Πώς η σύγχρονη διατροφή οδηγεί την ταχεία ανάπτυξη των εντερικών βακτηρίων

Πώς η σύγχρονη διατροφή οδηγεί την ταχεία ανάπτυξη των εντερικών βακτηρίων

Παρακολουθώντας τον τρόπο με τον οποίο τα προσαρμοστικά γονίδια κινούνται μέσω των βακτηρίων του εντέρου σε όλες τις ηπείρους, οι ερευνητές αποκαλύπτουν μια κρυφή εξελικτική απάντηση στις σύγχρονες δίαιτες και τον τρόπο ζωής και έναν ισχυρό νέο τρόπο μελέτης της εξέλιξης του μικροβιώματος.

Μελέτη: Οι ειδικές για το γονίδιο επιλεκτικές σαρώσεις είναι πανταχού παρούσες στο μικροβίωμα του ανθρώπινου εντέρου. Φωτογραφία: Danijela Maksimovic/Shutterstock.com

Μια πρόσφατη μελέτη στοΦύσηανέπτυξε μια βαθμολογία ολοκληρωμένης ανισορροπίας σύνδεσης (iLDS), μια νέα στατιστική επιλογής σάρωσης, για τον εντοπισμό προσαρμοστικών αλληλόμορφων που εξαπλώνονται σε όλο το μικροβίωμα του ξενιστή μέσω διαδικασιών που διαμεσολαβούνται από τον ανασυνδυασμό, συμπεριλαμβανομένης της μετανάστευσης και της οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων (HGT). Αυτό υπογραμμίζει Κοινές πιέσεις επιλογής και ο ρόλος τους στη διαμόρφωση της ποικιλότητας και της λειτουργίας του μικροβιώματος.

Γενετικές προσαρμογές στο εντερικό μικροβίωμα

Τα διαφορετικά είδη στο μικροβίωμα του ανθρώπινου εντέρου αλλάζουν και αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια της ζωής ενός ατόμου και ακόμη και σε πολλές γενιές. Μελέτες δείχνουν ότι τα βακτήρια του εντέρου συχνά εξελίσσονται γρήγορα, με νέες μεταλλάξεις να εμφανίζονται εντός ημερών ή μηνών σε υγιείς ενήλικες, ακόμη και χωρίς αντιβιοτική θεραπεία. Απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να κατανοηθεί πώς αυτές οι αλλαγές εξαπλώνονται στα άτομα με την πάροδο του χρόνου.

Όταν μια νέα προσαρμογή εμφανίζεται στο μικροβίωμα του εντέρου ενός ατόμου, μπορεί να εξαπλωθεί σε άλλους μέσω οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων (HGT). Το ανθρώπινο έντερο είναι ένα γνωστό hotspot για το HGT και διευκολύνει την ενσωμάτωση χρήσιμων γονιδίων σε νέα στελέχη βακτηρίων. Η HGT είναι σημαντική για τη διάδοση ορισμένων γονιδίων, όπως η αντίσταση στα αντιβιοτικά, ιδιαίτερα μεταξύ διαφορετικών ειδών. Μέχρι σήμερα, δεν είναι σαφές σε ποιο βαθμό το HGT διευκολύνει την κίνηση προσαρμοστικών γονιδίων μεταξύ στελεχών του ίδιου είδους, ιδιαίτερα μέσω ομόλογου ανασυνδυασμού.

Όταν ένα προσαρμοστικό γονίδιο εξαπλώνεται σε έναν πληθυσμό μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται επιλεκτική σάρωση «ειδική για το γονίδιο», γειτονικές γενετικές παραλλαγές που μπορεί να είναι αβλαβείς ή δυνητικά επιβλαβείς μπορούν να παρασυρθούν. Αυτό σημαίνει ότι το ίδιο τμήμα DNA, συμπεριλαμβανομένου του προσαρμοστικού γονιδίου και αυτών των «ωτοστόπ», μπορεί να εμφανιστεί σε άσχετα στελέχη βακτηρίων που ζουν στα μικροβιώματα του εντέρου διαφορετικών ανθρώπων. Αυτή η κοινή χρήση του DNA δημιουργεί ένα εντυπωσιακό μοτίβο που ονομάζεται αυξημένη ανισορροπία σύνδεσης (LD). Αυτό σημαίνει ότι ορισμένοι συνδυασμοί γονιδίων εμφανίζονται μαζί κοντά στο προσαρμοστικό γονίδιο πιο συχνά από το αναμενόμενο.

Οι σαρώσεις με βάση την LD για επιλογή σε βακτήρια έχουν περιοριστεί, πιθανώς λόγω του επιπολασμού και της δυναμικής του ανασυνδυασμού σε πολλά βακτηριακά είδη, ιδιαίτερα εντερικά εντερικά. Επιπλέον, οι στατιστικές που βασίζονται σε LD μπορούν να συγχέονται από άλλες μη επιλεκτικές εξελικτικές δυνάμεις, συμπεριλαμβανομένων των δημογραφικών συσπάσεων, οι οποίες μπορούν να αυξήσουν την LD20.

Αποκάλυψη δυνάμεων επιλογής σε βακτηριακούς πληθυσμούς του εντέρου μέσω μοτίβων ανισορροπίας σύνδεσης

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προσομοιώσεις για να ελέγξουν εάν η θετική επιλογή και το ωτοστόπ αυξάνουν την LD μεταξύ μη συνώνυμων παραλλαγών σε σύγκριση με συνώνυμες παραλλαγές και εάν αυτό το μοτίβο εμφανίζεται μόνο υπό επιλογή ή μπορεί να συμβεί τυχαία. Διαπίστωσαν ότι αυτό το γενετικό πρότυπο δεν προκύπτει χωρίς θετική επιλογή, ακόμη και κάτω από διαφορετικά εξελικτικά σενάρια. Η υπογραφή εμφανίστηκε μόνο όταν η επιλογή καθαρισμού ήταν ισχυρότερη από τη μετατόπιση και η θετική επιλογή ήταν ισχυρότερη από την επιλογή καθαρισμού. Σε τέτοιες περιπτώσεις, οι ασθενώς επιβλαβείς παραλλαγές θα μπορούσαν να κάνουν ωτοστόπ κατά τη διάρκεια μιας σάρωσης, οδηγώντας σε αυξημένη LD για κοινές μη συνώνυμες παραλλαγές.

Αφού οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι οι επιλεκτικές σαρώσεις μπορούν να αυξήσουν την LD σε κοινές παραλλαγές, οι ερευνητές μέτρησαν την LD σε ανθρώπινα βακτήρια του εντέρου για να προσδιορίσουν εάν αυτό το μοτίβο εμφανίζεται σε φυσικούς πληθυσμούς. Ανέλυσαν μεταγονιδιωματικά δεδομένα από 693 ανθρώπους σε τρεις ηπείρους. Αντιστοιχίζοντας τις αναγνώσεις αλληλουχίας και ταυτοποιώντας δείγματα με κυρίαρχο στέλεχος, μπόρεσαν να προσδιορίσουν αξιόπιστα απλότυπους. Αυτό επέτρεψε τον υπολογισμό της LD μεταξύ ζευγών αλληλόμορφων. Αναλύθηκαν συνολικά 3.316 απλότυποι από 32 είδη. Συλλέχθηκαν πρόσθετα στοιχεία χρησιμοποιώντας γονιδιώματα συναρμολογημένα με μεταγονιδιώματα (MAGs) και απομονώσεις από 24 παγκόσμιους πληθυσμούς. Επειδή η LD μπορεί να επηρεαστεί από τη δομή του πληθυσμού, εξετάστηκαν μόνο απλότυποι από τη μεγαλύτερη ομάδα κάθε είδους.

Στα περισσότερα είδη που αναλύθηκαν, η LD ήταν σημαντικά υψηλότερη για κοινές μη συνώνυμες παραλλαγές, υποδηλώνοντας θετική επιλογή. Για σπάνιες παραλλαγές, η LD ήταν χαμηλότερη, υποδεικνύοντας επιλογή καθαρισμού. Αυτά τα μοτίβα υποδηλώνουν εκτεταμένο καθαρισμό και θετική επιλογή σε μη συνώνυμες θέσεις στα βακτήρια του εντέρου.

Εφαρμογή του iLDS για τη μελέτη προσαρμογών μικροβιακών γονιδίων στο έντερο

Η στατιστική iLDS αναπτύχθηκε για να προσδιορίσει υποψήφιες γονιδιωματικές περιοχές υπό τρέχουσα θετική επιλογή μετρώντας τη συνολική LD και τη μη συνώνυμη LD. Υπολογίστηκε σε συρόμενα παράθυρα σε όλο το γονιδίωμα και επισήμανε τις ακραίες τιμές μετά την τυποποίηση. Η τρέχουσα μελέτη εξέτασε το iLDS σε προσομοιωμένα και πραγματικά δεδομένα Clostridioides difficile και έδειξε ευαισθησία σε τρέχουσες και συνεχείς σαρώσεις, διατηρώντας παράλληλα ένα χαμηλό ψευδώς θετικό ποσοστό. Σε απομονώσεις 135 C. difficile, το iLDS εντόπισε γνωστές περιοχές σάρωσης όπως το tcdB και η κασέτα του στρώματος S, με τις περισσότερες περιοχές να μην δείχνουν σήμα ενώ ορισμένες υποδεικνύουν επιλογή.

Εντοπίστηκαν έξι σαρώσεις, συμπεριλαμβανομένων των tcdB και του S-layer. Το iLDS είχε καλύτερη απόδοση από άλλα στατιστικά στοιχεία επειδή ταίριαζε συχνά με γνωστά γονίδια λοιμογόνου δράσης και αποκάλυψε σαρώσεις που συνάδουν με την εξάπλωση προσαρμοστικών αλληλόμορφων αλληλόμορφων με τη μεσολάβηση ανασυνδυασμού. Η αποτελεσματικότητά του έχει επίσης επιβεβαιωθεί στο Helicobacter pylori και στο Drosophila melanogaster.

Το iLDS που εφαρμόστηκε σε 32 είδη μικροβιώματος του εντέρου εντόπισε 155 σαρώσεις που επηρεάζουν 447 γονίδια, με ορισμένες κατηγορίες γονιδίων, όπως τα γονίδια χρήσης αμύλου susC/susD και τις γλυκοσιδικές υδρολάσεις, να υποβάλλονται σε επαναλαμβανόμενη επιλογή. Αυτό υποδηλώνει ότι ο μεταβολισμός των υδατανθράκων και τα γονίδια μεταφοράς στοχεύονταν συχνά με επιλογή.

Τα γονίδια mdxE και mdxF που εμπλέκονται στη μεταφορά μαλτοδεξτρίνης επιλέχθηκαν σε εντερικά βακτήρια που μεταβολίζουν το άμυλο και έδειξαν σημάδια πρόσφατου ανασυνδυασμού και οριζόντιας μεταφοράς. Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι η εκβιομηχάνιση σχετίζεται με μειωμένη ποικιλότητα μικροβιώματος και αυξημένα ποσοστά μεταφοράς γονιδίων. Οι σαρώσεις iLDS αποκάλυψαν 309 σαρώσεις σε 24 πληθυσμούς και 16 είδη, τα περισσότερα από τα οποία επηρέασαν μόνο έναν πληθυσμό, υποδηλώνοντας τοπική προσαρμογή.

Το 35% των αναζητήσεων διεξήχθη μεταξύ διαφορετικών πληθυσμών, μερικοί από τους οποίους ήταν παγκόσμιοι. Οι βιομηχανικές ομάδες μοιράστηκαν τα αποτελέσματα πιο συχνά από τις μη βιομηχανικές ομάδες, υποδηλώνοντας κοινές οικολογικές και διατροφικές πιέσεις επιλογής.

Μόνο τρεις σειρές μοιράστηκαν μεταξύ των δύο ομάδων, ενώ 32 αφορούσαν μόνο τον βιομηχανοποιημένο ή μη βιομηχανοποιημένο πληθυσμό. Ο τόπος R. bromii mdxEF επιλέχθηκε σε όλες τις βιομηχανικές αλλά όχι σε μη βιομηχανικές ομάδες, υποδηλώνοντας προσαρμογή στον σύγχρονο τρόπο ζωής. Οι αριθμοί σάρωσης ανά πληθυσμό ήταν παρόμοιοι μεταξύ των ομάδων, υποδεικνύοντας συγκρίσιμα ποσοστά προσαρμογής.

συμπεράσματα

Η ανάπτυξη και η εφαρμογή του iLDS έδειξε πώς η επιλεκτική πίεση διαμορφώνει το μικροβίωμα του εντέρου και πώς τα βακτήρια του εντέρου προσαρμόζονται. Αν και ανιχνεύθηκαν εκατοντάδες επιλεκτικές σαρώσεις, η συντηρητική βαθμονόμηση του iLDS πιθανότατα έχασε κάποια πραγματικά θετικά αποτελέσματα, υποδηλώνοντας ότι η θετική επιλογή στα εντερικά εντερικά μπορεί να είναι πιο διαδεδομένη από ό,τι παρατηρήθηκε. Απαιτούνται περαιτέρω μελέτες των τόπων που προσδιορίζονται από το iLDS για να διευκρινιστεί πώς η γενετική του μικροβιώματος επηρεάζει τους φαινότυπους του ξενιστή, βοηθά στη διάγνωση και θεραπεία ασθενειών και βοηθά στην ανάπτυξη στοχευμένων προβιοτικών.

Κατεβάστε το αντίγραφο PDF σας τώρα!

Πηγές: