Kako moderna prehrana potiče ubrzani razvoj crijevnih bakterija

Kako moderna prehrana potiče ubrzani razvoj crijevnih bakterija

Prateći kako se adaptivni geni kreću kroz crijevne bakterije diljem kontinenata, istraživači otkrivaju skriveni evolucijski odgovor na modernu prehranu i stil života te snažan novi način proučavanja evolucije mikrobioma.

Studija: Selektivna čišćenja specifična za gen su sveprisutna u mikrobiomu ljudskog crijeva. Autor fotografije: Danijela Maksimović/Shutterstock.com

Nedavna studija uPrirodarazvili integrirani rezultat neravnoteže povezivanja (iLDS), novu statistiku selekcijskog skeniranja, za identifikaciju adaptivnih alela koji se šire kroz mikrobiom domaćina kroz procese posredovane rekombinacijom, uključujući migraciju i horizontalni prijenos gena (HGT). Ovo naglašava Uobičajeni selekcijski pritisci i njihova uloga u oblikovanju raznolikosti i funkcije mikrobioma.

Genetske prilagodbe u crijevnom mikrobiomu

Različite vrste u mikrobiomu ljudskog crijeva mijenjaju se i razvijaju tijekom života osobe, pa čak i kroz više generacija. Studije pokazuju da crijevne bakterije često evoluiraju brzo, s novim mutacijama koje se pojavljuju unutar nekoliko dana ili mjeseci kod zdravih odraslih osoba, čak i bez liječenja antibioticima. Potrebna su daljnja istraživanja kako bi se razumjelo kako se te promjene šire na pojedince tijekom vremena.

Kada dođe do nove prilagodbe u crijevnom mikrobiomu osobe, može se proširiti na druge putem horizontalnog prijenosa gena (HGT). Ljudska su crijeva poznata vruća točka za HGT i olakšavaju ugradnju korisnih gena u nove sojeve bakterija. HGT je važan za širenje određenih gena, poput otpornosti na antibiotike, osobito između različitih vrsta. Do danas je nejasno u kojoj mjeri HGT olakšava kretanje adaptivnih gena između sojeva iste vrste, osobito putem homologne rekombinacije.

Kada se adaptivni gen širi kroz populaciju putem procesa koji se naziva selektivni pregled "specifičan za gen", susjedne genetske varijante koje mogu biti bezopasne ili potencijalno štetne mogu biti povučene. To znači da se isti dio DNK, uključujući adaptivni gen i ove "stopere", može pojaviti u nepovezanim sojevima bakterija koje žive u crijevnim mikrobiomima različitih ljudi. Ovo dijeljenje DNK stvara upečatljiv obrazac koji se naziva povećana neravnoteža povezivanja (LD). To znači da se određene kombinacije gena pojavljuju zajedno u blizini adaptivnog gena češće nego što se očekivalo.

Skeniranja temeljena na LD-u za selekciju kod bakterija bila su ograničena, vjerojatno zbog prevalencije i dinamike rekombinacije u mnogim bakterijskim vrstama, osobito crijevnim komenzalima. Nadalje, statistiku temeljenu na LD-u mogu zbuniti druge neselektivne evolucijske sile, uključujući demografske kontrakcije, koje mogu povećati LD20.

Otkrivanje selekcijskih sila u populacijama crijevnih bakterija kroz obrasce neravnoteže povezivanja

Istraživači su koristili simulacije kako bi testirali povećavaju li pozitivna selekcija i stopiranje LD između nesinonimnih varijanti u usporedbi sa sinonimnim varijantama i pojavljuje li se ovaj uzorak samo pri odabiru ili se može pojaviti slučajno. Otkrili su da ovaj genetski obrazac ne nastaje bez pozitivne selekcije, čak ni pod različitim evolucijskim scenarijima. Potpis se pojavio samo kada je pročišćavajuća selekcija bila jača od pomaka, a pozitivna selekcija jača od pročišćavajuće selekcije. U takvim slučajevima, slabo štetne varijante mogle bi stopirati tijekom čišćenja, što bi dovelo do povećanja LD za uobičajene nesinonimne varijante.

Nakon što su simulacije pokazale da selektivno brisanje može povećati LD u uobičajenim varijantama, istraživači su izmjerili LD u ljudskim crijevnim bakterijama kako bi utvrdili javlja li se ovaj uzorak u prirodnim populacijama. Analizirali su metagenomske podatke 693 osobe na tri kontinenta. Uspoređujući očitanja sekvenciranja i identificirajući uzorke s dominantnim sojem, uspjeli su pouzdano odrediti haplotipove. To je omogućilo izračun LD između parova alela. Ukupno je analizirano 3316 haplotipova iz 32 vrste. Dodatni dokazi prikupljeni su pomoću metagenome sklopljenih genoma (MAG) i izolata iz 24 globalne populacije. Budući da na LD može utjecati struktura populacije, uzeti su u obzir samo haplotipovi iz najveće skupine svake vrste.

U većini analiziranih vrsta, LD je bio značajno viši za uobičajene nesinonimne varijante, što ukazuje na pozitivnu selekciju. Za rijetke varijante, LD je bio niži, što ukazuje na selekciju pročišćavanja. Ovi obrasci sugeriraju široko rasprostranjeno pročišćavanje i pozitivnu selekciju na nesinonimnim mjestima u crijevnim bakterijama.

Primjena iLDS za proučavanje adaptacija mikrobnih gena u crijevima

Statistika iLDS razvijena je za identifikaciju genomskih regija kandidata pod trenutnom pozitivnom selekcijom mjerenjem ukupne LD i nesinonimne LD. Izračunat je u kliznim prozorima po genomu i istaknuti su ekstremi nakon standardizacije. Trenutna studija testirala je iLDS na simuliranim i stvarnim podacima o Clostridioides difficile i pokazala je osjetljivost na trenutne i tekuće preglede uz održavanje niske lažno pozitivne stope. U 135 izolata C. difficile, iLDS je locirao poznata područja pretraživanja kao što su tcdB i kazeta S-sloja, pri čemu većina regija nije pokazivala nikakav signal, dok su neka označavala odabir.

Identificirano je šest pregleda, uključujući tcdB i S-sloj. iLDS je nadmašio ostale statistike jer je često odgovarao poznatim genima za virulenciju i otkrivao zamahe koji su u skladu s rekombinacijski posredovanim širenjem adaptivnih alela. Potvrđena je njegova učinkovitost i na Helicobacter pylori i Drosophila melanogaster.

iLDS primijenjen na 32 vrste crijevnog mikrobioma identificirao je 155 pregleda koji su utjecali na 447 gena, pri čemu su neke klase gena, kao što su geni za iskorištavanje škroba susC/susD i glikozidne hidrolaze, podvrgnute opetovanoj selekciji. To je sugeriralo da su metabolizam ugljikohidrata i transportni geni često bili meta selekcije.

Geni mdxE i mdxF uključeni u transport maltodekstrina odabrani su u crijevnim bakterijama koje metaboliziraju škrob i pokazali su znakove nedavne rekombinacije i horizontalnog prijenosa. Prethodne studije pokazale su da je industrijalizacija povezana sa smanjenom raznolikošću mikrobioma i povećanim stopama prijenosa gena. ILDS skeniranje otkrilo je 309 pregleda u 24 populacije i 16 vrsta, od kojih je većina zahvatila samo jednu populaciju, što ukazuje na lokalnu prilagodbu.

Trideset pet posto pretraga provedeno je među različitim populacijama, od kojih su neke bile globalne. Industrijalizirane skupine dijelile su rezultate češće od neindustrijaliziranih skupina, što ukazuje na zajedničke ekološke i prehrambene pritiske odabira.

Dvije su skupine podijelile samo tri trčanja, dok su 32 bila samo za industrijalizirano i neindustrijalizirano stanovništvo. Lokus R. bromii mdxEF odabran je u svim industrijaliziranim, ali ne i u neindustrijaliziranim skupinama, što ukazuje na prilagodbu modernom načinu života. Brojevi pregleda po populaciji bili su slični među skupinama, što ukazuje na usporedive stope prilagodbe.

Zaključci

Razvoj i primjena iLDS-a pokazali su kako selektivni pritisak oblikuje crijevni mikrobiom i kako se crijevne bakterije prilagođavaju. Iako je otkriveno na stotine selektivnih pregleda, konzervativna kalibracija iLDS-a vjerojatno je propustila neke doista pozitivne rezultate, što sugerira da bi pozitivna selekcija u crijevnim komenzalima mogla biti raširenija nego što je promatrano. Potrebna su daljnja istraživanja lokusa identificiranih pomoću iLDS-a kako bi se razjasnilo kako genetika mikrobioma utječe na fenotipove domaćina, pomogla u dijagnozi i liječenju bolesti i pomogla u razvoju ciljanih probiotika.

Preuzmite svoju PDF kopiju sada!

Izvori: