كيف تقود التغذية الحديثة التطور السريع للبكتيريا المعوية

كيف تقود التغذية الحديثة التطور السريع للبكتيريا المعوية

من خلال تتبع كيفية تحرك الجينات التكيفية عبر بكتيريا الأمعاء عبر القارات، يكشف الباحثون عن استجابة تطورية مخفية للأنظمة الغذائية وأنماط الحياة الحديثة وطريقة جديدة قوية لدراسة تطور الميكروبيوم.

الدراسة: عمليات المسح الانتقائية الخاصة بالجينات موجودة في كل مكان في ميكروبيوم الأمعاء البشرية. مصدر الصورة: دانييلا ماكسيموفيتش/Shutterstock.com

دراسة حديثة فيطبيعةطورت درجة اختلال الارتباط المتكاملة (iLDS)، وهي إحصائية مسح اختيار جديدة، لتحديد الأليلات التكيفية التي تنتشر عبر الميكروبيوم المضيف من خلال عمليات إعادة التركيب، بما في ذلك الهجرة ونقل الجينات الأفقي (HGT). وهذا يؤكد ضغوط الاختيار الشائعة ودورها في تشكيل تنوع الميكروبيوم ووظيفته.

التكيفات الجينية في الميكروبيوم المعوي

تتغير الأنواع المختلفة في ميكروبيوم الأمعاء البشرية وتتطور على مدار حياة الشخص وحتى عبر أجيال متعددة. تشير الدراسات إلى أن بكتيريا الأمعاء تتطور بسرعة في كثير من الأحيان، مع ظهور طفرات جديدة في غضون أيام أو أشهر لدى البالغين الأصحاء، حتى بدون العلاج بالمضادات الحيوية. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لفهم كيفية انتشار هذه التغييرات إلى الأفراد مع مرور الوقت.

عندما يحدث تكيف جديد في الميكروبيوم المعوي لشخص ما، فإنه يمكن أن ينتشر إلى الآخرين من خلال نقل الجينات الأفقي (HGT). تعد الأمعاء البشرية نقطة ساخنة معروفة لـ HGT وتسهل دمج الجينات المفيدة في سلالات جديدة من البكتيريا. يعد HGT مهمًا لانتشار جينات معينة، مثل مقاومة المضادات الحيوية، خاصة بين الأنواع المختلفة. حتى الآن، ليس من الواضح إلى أي مدى يسهل HGT حركة الجينات التكيفية بين سلالات من نفس النوع، وخاصة من خلال إعادة التركيب المتماثل.

عندما ينتشر الجين التكيفي عبر مجموعة سكانية عبر عملية تسمى المسح الانتقائي "الخاص بالجين"، يمكن اجتياح المتغيرات الجينية المجاورة التي قد تكون غير ضارة أو قد تكون ضارة. وهذا يعني أن نفس امتداد الحمض النووي، بما في ذلك الجين التكيفي وهؤلاء "المتنقلين"، يمكن أن يحدث في سلالات غير مرتبطة من البكتيريا التي تعيش في ميكروبيومات الأمعاء لأشخاص مختلفين. يؤدي هذا التشارك في الحمض النووي إلى إنشاء نمط مذهل يسمى اختلال الارتباط المتزايد (LD). وهذا يعني أن مجموعات معينة من الجينات تظهر معًا بالقرب من الجين التكيفي في كثير من الأحيان أكثر من المتوقع.

كانت عمليات المسح المستندة إلى LD للاختيار في البكتيريا محدودة، ربما بسبب انتشار وديناميكيات إعادة التركيب في العديد من الأنواع البكتيرية، وخاصة المتعايشة المعوية. علاوة على ذلك، يمكن الخلط بين الإحصاءات المستندة إلى LD من قبل قوى تطورية غير انتقائية أخرى، بما في ذلك الانكماشات الديموغرافية، والتي يمكن أن تزيد من LD20.

الكشف عن قوى الاختيار في مجموعات البكتيريا المعوية من خلال أنماط اختلال التوازن

استخدم الباحثون عمليات المحاكاة لاختبار ما إذا كان الاختيار الإيجابي والتنقل يزيدان من LD بين المتغيرات غير المعروفة مقارنة بالمتغيرات المترادفة وما إذا كان هذا النمط يحدث فقط تحت الاختيار أو يمكن أن يحدث عن طريق الصدفة. ووجدوا أن هذا النمط الجيني لا ينشأ دون انتقاء إيجابي، حتى في ظل سيناريوهات تطورية مختلفة. ولم يظهر التوقيع إلا عندما كان الانتخاب المنقي أقوى من الانجراف وكان الانتخاب الإيجابي أقوى من الانتخاب المنقي. في مثل هذه الحالات، يمكن للمتغيرات الضارة بشكل ضعيف أن تتنقل أثناء عملية المسح، مما يؤدي إلى زيادة LD للمتغيرات الشائعة غير المعروفة.

بعد أن أظهرت عمليات المحاكاة أن عمليات المسح الانتقائية يمكن أن تزيد من LD في المتغيرات الشائعة، قام الباحثون بقياس LD في بكتيريا الأمعاء البشرية لتحديد ما إذا كان هذا النمط يحدث في التجمعات الطبيعية. وقاموا بتحليل البيانات الميتاجينومية من 693 شخصًا في ثلاث قارات. ومن خلال مطابقة قراءات التسلسل وتحديد العينات مع السلالة السائدة، تمكنوا من تحديد الأنماط الفردية بشكل موثوق. سمح هذا بحساب LD بين أزواج الأليلات. تم تحليل ما مجموعه 3316 نمطًا فرديًا من 32 نوعًا. تم جمع أدلة إضافية باستخدام الجينومات المجمعة الميتاجينوم (MAGs) وتم عزلها من 24 مجموعة سكانية عالمية. نظرًا لأن LD يمكن أن يتأثر بالتركيبة السكانية، فقد تم أخذ الأنماط الفردية فقط من المجموعة الأكبر من كل نوع بعين الاعتبار.

في معظم الأنواع التي تم تحليلها، كان LD أعلى بكثير بالنسبة للمتغيرات الشائعة غير المعروفة، مما يشير إلى اختيار إيجابي. بالنسبة للمتغيرات النادرة، كان LD أقل، مما يشير إلى اختيار التنقية. تشير هذه الأنماط إلى تنقية واسعة النطاق واختيار إيجابي في مواقع غير معروفة في بكتيريا الأمعاء.

تطبيق iLDS لدراسة التكيفات الجينية الميكروبية في الأمعاء

تم تطوير إحصائية iLDS لتحديد المناطق الجينومية المرشحة في ظل الاختيار الإيجابي الحالي عن طريق قياس LD الإجمالي و LD غير المرادف. تم حسابه في النوافذ المنزلقة عبر الجينوم وتسليط الضوء على القيم المتطرفة بعد التوحيد القياسي. اختبرت الدراسة الحالية iLDS على بيانات المطثية العسيرة المحاكاة والحقيقية وأظهرت حساسية لعمليات المسح الحالية والمستمرة مع الحفاظ على معدل إيجابي كاذب منخفض. في 135 عزلة صعبة، حددت iLDS مناطق المسح المعروفة مثل tcdB وكاسيت الطبقة S، حيث لا تظهر معظم المناطق أي إشارة بينما يشير بعضها إلى الاختيار.

تم تحديد ستة عمليات مسح، بما في ذلك tcdB وS-layer. تفوقت iLDS على الإحصائيات الأخرى لأنها تطابقت في كثير من الأحيان مع جينات الفوعة المعروفة وكشفت عن عمليات مسح متسقة مع انتشار الأليلات التكيفية بوساطة إعادة التركيب. كما تم تأكيد فعاليته على هيليكوباكتر بيلوري ودروسوفيلا ميلانوجاستر.

حددت iLDS المطبقة على 32 نوعًا من الميكروبات المعوية 155 عملية مسح تؤثر على 447 جينًا، مع تعرض بعض فئات الجينات، مثل جينات استخدام النشا susC/susD وهيدرولاز الجليكوسيد، للاختيار المتكرر. يشير هذا إلى أن استقلاب الكربوهيدرات وجينات النقل غالبًا ما يتم استهدافهما عن طريق الانتقاء.

تم اختيار جينات mdxE وmdxF المشاركة في نقل المالتوديكسترين في البكتيريا المعوية التي تستقلب النشا وأظهرت علامات إعادة التركيب الحديثة والانتقال الأفقي. أظهرت الدراسات السابقة أن التصنيع يرتبط بانخفاض تنوع الميكروبيوم وزيادة معدلات نقل الجينات. كشفت فحوصات iLDS عن 309 عملية مسح في 24 مجموعة و16 نوعًا، معظمها أثر على مجموعة واحدة فقط، مما يشير إلى التكيف المحلي.

تم إجراء خمسة وثلاثين بالمائة من عمليات البحث بين مجموعات سكانية مختلفة، وكان بعضها عالميًا. شاركت المجموعات الصناعية النتائج في كثير من الأحيان أكثر من المجموعات غير الصناعية، مما يشير إلى ضغوط اختيار بيئية وتغذوية مشتركة.

تم تقاسم ثلاث جولات فقط بين المجموعتين، في حين كانت 32 منها مخصصة للسكان الصناعيين أو غير الصناعيين فقط. تم اختيار موضع R. bromii mdxEF في جميع المجموعات الصناعية ولكن ليس في المجموعات غير الصناعية، مما يشير إلى التكيف مع أنماط الحياة الحديثة. وكانت أرقام الاجتياح لكل مجموعة سكانية متشابهة بين المجموعات، مما يشير إلى معدلات تكيف قابلة للمقارنة.

الاستنتاجات

أظهر تطوير وتطبيق iLDS كيف يشكل الضغط الانتقائي ميكروبيوم الأمعاء وكيف تتكيف بكتيريا الأمعاء. على الرغم من اكتشاف مئات من عمليات المسح الانتقائية، فمن المحتمل أن المعايرة المحافظة لـ iLDS أخطأت بعض النتائج الإيجابية حقًا، مما يشير إلى أن الانتقاء الإيجابي في تعايش الأمعاء قد يكون أكثر انتشارًا مما لوحظ. هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات حول المواقع التي تم تحديدها بواسطة iLDS لتوضيح كيفية تأثير وراثة الميكروبيوم على الأنماط الظاهرية للمضيف، والمساعدة في تشخيص الأمراض وعلاجها، والمساعدة في تطوير البروبيوتيك المستهدف.

قم بتنزيل نسختك PDF الآن!

مصادر: