Kaip šiuolaikinė mityba skatina spartų žarnyno bakterijų vystymąsi

Kaip šiuolaikinė mityba skatina spartų žarnyno bakterijų vystymąsi

Stebėdami, kaip prisitaikantys genai juda per žarnyno bakterijas žemynuose, mokslininkai atskleidžia paslėptą evoliucinį atsaką į šiuolaikines dietas ir gyvenimo būdą bei galingą naują būdą tirti mikrobiomų evoliuciją.

Tyrimas: Žmogaus žarnyno mikrobiome visur yra genų specifinių selektyvių šluotų. Nuotraukų kreditas: Danijela Maksimovic / Shutterstock.com

Neseniai atliktas tyrimasGamtasukūrė integruotą jungties disbalanso balą (iLDS), naują atrankos nuskaitymo statistiką, kad nustatytų adaptyvius alelius, kurie plinta visame šeimininko mikrobiome per rekombinacijos sukeltus procesus, įskaitant migraciją ir horizontalųjį genų perdavimą (HGT). Tai pabrėžia Įprasti atrankos spaudimai ir jų vaidmuo formuojant mikrobiomų įvairovę ir funkciją.

Genetinės adaptacijos žarnyno mikrobiome

Įvairios žmogaus žarnyno mikrobiomo rūšys keičiasi ir vystosi per visą žmogaus gyvenimą ir net per kelias kartas. Tyrimai rodo, kad žarnyno bakterijos dažnai vystosi greitai, o sveikiems suaugusiems žmonėms per kelias dienas ar mėnesius atsiranda naujų mutacijų, net ir negydant antibiotikais. Reikia atlikti tolesnius tyrimus, kad būtų galima suprasti, kaip šie pokyčiai laikui bėgant išplito tarp asmenų.

Kai žmogaus žarnyno mikrobiome įvyksta nauja adaptacija, ji gali išplisti kitiems per horizontalų genų perdavimą (HGT). Žmogaus žarnynas yra žinomas HGT taškas ir palengvina naudingų genų įtraukimą į naujas bakterijų padermes. HGT yra svarbus tam tikrų genų, tokių kaip atsparumas antibiotikams, plitimui, ypač tarp skirtingų rūšių. Iki šiol neaišku, kiek HGT palengvina prisitaikančių genų judėjimą tarp tos pačios rūšies padermių, ypač per homologinę rekombinaciją.

Kai adaptyvusis genas plinta populiacijoje per procesą, vadinamą „genų specifiniu“ selektyviniu šlavimu, gali būti nušluojami gretimi genetiniai variantai, kurie gali būti nekenksmingi arba potencialiai žalingi. Tai reiškia, kad ta pati DNR dalis, įskaitant adaptyvųjį geną ir šiuos „autostopus“, gali atsirasti nesusijusiose bakterijų padermėse, kurios gyvena skirtingų žmonių žarnyno mikrobiomuose. Šis DNR dalijimasis sukuria ryškų modelį, vadinamą padidėjusiu ryšio disbalansu (LD). Tai reiškia, kad tam tikros genų kombinacijos šalia prisitaikančio geno atsiranda dažniau nei tikėtasi.

LD pagrįstos bakterijų atrankos skenavimas buvo ribotas, galbūt dėl ​​daugelio bakterijų rūšių, ypač žarnyno kommensalų, rekombinacijos paplitimo ir dinamikos. Be to, LD pagrįstą statistiką gali supainioti kitos neselektyvios evoliucijos jėgos, įskaitant demografinius susitraukimus, kurie gali padidinti LD20.

Žarnyno bakterijų populiacijų atrankos jėgų atskleidimas naudojant ryšių disbalanso modelius

Tyrėjai naudojo modeliavimą, kad patikrintų, ar teigiama atranka ir važiavimas autostopu padidina LD tarp nesinoniminių variantų, palyginti su sinoniminiais variantais, ir ar šis modelis atsiranda tik atrankos metu, ar gali atsirasti atsitiktinai. Jie nustatė, kad šis genetinis modelis neatsiranda be teigiamos atrankos, net ir pagal skirtingus evoliucijos scenarijus. Parašas atsirado tik tada, kai gryninimo atranka buvo stipresnė nei dreifas, o teigiama atranka buvo stipresnė už gryninimo atranką. Tokiais atvejais silpnai žalingi variantai gali pakilti autostopu, todėl gali padidėti įprastų nesinoniminių variantų LD.

Po to, kai modeliavimas parodė, kad selektyvus šlavimas gali padidinti LD įprastuose variantuose, mokslininkai išmatavo LD žmogaus žarnyno bakterijose, kad nustatytų, ar šis modelis atsiranda natūraliose populiacijose. Jie išanalizavo metagenominius duomenis iš 693 žmonių trijuose žemynuose. Suderinus sekos rodmenis ir identifikuojant mėginius su dominuojančia paderme, jie galėjo patikimai nustatyti haplotipus. Tai leido apskaičiuoti LD tarp alelių porų. Iš viso buvo ištirta 3316 haplotipų iš 32 rūšių. Papildomi įrodymai buvo surinkti naudojant metagenomų surinktus genomus (MAG) ir izoliatus iš 24 pasaulio populiacijų. Kadangi LD gali turėti įtakos populiacijos struktūra, buvo atsižvelgta tik į didžiausios kiekvienos rūšies grupės haplotipus.

Daugumoje analizuotų rūšių LD buvo žymiai didesnis bendriems nesinoniminiams variantams, o tai rodo teigiamą atranką. Retų variantų LD buvo mažesnis, o tai rodo valymo pasirinkimą. Šie modeliai rodo plačiai paplitusį gryninimą ir teigiamą atranką nesinoniminėse žarnyno bakterijų vietose.

iLDS taikymas tiriant mikrobų genų adaptacijas žarnyne

iLDS statistika buvo sukurta siekiant nustatyti kandidatų genominius regionus pagal dabartinę teigiamą atranką, matuojant bendrą LD ir nesinoniminį LD. Jis buvo apskaičiuotas slankiojančiais langais per visą genomą ir po standartizavimo išryškino nuokrypius. Dabartiniame tyrime iLDS buvo išbandytas naudojant imituotus ir tikrus Clostridioides difficile duomenis ir įrodytas jautrumas dabartiniams ir vykstantiems šlavimui, išlaikant žemą klaidingų teigiamų rezultatų rodiklį. 135 C. difficile izoliatuose iLDS aptiko žinomas šlavimo sritis, tokias kaip tcdB ir S sluoksnio kasetė, o dauguma regionų nerodo jokio signalo, o kai kurie rodo pasirinkimą.

Buvo nustatyti šeši šlavimo būdai, įskaitant tcdB ir S sluoksnį. iLDS pranoko kitą statistiką, nes dažnai atitikdavo žinomus virulentiškumo genus ir atskleidė pokyčius, atitinkančius rekombinacijos sukeltą adaptyvių alelių plitimą. Jo veiksmingumas taip pat patvirtintas Helicobacter pylori ir Drosophila melanogaster.

iLDS, pritaikytas 32 žarnyno mikrobiomų rūšims, identifikavo 155 nubraukimus, paveikusius 447 genus, o kai kurių klasių genai, tokie kaip krakmolo panaudojimo genai susC/susD ir glikozidų hidrolazės, buvo pakartotinai atrinkti. Tai leido manyti, kad atranka dažnai buvo nukreipta į angliavandenių apykaitą ir transportavimo genus.

MdxE ir mdxF genai, dalyvaujantys maltodekstrino transporte, buvo atrinkti krakmolą metabolizuojančiose žarnyno bakterijose ir parodė neseniai įvykusios rekombinacijos ir horizontalaus perdavimo požymius. Ankstesni tyrimai parodė, kad industrializacija yra susijusi su sumažėjusia mikrobiomų įvairove ir padidėjusiu genų perdavimo greičiu. iLDS skenavimas atskleidė 309 nuskaitymus 24 populiacijose ir 16 rūšių, kurių dauguma paveikė tik vieną populiaciją, o tai rodo vietinį prisitaikymą.

Trisdešimt penki procentai paieškų buvo atliekamos tarp skirtingų gyventojų, kai kurios iš jų buvo pasaulinės. Industrializuotos grupės dažniau dalijosi rezultatais nei ne pramoninės grupės, o tai rodo bendrą ekologinį ir mitybos atrankos spaudimą.

Tik trys važiavimai buvo pasidalyti tarp dviejų grupių, o 32 buvo skirti tik industrializuotoms arba neindustrializuotiems gyventojams. R. bromii mdxEF lokusas buvo parinktas visose industrializuotose, bet ne nepramoninėse grupėse, o tai rodo prisitaikymą prie šiuolaikinio gyvenimo būdo. Šlavimo skaičiai populiacijoje buvo panašūs tarp grupių, o tai rodo palyginamus prisitaikymo rodiklius.

Išvados

iLDS kūrimas ir taikymas parodė, kaip selektyvus slėgis formuoja žarnyno mikrobiomą ir kaip prisitaiko žarnyno bakterijos. Nors buvo aptikta šimtai selektyvių nuskaitymų, konservatyvus iLDS kalibravimas greičiausiai nepateikė kai kurių tikrai teigiamų rezultatų, o tai rodo, kad teigiama žarnyno komensalių atranka gali būti labiau paplitusi nei pastebėta. Reikia atlikti tolesnius iLDS nustatytų lokusų tyrimus, siekiant išsiaiškinti, kaip mikrobiomų genetika veikia šeimininko fenotipus, padeda diagnozuoti ir gydyti ligas bei padeda kurti tikslinius probiotikus.

Atsisiųskite savo PDF kopiją dabar!

Šaltiniai: