Hogyan ösztönzi a modern táplálkozás a bélbaktériumok gyors fejlődését

Hogyan ösztönzi a modern táplálkozás a bélbaktériumok gyors fejlődését

Az alkalmazkodó gének kontinenseken átívelő bélbaktériumokban való mozgásának nyomon követésével a kutatók a modern étrendekre és életmódokra adott rejtett evolúciós választ, valamint a mikrobiom evolúciójának tanulmányozásának új, hatékony módszerét fedezik fel.

Tanulmány: A génspecifikus szelektív sweepek mindenütt jelen vannak az emberi bélmikrobiómában. Fotó forrása: Danijela Maksimovic/Shutterstock.com

Egy friss tanulmány aTermészetkifejlesztett egy integrált kapcsolódási egyensúlyi pontszámot (iLDS), egy új szelekciós szkennelési statisztikát, hogy azonosítsa az adaptív allélokat, amelyek rekombináció által közvetített folyamatokon keresztül terjednek el a gazdaszervezetben, beleértve a migrációt és a horizontális géntranszfert (HGT). Ez aláhúzza Gyakori szelekciós nyomások és szerepük a mikrobiom diverzitásának és működésének kialakításában.

Genetikai adaptációk a bél mikrobiomában

Az emberi bélmikrobióma különböző fajai az ember élete során, sőt több generáción keresztül is változnak és fejlődnek. A vizsgálatok azt mutatják, hogy a bélbaktériumok gyakran gyorsan fejlődnek, és új mutációk napokon vagy hónapokon belül megjelennek egészséges felnőtteknél, még antibiotikumos kezelés nélkül is. További kutatásokra van szükség annak megértéséhez, hogy ezek a változások hogyan terjedtek át az egyénekre idővel.

Amikor egy új adaptáció történik egy személy bélmikrobiómájában, az átterjedhet másokra a horizontális géntranszfer (HGT) révén. Az emberi bél a HGT ismert hotspotja, és megkönnyíti a hasznos gének beépülését az új baktériumtörzsekbe. A HGT fontos bizonyos gének, például az antibiotikum-rezisztencia terjedésében, különösen a különböző fajok között. A mai napig nem világos, hogy a HGT milyen mértékben segíti elő az adaptív gének mozgását ugyanazon faj törzsei között, különösen homológ rekombináció révén.

Amikor egy adaptív gén a „génspecifikus” szelektív söprésnek nevezett folyamaton keresztül terjed a populáción, a szomszédos genetikai változatok, amelyek ártalmatlanok vagy potenciálisan károsak lehetnek, magukkal söpörhetők. Ez azt jelenti, hogy ugyanaz a DNS-szakasz, beleértve az adaptív gént és ezeket a „stopposokat” is előfordulhat rokon baktériumtörzsekben, amelyek különböző emberek bélmikrobiómáiban élnek. A DNS ilyen megosztása feltűnő mintát hoz létre, amelyet fokozott kapcsolódási egyensúlyhiánynak (LD) neveznek. Ez azt jelenti, hogy a gének bizonyos kombinációi a vártnál gyakrabban jelennek meg együtt az adaptív gén közelében.

A baktériumok szelekcióját célzó LD-alapú szkennelések korlátozottak, valószínűleg a rekombináció elterjedtsége és dinamikája számos baktériumfajban, különösen a bélkommenzálisokban. Ezenkívül az LD-alapú statisztikákat más, nem szelektív evolúciós erők is megzavarhatják, beleértve a demográfiai összehúzódásokat, amelyek növelhetik az LD20-at.

A bélbaktérium-populációk szelekciós erőinek feltárása a kapcsolódási egyensúlyhiány mintái révén

A kutatók szimulációkat használtak annak tesztelésére, hogy a pozitív szelekció és a stoppolás növeli-e az LD-t a nem szinonim változatok között a szinonim változatokhoz képest, és hogy ez a minta csak szelekció során fordul elő, vagy előfordulhat-e véletlenül. Azt találták, hogy ez a genetikai mintázat nem jön létre pozitív szelekció nélkül, még különböző evolúciós forgatókönyvek esetén sem. Az aláírás csak akkor jelent meg, ha a tisztító szelekció erősebb volt, mint a sodródás, és a pozitív szelekció erősebb volt, mint a tisztító szelekció. Ilyen esetekben a gyengén káros változatok stoppolhatnak a söprés során, ami megnövekedett LD-t eredményezhet a gyakori, nem szinonim változatok esetében.

Miután a szimulációk kimutatták, hogy a szelektív sweep növelheti az LD-t a gyakori változatokban, a kutatók megmérték az LD-t emberi bélbaktériumokban, hogy meghatározzák, ez a minta előfordul-e természetes populációkban. Három kontinensen 693 ember metagenomikai adatait elemezték. A szekvenálási leolvasások egyeztetésével és a minták domináns törzzsel való azonosításával megbízhatóan meghatározhatták a haplotípusokat. Ez lehetővé tette az allélpárok közötti LD kiszámítását. 32 fajból összesen 3316 haplotípust elemeztek. További bizonyítékokat gyűjtöttek a metagenom összeállított genomok (MAG) és 24 globális populációból származó izolátumok felhasználásával. Mivel az LD-t a populáció szerkezete befolyásolhatja, csak az egyes fajok legnagyobb csoportjából származó haplotípusokat vettük figyelembe.

A legtöbb elemzett fajban az LD szignifikánsan magasabb volt a gyakori nem szinonim változatoknál, ami pozitív szelekcióra utal. A ritka változatok esetében az LD alacsonyabb volt, ami tisztító szelekciót jelez. Ezek a minták széles körben elterjedt tisztításra és pozitív szelekcióra utalnak a bélbaktériumok nem szinonim helyein.

Az iLDS alkalmazása mikrobiális génadaptációk vizsgálatára a bélben

Az iLDS statisztikát a jelenlegi pozitív szelekció alatt álló jelölt genomiális régiók azonosítására fejlesztették ki a teljes LD és a nem szinonim LD mérésével. Kiszámították a genomban elcsúsztatható ablakokban, és a standardizálás után kiemelték a kiugró értékeket. A jelenlegi tanulmány az iLDS-t szimulált és valós Clostridioides difficile adatokon tesztelte, és érzékenységet mutatott az aktuális és a folyamatban lévő sweepekre, miközben fenntartotta az alacsony hamis pozitív arányt. A 135 C. difficile izolátumban az iLDS olyan ismert sweep régiókat talált, mint a tcdB és az S-réteg kazetta, ahol a legtöbb régió nem mutat jelet, míg néhány régió szelekciót jelez.

Hat sweep-et azonosítottunk, beleértve a tcdB-t és az S-réteget. Az iLDS felülmúlta a többi statisztikai adatot, mert gyakran megegyezett az ismert virulenciagénekkel, és az adaptív allélok rekombináció által közvetített terjedésével összhangban lévő sweepeket mutatott ki. Hatékonyságát Helicobacter pylori és Drosophila melanogaster esetében is megerősítették.

A 32 bélmikrobióma fajra alkalmazott iLDS 155 sweep-et azonosított, amelyek 447 gént érintettek, és néhány génosztályt, például a keményítőhasznosítási géneket, a susC/susD-t és a glikozid-hidrolázokat ismételt szelekciónak vetettük alá. Ez arra utalt, hogy a szelekció gyakran a szénhidrát-anyagcserét és a transzportgéneket célozta meg.

A maltodextrin transzportban részt vevő mdxE és mdxF géneket keményítőt metabolizáló bélbaktériumokban szelektáltuk, és a közelmúltban rekombináció és horizontális transzfer jeleit mutatták. Korábbi tanulmányok kimutatták, hogy az iparosítás a mikrobiomák diverzitásának csökkenésével és a génátviteli sebesség növekedésével jár. Az iLDS-vizsgálatok 24 populációban és 16 fajban 309 söpörést mutattak ki, amelyek többsége csak egy populációt érintett, ami helyi alkalmazkodásra utal.

A keresések 35 százalékát különböző populációk között hajtották végre, amelyek egy része globális volt. Az iparosodott csoportok gyakrabban osztottak meg eredményeket, mint a nem iparosodott csoportok, ami közös ökológiai és táplálkozási szelekciós nyomásra utal.

Csak három futamot osztottak meg a két csoport között, míg 32-t csak az iparosodott vagy nem iparosodott lakosság számára. Az R. bromii mdxEF lókuszt minden iparosodott csoportban kiválasztották, de nem iparosodott csoportban, ami a modern életmódhoz való alkalmazkodásra utal. A populációnkénti sweep-számok hasonlóak voltak a csoportok között, ami az alkalmazkodás összehasonlítható arányát jelzi.

Következtetések

Az iLDS fejlesztése és alkalmazása megmutatta, hogy a szelektív nyomás hogyan formálja a bél mikrobiómát, és hogyan alkalmazkodnak a bélbaktériumok. Bár több száz szelektív sweep-et észleltek, az iLDS konzervatív kalibrálása valószínűleg kihagyott néhány igazán pozitív eredményt, ami arra utal, hogy a pozitív szelekció a bélkommenzálisokban a megfigyeltnél elterjedtebb lehet. Az iLDS által azonosított lókuszok további vizsgálataira van szükség annak tisztázásához, hogy a mikrobiom genetika hogyan befolyásolja a gazdaszervezet fenotípusait, segíti a betegségek diagnosztizálását és kezelését, valamint segíti a célzott probiotikumok kifejlesztését.

Töltse le PDF másolatát most!

Források: