другие гены, как заметили исследователи: они выполняют разные функции.
Обычно общие гены, как показал анализ, по-видимому, участвуют в более или менее основных функциях, критически важных для повседневного выживания микроба, таких как потребление и расщепление ферментов, преобразование энергии и метаболизм. Уникальные гены, напротив, имели тенденцию выполнять более специализированные функции, такие как приобретение устойчивости к антибиотикам и другим воздействиям, а также помощь в создании защитной клеточной стенки микроба, защищающей его от внешних воздействий.
Это открытие, по словам команды, предполагает, что одиночные гены являются ключевыми частями эволюционного набора микробов для выживания.
«Некоторые из этих уникальных генов, по-видимому, важны для решения эволюционных задач», - сказал Тирни.«Если микроб должен стать устойчивым к антибиотику из-за воздействия лекарств или внезапно столкнуться с новым селективным давлением, гены-одиночки могут стать источником генетического разнообразия, из которого микроб сможет адаптироваться».
Но что питает такое разнообразие генов?
Ответ на этот вопрос остается предметом дальнейших исследований, заявили исследователи, но они считают, что есть по крайней мере два важных фактора генетической изменчивости.
Одним из них является любовь микробов к свободному обмену материалом ДНК со своими соседями - явление, известное как горизонтальный перенос генов. Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи провели особый тип анализа, который обнаруживает общее молекулярное содержимое между двумя организмами. К своему удивлению, они обнаружили мало доказательств того, что горизонтальный перенос генов был основным источником генетической уникальности. Действительно, менее 1 процента уникальных генов, обнаруженных в образцах ротовой полости, и чуть менее 2 процентов генов, обнаруженных в кишечнике, по-видимому, возникли в результате такого соседского обмена генами.
Таким образом, исследователи предполагают, что еще одним, более мощным фактором генетического разнообразия может быть способность бактерий быстро развивать свою ДНК в ответ на изменения в среде хозяина. Настоящее исследование не было разработано для точного определения изменений в окружающей среде, которые вызывают это изменение, но примеры таких изменений могут включать в себя то, какой тип пищи потребляет человек, какие лекарства он принимает, какой образ жизни он делает, с какими воздействиями окружающей среды он сталкивается и любые другие факторы. физиологические изменения в организме хозяина, в том числе повышение и понижение активности различных генов хозяина или развитие у человека болезни.
Так сколько же генов в коллективном микробиоме человека?
По одним расчетам, это число может составлять около 232 миллионов, по оценке исследования. Однако другая оценка дала число, сравнимое с количеством атомов во Вселенной.
Действительно, истинное число может быть неизвестно, сказал Патель.
"Что бы это ни было, мы надеемся, что наш каталог, наряду с веб-приложением с возможностью поиска, найдет много практического применения и положит начало многим направлениям исследований в области взаимоотношений хозяин-микроб".