Kuinka moderni ravitsemus edistää suoliston bakteerien nopeaa kehitystä

Kuinka moderni ravitsemus edistää suoliston bakteerien nopeaa kehitystä

Seuraamalla, kuinka adaptiiviset geenit liikkuvat suolistobakteerien läpi mantereilla, tutkijat paljastavat piilotetun evoluutioreaktion nykyaikaisiin ruokavalioihin ja elämäntapoihin sekä tehokkaan uuden tavan tutkia mikrobiomien evoluutiota.

Tutkimus: Geenispesifisiä selektiivisiä pyyhkäisyjä on kaikkialla ihmisen suoliston mikrobiomissa. Kuva: Danijela Maksimovic/Shutterstock.com

Tuore tutkimus vuonnaLuontokehitti integroidun linkauksen epätasapainopisteen (iLDS), uuden valintaskannaustilaston, joka tunnistaa adaptiiviset alleelit, jotka leviävät isäntämikrobiomiin rekombinaatiovälitteisten prosessien kautta, mukaan lukien migraatio ja horisontaalinen geeninsiirto (HGT). Tämä korostaa Yleisimmät valintapaineet ja niiden rooli mikrobiomien monimuotoisuuden ja toiminnan muokkaamisessa.

Geneettiset mukautukset suoliston mikrobiomissa

Ihmisen suoliston mikrobiomin eri lajit muuttuvat ja kehittyvät ihmisen elämän aikana ja jopa useiden sukupolvien aikana. Tutkimukset osoittavat, että suolistobakteerit kehittyvät usein nopeasti ja uusia mutaatioita ilmaantuu päivien tai kuukausien kuluessa terveillä aikuisilla, jopa ilman antibioottihoitoa. Lisätutkimusta tarvitaan sen ymmärtämiseksi, kuinka nämä muutokset leviävät yksilöihin ajan myötä.

Kun ihmisen suoliston mikrobiomissa tapahtuu uusi sopeutuminen, se voi levitä muille horisontaalisen geeninsiirron (HGT) kautta. Ihmisen suolisto on tunnettu HGT:n hotspot ja helpottaa hyödyllisten geenien sisällyttämistä uusiin bakteerikantoihin. HGT on tärkeä tiettyjen geenien, kuten antibioottiresistenssin, leviämiselle erityisesti eri lajien välillä. Toistaiseksi on epäselvää, missä määrin HGT helpottaa adaptiivisten geenien liikkumista saman lajin kantojen välillä, erityisesti homologisen rekombinaation kautta.

Kun adaptiivinen geeni leviää populaation läpi "geenispesifiseksi" selektiiviseksi pyyhkäisyksi kutsutun prosessin kautta, viereiset geneettiset variantit, jotka voivat olla vaarattomia tai mahdollisesti haitallisia, voivat kulkeutua mukana. Tämä tarkoittaa, että sama DNA-osio, mukaan lukien adaptiivinen geeni ja nämä "liittailijat", voi esiintyä eri ihmisten suoliston mikrobiomeissa elävillä bakteerikannoilla, jotka eivät ole sukua keskenään. Tämä DNA:n jakaminen luo silmiinpistävän kuvion, jota kutsutaan lisääntyneeksi kytkentäepätasapainoksi (LD). Tämä tarkoittaa, että tietyt geeniyhdistelmät esiintyvät yhdessä adaptiivisen geenin lähellä odotettua useammin.

LD-pohjaiset skannaukset bakteereiden valikoimiseksi ovat olleet rajallisia, mahdollisesti johtuen rekombinaation esiintyvyydestä ja dynamiikasta monissa bakteerilajeissa, erityisesti suoliston kommensaaleissa. Lisäksi LD-pohjaisia ​​tilastoja voivat sekoittaa muut ei-selektiiviset evoluutiovoimat, mukaan lukien väestörakenteen supistukset, jotka voivat lisätä LD20:aa.

Selektiivisvoimien paljastaminen suoliston bakteeripopulaatioissa kytkentäepätasapainokuvioiden avulla

Tutkijat käyttivät simulaatioita testatakseen, lisäävätkö positiivinen valinta ja liftaaminen LD:tä ei-synonyymien varianttien välillä verrattuna synonyymiin muunnelmiin ja esiintyykö tämä kuvio vain valinnan aikana vai voiko se tapahtua sattumalta. He havaitsivat, että tämä geneettinen malli ei synny ilman positiivista valintaa, edes erilaisissa evoluution skenaarioissa. Allekirjoitus ilmestyi vain, kun puhdistava valinta oli voimakkaampaa kuin ajautuminen ja positiivinen valinta oli voimakkaampaa kuin puhdistava valinta. Tällaisissa tapauksissa heikosti haitalliset muunnelmat voivat liftata pyyhkäisyn aikana, mikä johtaa tavallisten ei-synonyymien muunnelmien lisääntyneeseen LD:hen.

Sen jälkeen kun simulaatiot osoittivat, että selektiiviset pyyhkäisytoimenpiteet voivat lisätä LD:tä yleisissä muunnelmissa, tutkijat mittasivat LD:tä ihmisen suoliston bakteereista selvittääkseen, esiintyykö tämä kuvio luonnollisissa populaatioissa. He analysoivat metagenomisia tietoja 693 ihmiseltä kolmella mantereella. Sovittamalla sekvensointilukemat ja tunnistamalla näytteet hallitsevan kannan kanssa he pystyivät määrittämään haplotyypit luotettavasti. Tämä mahdollisti LD:n laskemisen alleeliparien välillä. Yhteensä 3 316 haplotyyppiä analysoitiin 32 lajista. Lisätodisteita kerättiin käyttämällä metagenomeen kokoonpantuja genomeja (MAG) ja isolaatteja 24 maailmanlaajuisesta populaatiosta. Koska populaatiorakenne voi vaikuttaa LD:hen, huomioitiin vain kunkin lajin suurimman ryhmän haplotyypit.

Useimmissa analysoiduissa lajeissa LD oli merkittävästi korkeampi yleisillä ei-synonyymeillä varianteilla, mikä viittaa positiiviseen valintaan. Harvinaisten varianttien kohdalla LD oli alhaisempi, mikä osoitti puhdistavan valinnan. Nämä kuviot viittaavat laajalle levinneeseen puhdistukseen ja positiiviseen valintaan suolistobakteerien ei-synonyymeissä kohdissa.

iLDS:n soveltaminen mikrobien geenisovitusten tutkimiseen suolistossa

iLDS-tilasto kehitettiin tunnistamaan ehdokasgenomialueita nykyisen positiivisen valinnan alaisina mittaamalla kokonais-LD ja ei-synonyymi LD. Se laskettiin liukuikkunoissa genomin poikki ja korostettiin poikkeamat standardoinnin jälkeen. Nykyinen tutkimus testasi iLDS:ää simuloiduilla ja todellisilla Clostridioides difficile -tiedoilla ja osoitti herkkyyttä nykyisille ja meneillään oleville pyyhkäisyille säilyttäen samalla alhaisen väärän positiivisen määrän. 135 C. difficile -isolaateissa iLDS paikansi tunnetut pyyhkäisyalueet, kuten tcdB:n ja S-kerroksen kasetin, ja useimmat alueet eivät osoita signaalia, kun taas osa osoittaa valinnan.

Tunnistettiin kuusi pyyhkäisyä, mukaan lukien tcdB ja S-kerros. iLDS suoritti muita tilastoja paremmin, koska se vastasi usein tunnettuja virulenssigeenejä ja paljasti pyyhkäisyjä, jotka olivat yhdenmukaisia ​​adaptiivisten alleelien rekombinaatiovälitteisen leviämisen kanssa. Sen tehokkuus on vahvistettu myös Helicobacter pylorissa ja Drosophila melanogasterissa.

iLDS, jota käytettiin 32 suoliston mikrobiomilajiin, tunnisti 155 pyyhkäisyä, jotka vaikuttivat 447 geeniin, ja joihinkin geeniluokkiin, kuten tärkkelyksen hyödyntämisgeeneihin susC/susD ja glykosidihydrolaaseihin, tehtiin toistuva valinta. Tämä viittasi siihen, että hiilihydraattiaineenvaihdunta ja kuljetusgeenit joutuivat usein valinnan kohteena.

Maltodekstriinin kuljetukseen osallistuvat mdxE- ja mdxF-geenit valittiin tärkkelystä metaboloivista suolistobakteereista ja ne osoittivat merkkejä viimeaikaisesta rekombinaatiosta ja horisontaalisesta siirtymisestä. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että teollistuminen liittyy vähentyneeseen mikrobiomien monimuotoisuuteen ja lisääntyneeseen geeninsiirtonopeuteen. iLDS-skannaukset paljastivat 309 pyyhkäisyä 24 populaatiossa ja 16 lajissa, joista suurin osa vaikutti vain yhteen populaatioon, mikä viittaa paikalliseen sopeutumiseen.

35 prosenttia hauista tehtiin eri väestöryhmien välillä, joista osa oli maailmanlaajuisia. Teollistuneet ryhmät jakoivat tuloksia useammin kuin ei-teollistuneet ryhmät, mikä viittaa yhteisiin ekologisiin ja ravitsemuksellisiin valintapaineisiin.

Vain kolme kierrosta jaettiin kahden ryhmän kesken, kun taas 32 oli tarkoitettu vain teollistuneelle tai ei-teollistuneelle väestölle. R. bromii mdxEF -lokus valittiin kaikista teollistuneista ryhmistä, mutta ei ei-teollistuneista ryhmistä, mikä viittaa sopeutumiseen nykyaikaisiin elämäntapoihin. Lakaisumäärät väestöä kohti olivat samanlaisia ​​ryhmien välillä, mikä osoittaa vertailukelpoisia sopeutumisasteita.

Johtopäätökset

iLDS:n kehittäminen ja soveltaminen osoitti, kuinka selektiivinen paine muokkaa suolen mikrobiomia ja miten suoliston bakteerit sopeutuvat. Vaikka havaittiin satoja selektiivisiä pyyhkäisyjä, iLDS:n konservatiivisesta kalibroinnista ei todennäköisesti jäänyt joitakin todella positiivisia tuloksia, mikä viittaa siihen, että positiivinen valinta suolen kommensaaleissa saattaa olla havaittua laajempaa. Lisätutkimuksia iLDS:n tunnistamista lokuksista tarvitaan selventämään, kuinka mikrobiomigenetiikka vaikuttaa isäntäfenotyyppeihin, auttaa sairauksien diagnosoinnissa ja hoidossa sekä auttaa kohdennettujen probioottien kehittämisessä.

Lataa PDF-kopiosi nyt!

Lähteet: