Jak moderní výživa řídí rychlý vývoj střevních bakterií

Jak moderní výživa řídí rychlý vývoj střevních bakterií

Sledováním toho, jak se adaptivní geny pohybují střevními bakteriemi napříč kontinenty, vědci odhalují skrytou evoluční reakci na moderní stravu a životní styl a nový účinný způsob, jak studovat evoluci mikrobiomu.

Studie: Genově specifické selektivní zametání jsou všudypřítomné v lidském střevním mikrobiomu. Fotografický kredit: Danijela Maksimovic/Shutterstock.com

Nedávná studie vPřírodavyvinuli integrované skóre nerovnováhy vazeb (iLDS), novou statistiku selekčního skenování, k identifikaci adaptivních alel, které se šíří v hostitelském mikrobiomu prostřednictvím procesů zprostředkovaných rekombinací, včetně migrace a horizontálního přenosu genů (HGT). Toto podtrhuje Běžné selekční tlaky a jejich role při formování diverzity a funkce mikrobiomu.

Genetické adaptace ve střevním mikrobiomu

Různé druhy v lidském střevním mikrobiomu se v průběhu života člověka a dokonce i v průběhu několika generací mění a vyvíjejí. Studie ukazují, že střevní bakterie se často vyvíjejí rychle, přičemž nové mutace se objevují u zdravých dospělých během dnů nebo měsíců, a to i bez léčby antibiotiky. Je zapotřebí dalšího výzkumu, abychom pochopili, jak se tyto změny v průběhu času šíří na jednotlivce.

Když dojde k nové adaptaci ve střevním mikrobiomu člověka, může se rozšířit na ostatní prostřednictvím horizontálního přenosu genů (HGT). Lidské střevo je známým hotspotem HGT a usnadňuje začlenění užitečných genů do nových kmenů bakterií. HGT je důležitá pro šíření určitých genů, jako je antibiotická rezistence, zejména mezi různými druhy. Dosud není jasné, do jaké míry HGT usnadňuje pohyb adaptivních genů mezi kmeny stejného druhu, zejména prostřednictvím homologní rekombinace.

Když se adaptivní gen šíří populací prostřednictvím procesu zvaného „genově specifické“ selektivní zametání, mohou být zameteny sousední genetické varianty, které mohou být neškodné nebo potenciálně škodlivé. To znamená, že stejný úsek DNA, včetně adaptivního genu a těchto „stopařů“, se může vyskytovat v nepříbuzných kmenech bakterií, které žijí ve střevních mikrobiomech různých lidí. Toto sdílení DNA vytváří nápadný vzorec nazývaný zvýšená vazebná nerovnováha (LD). To znamená, že určité kombinace genů se objevují společně v blízkosti adaptivního genu častěji, než se očekávalo.

Skenování založené na LD pro selekci u bakterií bylo omezené, pravděpodobně kvůli prevalenci a dynamice rekombinace u mnoha bakteriálních druhů, zejména střevních komenzálů. Navíc statistiky založené na LD mohou být zmatečné jinými neselektivními evolučními silami, včetně demografických kontrakcí, které mohou zvýšit LD20.

Odhalení selekčních sil ve střevních bakteriálních populacích prostřednictvím vazebných vzorců nerovnováhy

Výzkumníci použili simulace k testování, zda pozitivní selekce a stopování zvyšují LD mezi nesynonymními variantami ve srovnání se synonymními variantami a zda se tento vzor vyskytuje pouze při výběru nebo se může objevit náhodně. Zjistili, že tento genetický vzorec nevzniká bez pozitivního výběru, a to ani za různých evolučních scénářů. Signatura se objevila pouze tehdy, když byla purifikační selekce silnější než drift a pozitivní selekce byla silnější než purifikační selekce. V takových případech by mohly slabě škodlivé varianty stopovat během rozmítání, což by vedlo ke zvýšení LD u běžných nesynonymních variant.

Poté, co simulace ukázaly, že selektivní zametání může zvýšit LD v běžných variantách, vědci měřili LD v lidských střevních bakteriích, aby zjistili, zda se tento vzor vyskytuje v přirozených populacích. Analyzovali metagenomická data od 693 lidí na třech kontinentech. Porovnáním hodnot sekvenování a identifikací vzorků s dominantním kmenem byli schopni spolehlivě určit haplotypy. To umožnilo výpočet LD mezi páry alel. Celkem bylo analyzováno 3 316 haplotypů od 32 druhů. Další důkazy byly shromážděny pomocí metagenomových sestavených genomů (MAG) a izolátů z 24 globálních populací. Protože LD může být ovlivněna strukturou populace, byly uvažovány pouze haplotypy z největší skupiny každého druhu.

U většiny analyzovaných druhů byla LD významně vyšší pro běžné nesynonymní varianty, což naznačuje pozitivní selekci. U vzácných variant byla LD nižší, což ukazuje na purifikační selekci. Tyto vzorce naznačují rozšířenou purifikaci a pozitivní selekci na nesynonymních místech střevních bakterií.

Aplikace iLDS ke studiu adaptací mikrobiálních genů ve střevě

Statistika iLDS byla vyvinuta pro identifikaci kandidátních genomových oblastí při současné pozitivní selekci měřením celkové LD a nesynonymní LD. Byl vypočítán v posuvných oknech napříč genomem a po standardizaci byly zvýrazněny odlehlé hodnoty. Současná studie testovala iLDS na simulovaných a skutečných datech Clostridioides difficile a prokázala citlivost na současné a probíhající kontroly při zachování nízké míry falešně pozitivních výsledků. V izolátech 135 C. difficile iLDS lokalizoval známé oblasti rozmítání, jako je tcdB a kazeta S-vrstvy, přičemž většina oblastí nevykazuje žádný signál, zatímco některé indikují výběr.

Bylo identifikováno šest rozmítání, včetně tcdB a S-vrstvy. iLDS překonala ostatní statistiky, protože se často shodovala se známými geny virulence a odhalila výkyvy konzistentní s rekombinací zprostředkovaným šířením adaptivních alel. Jeho účinnost byla potvrzena i na Helicobacter pylori a Drosophila melanogaster.

iLDS aplikovaný na 32 druhů střevních mikrobiomů identifikoval 155 sweepů ovlivňujících 447 genů, přičemž některé třídy genů, jako jsou geny pro využití škrobu susC/susD a glykosidové hydrolázy, byly podrobeny opakované selekci. To naznačuje, že metabolismus sacharidů a transportní geny byly často cíleny selekcí.

Geny mdxE a mdxF zapojené do transportu maltodextrinu byly selektovány ve střevních bakteriích metabolizujících škrob a vykazovaly známky nedávné rekombinace a horizontálního přenosu. Předchozí studie ukázaly, že industrializace je spojena se sníženou diverzitou mikrobiomu a zvýšenou rychlostí přenosu genů. Skenování iLDS odhalilo 309 zametání ve 24 populacích a 16 druzích, z nichž většina postihla pouze jednu populaci, což naznačuje místní adaptaci.

Třicet pět procent vyhledávání bylo provedeno mezi různými populacemi, z nichž některé byly globální. Industrializované skupiny sdílely výsledky častěji než neindustrializované skupiny, což naznačuje společné ekologické a nutriční výběrové tlaky.

Mezi oběma skupinami byly sdíleny pouze tři běhy, zatímco 32 bylo určeno pouze pro industrializované nebo neindustrializované obyvatelstvo. Lokus R. bromii mdxEF byl vybrán ve všech industrializovaných, ale ne v neindustrializovaných skupinách, což naznačuje adaptaci na moderní životní styl. Počty zametání na populaci byly mezi skupinami podobné, což ukazuje na srovnatelnou míru adaptace.

Závěry

Vývoj a aplikace iLDS ukázaly, jak selektivní tlak formuje střevní mikrobiom a jak se střevní bakterie přizpůsobují. Přestože byly detekovány stovky selektivních testů, konzervativní kalibrace iLDS pravděpodobně postrádala některé skutečně pozitivní výsledky, což naznačuje, že pozitivní selekce ve střevních komenzálech může být rozšířenější, než bylo pozorováno. Další studie lokusů identifikovaných pomocí iLDS jsou potřebné k objasnění toho, jak genetika mikrobiomů ovlivňuje fenotypy hostitele, pomáhá při diagnostice a léčbě nemocí a pomáhá při vývoji cílených probiotik.

Stáhněte si svou kopii PDF nyní!

Zdroje: