Исследователи Массачусетского технологического института проанализировали популяционную геномику и метагеномику, чтобы изучить эволюцию микробиома Bacteroides fragilis, одной из наиболее распространенных бактерий, обнаруженных в толстом кишечнике человека. В статье, опубликованной 23 апреля в журнале Cell Host & Microbe, авторы описывают, как обычный кишечный микроб адаптируется и развивается внутри отдельных людей, а также в западных и восточных культурах.
Штаммы B. fragilis, которые растут у людей, миллионы лет находились в среде, похожей на кишечник, поэтому идея о том, что встреча с кишечником нового хозяина вызовет ряд новых адаптивных мутаций, и что эти комменсалы по-прежнему будут быстро развиваться, что нас удивило», - говорит Эрик Альм, профессор биологической инженерии и содиректор Центра микробиомной информатики и терапии в Массачусетском технологическом институте.
Анализ Альма и его коллег показал, что по крайней мере шестнадцать генов претерпевают внутричеловеческую эволюцию, и большинство мутаций нацелены на пути, связанные с поглощением волокон в клетке и биосинтезом клеточной оболочки. Хотя мутации, которые они наблюдали, происходили в одних и тех же типах генов снова и снова и в одних и тех же местах в этих генах, конкретный ген, который приобретал мутации у каждого человека, часто был разным, что свидетельствует о продолжающейся персонализации бактерий. «Разновидности Bacteroides помогают переваривать в толстой кишке сложные волокна, которые поступают из пищи, которую вы едите, поэтому их адаптация может быть связана с индивидуальной диетой», - говорит Шицзе Чжао, соавтор и член лаборатории Альма.
Объяснение того, почему именно эти гены становятся мишенью, может не ограничиваться только диетическим выбором. Например, возможно, что быстрая эволюция - это тактика, необходимая для того, чтобы избежать фагов и иммунных клеток. «Эти мутации могут быть ответственны за изменение того, как B.fragilis взаимодействует с иммунной системой», - говорит Тами Либерман (@contaminatedsci), соавтор, а ныне доцент кафедры гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института. от других представителей микробиома».
Кроме того, авторы обнаружили различия в мутациях между западными и восточными метагеномами, при этом один аллель высоко отобран для западных участников - с независимой мутацией у каждого человека - но редко у китайских субъектов. Это поразительное различие заключается в гене с неизвестной биологической ролью, но авторы считают, что выяснение источника разного давления на разных континентах может привести к новым открытиям.
Как правило, когда исследователи рассматривают изменения в микробиоме, они стремятся увидеть, остается ли постоянным видовой состав микробиома, а не то, что может измениться внутри одного конкретного вида. Но в свете этих открытий внимание к адаптивным способностям отдельных комменсалов, особенно в том, что касается выбора пробиотиков и микробной терапии, может стать более важным..
Это не страшно - я думаю, нам просто нужно знать и обдумывать тот факт, что вы можете провести обширное тестирование в лаборатории, но как только комменсал попадет туда и попадет в реального человека в В реальном мире он может развиваться - его фенотип может измениться - и это то, что трудно предвидеть», - говорит Альм.
Двигаясь вперед, авторы планируют провести более механистические исследования и провести метагеномный и геномный анализ различных видов комменсалов, как в болезненных, так и в здоровых условиях, чтобы лучше понять степень эволюции микробиома.
«Если этот образец кишечных бактерий, которые развиваются очень быстро после внедрения в нового хозяина, сохранится, то мы, вероятно, увидим совершенно разные пути развития у разных типов бактерий, и это будет довольно интересно», - говорит Альм..
Авторы признают, что эта работа была поддержана грантом от Broad Institute и Boehringer Ingelheim. Эрик Альм - соучредитель и акционер Finch Therapeutics, компании, которая специализируется на терапии, направленной на микробиомы.