Hvordan moderne ernæring driver den hurtige udvikling af tarmbakterier

Hvordan moderne ernæring driver den hurtige udvikling af tarmbakterier

Ved at spore, hvordan adaptive gener bevæger sig gennem tarmbakterier på tværs af kontinenter, afslører forskere en skjult evolutionær reaktion på moderne kostvaner og livsstil og en stærk ny måde at studere mikrobiom-evolution.

Undersøgelse: Genspecifikke selektive sweep er allestedsnærværende i det menneskelige tarmmikrobiom. Fotokredit: Danijela Maksimovic/Shutterstock.com

En nylig undersøgelse iNaturudviklet en integreret linkage disequilibrium score (iLDS), en ny selektionsscanningsstatistik, for at identificere adaptive alleler, der spredes over værtsmikrobiomet gennem rekombinationsmedierede processer, herunder migration og horisontal genoverførsel (HGT). Dette understreger Fælles selektionstryk og deres rolle i at forme mikrobiom diversitet og funktion.

Genetiske tilpasninger i tarmens mikrobiom

De forskellige arter i det menneskelige tarmmikrobiom ændrer sig og udvikler sig i løbet af en persons liv og endda på tværs af flere generationer. Undersøgelser viser, at tarmbakterier ofte udvikler sig hurtigt, med nye mutationer, der opstår inden for dage eller måneder hos raske voksne, selv uden antibiotikabehandling. Yderligere forskning er nødvendig for at forstå, hvordan disse ændringer spredes til individer over tid.

Når en ny tilpasning sker i en persons tarmmikrobiom, kan den spredes til andre gennem horisontal genoverførsel (HGT). Den menneskelige tarm er et kendt hotspot for HGT og letter inkorporeringen af ​​nyttige gener i nye bakteriestammer. HGT er vigtigt for spredningen af ​​visse gener, såsom antibiotikaresistens, især mellem forskellige arter. Til dato er det uklart, i hvilket omfang HGT letter bevægelsen af ​​adaptive gener mellem stammer af samme art, især gennem homolog rekombination.

Når et adaptivt gen spreder sig gennem en population via en proces kaldet "genspecifik" selektiv sweep, kan nabo genetiske varianter, der kan være harmløse eller potentielt skadelige, fejes med. Det betyder, at den samme strækning af DNA, inklusive det adaptive gen og disse "blaffere", kan forekomme i ubeslægtede stammer af bakterier, der lever i forskellige menneskers tarmmikrobiomer. Denne deling af DNA skaber et slående mønster kaldet øget koblingsuligevægt (LD). Det betyder, at visse kombinationer af gener vises sammen i nærheden af ​​det adaptive gen oftere end forventet.

LD-baserede scanninger for selektion i bakterier har været begrænset, muligvis på grund af forekomsten og dynamikken af ​​rekombination i mange bakteriearter, især intestinale kommensaler. Ydermere kan LD-baseret statistik blive forvirret af andre ikke-selektive evolutionære kræfter, herunder demografiske sammentrækninger, som kan øge LD20.

Afdækning af selektionskræfter i tarmbakteriepopulationer gennem koblingsuligevægtsmønstre

Forskere brugte simuleringer til at teste, om positiv selektion og blaffer øger LD mellem ikke-synonyme varianter sammenlignet med synonyme varianter, og om dette mønster kun forekommer under selektion eller kan forekomme tilfældigt. De fandt ud af, at dette genetiske mønster ikke opstår uden positiv selektion, selv under forskellige evolutionære scenarier. Signaturen fremkom kun, når rensende selektion var stærkere end drift, og positiv selektion var stærkere end rensende selektion. I sådanne tilfælde kan svagt skadelige varianter blaffe under et sweep, hvilket fører til øget LD for almindelige ikke-synonyme varianter.

Efter simuleringer viste, at selektive sweep kan øge LD i almindelige varianter, målte forskere LD i humane tarmbakterier for at bestemme, om dette mønster forekommer i naturlige populationer. De analyserede metagenomiske data fra 693 mennesker på tre kontinenter. Ved at matche sekventeringslæsninger og identificere prøver med en dominerende stamme var de i stand til pålideligt at bestemme haplotyper. Dette muliggjorde beregning af LD mellem par af alleler. I alt 3.316 haplotyper fra 32 arter blev analyseret. Yderligere beviser blev indsamlet ved hjælp af metagenom-samlede genomer (MAG'er) og isolater fra 24 globale populationer. Fordi LD kan påvirkes af befolkningsstrukturen, blev kun haplotyper fra den største gruppe af hver art overvejet.

I de fleste analyserede arter var LD signifikant højere for almindelige ikke-synonyme varianter, hvilket tyder på positiv selektion. For sjældne varianter var LD lavere, hvilket indikerer rensende selektion. Disse mønstre tyder på udbredt oprensning og positiv selektion på ikke-synonyme steder i tarmbakterier.

Anvendelse af iLDS til at studere mikrobielle gentilpasninger i tarmen

iLDS-statistikken blev udviklet til at identificere kandidat-genomiske regioner under aktuel positiv selektion ved at måle overordnet LD og ikke-synonym LD. Det blev beregnet i glidende vinduer på tværs af genomet og fremhævet afvigere efter standardisering. Den nuværende undersøgelse testede iLDS på simulerede og ægte Clostridioides difficile-data og demonstrerede følsomhed over for aktuelle og igangværende sweep, mens den bibeholdt en lav falsk positiv rate. I 135 C. difficile-isolater lokaliserede iLDS kendte sweep-regioner såsom tcdB og S-lagskassetten, hvor de fleste regioner ikke viser noget signal, mens nogle indikerer valg.

Seks sweep blev identificeret, inklusive tcdB og S-lag. iLDS klarede sig bedre end andre statistikker, fordi det ofte matchede kendte virulensgener og afslørede sweep i overensstemmelse med rekombinationsmedieret spredning af adaptive alleler. Dets effektivitet er også blevet bekræftet på Helicobacter pylori og Drosophila melanogaster.

iLDS anvendt på 32 tarmmikrobiomarter identificerede 155 sweep, der påvirkede 447 gener, med nogle klasser af gener, såsom stivelsesudnyttelsesgenerne susC/susD og glycosidhydrolaser, udsat for gentagen selektion. Dette antydede, at kulhydratmetabolisme og transportgener ofte var målrettet af selektion.

mdxE- og mdxF-generne involveret i maltodextrintransport blev udvalgt i stivelsesmetaboliserende tarmbakterier og viste tegn på nylig rekombination og horisontal overførsel. Tidligere undersøgelser har vist, at industrialisering er forbundet med reduceret mikrobiomdiversitet og øgede genoverførselshastigheder. iLDS-scanninger afslørede 309 sweep i 24 populationer og 16 arter, hvoraf de fleste kun påvirkede én population, hvilket tyder på lokal tilpasning.

Femogtredive procent af søgningerne blev udført mellem forskellige populationer, hvoraf nogle var globale. Industrialiserede grupper delte resultater oftere end ikke-industrialiserede grupper, hvilket tyder på fælles økologiske og ernæringsmæssige udvælgelsespresser.

Kun tre kørsler blev delt mellem de to grupper, mens 32 kun var for den industrialiserede eller ikke-industrialiserede befolkning. R. bromii mdxEF-locuset blev valgt i alle industrialiserede, men ikke i ikke-industrialiserede grupper, hvilket tyder på tilpasning til moderne livsstil. Antallet af feje pr. befolkning var ens mellem grupperne, hvilket indikerer sammenlignelige tilpasningsrater.

Konklusioner

Udviklingen og anvendelsen af ​​iLDS viste, hvordan selektivt tryk former tarmmikrobiomet, og hvordan tarmbakterier tilpasser sig. Selvom hundredvis af selektive sweep blev opdaget, savnede den konservative kalibrering af iLDS sandsynligvis nogle virkelig positive resultater, hvilket tyder på, at positiv selektion i tarmkommensaler kan være mere udbredt end observeret. Yderligere undersøgelser af loci identificeret af iLDS er nødvendige for at klarlægge, hvordan mikrobiom genetik påvirker værtsfænotyper, hjælp til diagnosticering og behandling af sygdomme og hjælp til udvikling af målrettede probiotika.

Download din PDF-kopi nu!

Kilder: