Socialt liv muliggør spredning af genetiske effekter i tarmmikrobiomet

Socialt liv muliggør spredning af genetiske effekter i tarmmikrobiomet

Din "værelsekammerats" gener kan påvirke bakterierne, der lever i din tarm og omvendt, ifølge en rotteundersøgelse offentliggjort i dagNaturkommunikation.

Forskningen, der undersøgte mere end fire tusinde dyr, viser, at sammensætningen af ​​rottens tarmmikrobiom ikke kun er formet af et individs egne gener, men også af generne fra de individer, som de deler levested med.

Opdagelsen afslører en ny måde, hvorpå gener og socialt liv er sammenflettet: gennem udveksling af kommensale tarmmikrober, der bevæger sig mellem individer. Selvom gener ikke hopper mellem individer, kan mikrober. Undersøgelsen viste, at nogle gener favoriserer visse tarmbakterier, og at disse kan spredes gennem tæt social kontakt.

Dette er ikke magi, men resultatet af genetiske påvirkninger, der spredes til andre gennem sociale kontakter. Gener former tarmmikrobiomet, og vi opdagede, at det ikke kun er vores egne gener, der betyder noget."

Dr. Amelie Baud, forsker, Center for Genomisk Regulering, Barcelona og hovedforfatter af undersøgelsen

Tre nye gen-mikrobeforbindelser hos rotter

Tarmmikrobiomet er en samling af billioner af mikroorganismer, der lever i fordøjelseskanalen, hvor de spiller en nøglerolle i fordøjelsen og den generelle sundhed. Mens kost og medicin er kendt for at være blandt de vigtigste faktorer, der påvirker disse mikrobielle økosystemer, har det været vanskeligere at bestemme genetikkens bidrag.

Hos mennesker er kun to gener blevet pålideligt forbundet med tarmbakterier. Lactase-genet bestemmer, om voksne kan fordøje mælk og påvirker mælkefordøjende mikrober. ABO-blodgruppegenet virker også gennem mekanismer, der endnu ikke er blevet opdaget.

Der kan være andre sammenhænge mellem genetik og mikrober, men de er endnu ikke blevet bekræftet, fordi natur og næring er svære at adskille i den virkelige verden. For eksempel kan gener påvirke kost- og livsstilsvalg, som igen påvirker tarmmikrobiomet. Men familier og venner deler mad, hjem og mikrober, hvilket udvisker grænsen mellem naturens og kostens bidrag til tarmmikrobiomet.

I stedet henvendte forskere ved Center for Genomic Regulation og University of California San Diego sig til rotter. Dyrene deler mange træk ved pattedyrsbiologi, men kan opdrættes under kontrollerede forhold, såsom at give alle den samme kost.

Alle dyr var genetisk unikke og kom fra en af ​​fire forskellige kohorter, hver opstaldet på en anden facilitet i USA og med forskellige plejerutiner. Dette gjorde det muligt for forskerne at teste, hvilke genetiske effekter der varede i forskellige miljøer.

Ved at kombinere genetiske data og mikrobiomdata fra alle 4.000 rotter identificerede holdet tre genetiske regioner, der konsekvent påvirker tarmbakterier på trods af forskellige opvækstbetingelser på tværs af de fire kohorter.

Den stærkeste sammenhæng var mellem genet St6galnac1, som tilføjer sukkermolekyler til tarmslim, og overfloden af ​​Paraprevotella, en bakterie, som forskerne mener lever af disse sukkerarter. Det blev fundet i alle fire kohorter.

En anden region indeholdt adskillige mucin-gener, som danner det beskyttende slimlag i tarmen, og var forbundet med bakterier fra Firmicutes-gruppen. Den tredje region omfattede Pip-genet, som koder for et antibakterielt molekyle, og som var knyttet til bakterier i familien Muribaculaceae, som er almindeligt hos gnavere og også forekommer hos mennesker.

Gener har et socialt liv

Den store størrelse af kohorten gjorde det muligt for forskerne for første gang at vurdere, hvor meget af hver rottes mikrobiom, der blev forklaret af dens egne gener, og hvor meget af generne fra de andre rotter, den lever med.

Klassiske eksempler på dette fænomen, også kendt som indirekte genetiske effekter, er når en mors gener påvirker væksten eller immunsystemet af hendes afkom gennem det miljø, hun leverer.

De kontrollerede forhold i rotteundersøgelsen gjorde det muligt for forskere at undersøge disse effekter på helt nye måder. Undersøgelsens forfattere skabte en beregningsmodel til at adskille genetiske effekter på en rottes egne mikrober fra virkningerne af dens arbejdsmarkedsparter.

De fandt ud af, at mængden af ​​nogle Muribaculaceae var påvirket af både direkte og indirekte genetisk påvirkning, hvilket betyder, at nogle genetiske effekter spredte sig socialt gennem mikrobiel udveksling.

Når først disse sociale eller indirekte effekter blev inkluderet i en statistisk model, steg den overordnede genetiske indflydelse fire til otte gange for de tre nyopdagede gen-mikrobe forbindelser. Forskerne siger, at dette kun repræsenterer en brøkdel af det sande billede.

"Vi har formentlig kun opdaget toppen af ​​isbjerget," siger Dr. Baud. "Det er de bakterier, hvor signalet er stærkest, men mange flere mikrober kan blive påvirket, hvis vi har bedre mikrobiomprofileringsmetoder."

Ved at demonstrere, at genetiske påvirkninger kan kobles til overførsel af tarmmikrober, designer studieforfatterne en ny virkningsmekanisme, hvor et individs genetiske effekter kan påvirke hele sociale grupper og ændre andres biologi uden at ændre deres DNA.

Hvis lignende effekter opstår hos mennesker, og der er stigende beviser for, at tarmmikrobiomet spiller en vigtig rolle for sundheden, kan det betyde, at genetiske påvirkninger på menneskers sundhed er blevet undervurderet i store undersøgelser. Gener kan påvirke ikke kun én persons risiko for sygdom, men også risikoen for sygdom hos andre.

Hvad undersøgelsen betyder for menneskers sundhed

Ifølge Dr. Baud har mikrobiomet forbundet med alt fra immunitet og metabolisme til adfærd, men ikke alle rapporterede associationer afspejler årsagsvirkninger, og de præcise virkningsmekanismer er stadig uklare. Genetiske undersøgelser som deres, der bruger dyremodeller i kontrollerede miljøer, kan hjælpe med at flytte fra korrelationer til testbare årsagshypoteser og forklare, hvordan gener og tarmmikrobiomet interagerer for menneskers sundhed.

For eksempel bemærker forskerne, at St6galnac1-genet, de opdagede hos rotter, er funktionelt relateret til det menneskelige gen ST6GAL1, som også er blevet forbundet med Paraprevotella i andre undersøgelser. Det tyder på, at den måde, dyr beklæder deres tarmslimhinde på med sukker, kan afgøre, hvilke mikrober der kan trives i fordøjelsessystemet, og at dette kan være en fælles biologisk mekanisme på tværs af arter.

Undersøgelsens forfattere antager også, hvordan denne mulige mekanisme igen kan påvirke infektionssygdomme såsom COVID-19.

ST6GAL1 har tidligere i andre undersøgelser været forbundet med banebrydende SARS-CoV-2-infektioner, tilfælde hvor mennesker bliver smittet med COVID trods vaccination. Paraprevotella har også vist sig at inducere nedbrydningen af ​​de fordøjelsesenzymer, som virussen bruger til at trænge ind i værtens celler. Forskerne antager derfor, at genetiske varianter i ST6GAL1 kan påvirke Paraprevotella-frekvensen og dermed virusinfektionen.

De antager også, hvorfor nogle mennesker udvikler en autoimmun nyresygdom kaldet IgA nefropati. Paraprevotella kan ændre IgA, et antistof, der beskytter tarmen, men når det ændres, kan det trænge ind i blodbanen og danne klumper, der beskadiger nyrerne, kendetegnet ved IgA nefropati.

Forskerne ønsker nu at undersøge i detaljer, hvordan St6galnac1 påvirker Paraprevotella hos rotter, og hvilke biologiske kædereaktioner dette udløser i tarmen og i hele kroppen.

"Jeg er nu besat af denne bakterie. Vores resultater er understøttet af data fra fire uafhængige institutioner, hvilket betyder, at vi kan udføre opfølgende undersøgelser i ethvert nyt miljø. De er også bemærkelsesværdigt stærke sammenlignet med de fleste værts-mikrobiom-forbindelser. Dette er en unik mulighed," slutter Dr. Baud.

Kilder: