Kako sodobna prehrana poganja hiter razvoj črevesnih bakterij

Kako sodobna prehrana poganja hiter razvoj črevesnih bakterij

S sledenjem, kako se adaptivni geni premikajo skozi črevesne bakterije po celinah, raziskovalci odkrivajo skriti evolucijski odziv na sodobno prehrano in življenjski slog ter zmogljiv nov način za preučevanje evolucije mikrobioma.

Študija: Selektivni pregledi, specifični za gen, so vseprisotni v mikrobiomu človeškega črevesja. Avtor fotografije: Danijela Maksimovic/Shutterstock.com

Nedavna študija vNaravarazvil integriran rezultat neravnovesja povezav (iLDS), novo statistiko izbirnega skeniranja, za identifikacijo prilagodljivih alelov, ki se širijo po mikrobiomu gostitelja s procesi, posredovanimi z rekombinacijo, vključno z migracijo in horizontalnim prenosom genov (HGT). To poudarja Pogosti selekcijski pritiski in njihova vloga pri oblikovanju raznolikosti in delovanja mikrobioma.

Genetske prilagoditve v črevesnem mikrobiomu

Različne vrste v mikrobiomu človeškega črevesja se spreminjajo in razvijajo tekom človekovega življenja in celo med več generacijami. Študije kažejo, da se črevesne bakterije pogosto razvijajo hitro, nove mutacije pa se pojavijo v nekaj dneh ali mesecih pri zdravih odraslih, tudi brez zdravljenja z antibiotiki. Potrebne so nadaljnje raziskave, da bi razumeli, kako se te spremembe skozi čas širijo na posameznike.

Ko pride do nove prilagoditve v človekovem črevesnem mikrobiomu, se lahko razširi na druge s horizontalnim prenosom genov (HGT). Človeško črevesje je znana vroča točka za HGT in omogoča vključevanje uporabnih genov v nove seve bakterij. HGT je pomemben za širjenje nekaterih genov, kot je odpornost na antibiotike, zlasti med različnimi vrstami. Do danes ni jasno, v kolikšni meri HGT olajša gibanje adaptivnih genov med sevi iste vrste, zlasti s homologno rekombinacijo.

Ko se adaptivni gen razširi skozi populacijo s postopkom, imenovanim "gensko specifično" selektivno pometanje, se lahko pometejo sosednje genetske različice, ki so lahko neškodljive ali potencialno škodljive. To pomeni, da se lahko isti odsek DNK, vključno s prilagodljivim genom in temi »štoparji«, pojavi v nepovezanih sevih bakterij, ki živijo v črevesnih mikrobiomih različnih ljudi. Ta delitev DNK ustvarja presenetljiv vzorec, imenovan povečano neravnovesje povezav (LD). To pomeni, da se določene kombinacije genov pojavljajo skupaj v bližini adaptivnega gena pogosteje, kot je bilo pričakovano.

Skeniranje na podlagi LD za selekcijo pri bakterijah je bilo omejeno, verjetno zaradi razširjenosti in dinamike rekombinacije pri številnih vrstah bakterij, zlasti črevesnih komenzalov. Poleg tega lahko statistiko, ki temelji na LD, zmedejo druge neselektivne evolucijske sile, vključno z demografskimi krči, ki lahko povečajo LD20.

Odkrivanje selekcijskih sil v populacijah črevesnih bakterij prek vzorcev neravnovesja povezav

Raziskovalci so uporabili simulacije, da bi preizkusili, ali pozitivna selekcija in štopanje povečata LD med nesinonimnimi različicami v primerjavi s sinonimnimi različicami in ali se ta vzorec pojavi samo pri izbiri ali se lahko pojavi po naključju. Ugotovili so, da ta genetski vzorec ne nastane brez pozitivne selekcije, tudi v različnih evolucijskih scenarijih. Podpis se je pojavil le, ko je bila čistilna selekcija močnejša od odnašanja in pozitivna selekcija močnejša od čistilne selekcije. V takšnih primerih lahko šibko škodljive različice postanejo med pometanjem, kar vodi do povečane LD za pogoste nesinonimne različice.

Potem ko so simulacije pokazale, da lahko selektivni pregledi povečajo LD v običajnih različicah, so raziskovalci izmerili LD v človeških črevesnih bakterijah, da bi ugotovili, ali se ta vzorec pojavlja v naravnih populacijah. Analizirali so metagenomske podatke 693 ljudi na treh celinah. Z ujemanjem odčitkov sekvenciranja in identifikacijo vzorcev s prevladujočim sevom so lahko zanesljivo določili haplotipe. To je omogočilo izračun LD med pari alelov. Skupno je bilo analiziranih 3.316 haplotipov iz 32 vrst. Dodatni dokazi so bili zbrani z uporabo metagenome sestavljenih genomov (MAG) in izolatov iz 24 svetovnih populacij. Ker lahko na LD vpliva populacijska struktura, so bili upoštevani samo haplotipi iz največje skupine vsake vrste.

Pri večini analiziranih vrst je bil LD bistveno višji za običajne nesinonimne različice, kar kaže na pozitivno selekcijo. Za redke različice je bil LD nižji, kar kaže na prečiščevalno selekcijo. Ti vzorci kažejo na razširjeno čiščenje in pozitivno selekcijo na nesinonimnih mestih v črevesnih bakterijah.

Uporaba iLDS za preučevanje prilagoditev mikrobnih genov v črevesju

Statistika iLDS je bila razvita za identifikacijo kandidatnih genomskih regij pri trenutni pozitivni selekciji z merjenjem celotnega LD in nesinonimnega LD. Izračunana je bila v drsečih oknih po genomu in po standardizaciji poudarjena odstopanja. Sedanja študija je testirala iLDS na simuliranih in resničnih podatkih o Clostridioides difficile in pokazala občutljivost na trenutne in tekoče preglede, hkrati pa ohranila nizko lažno pozitivno stopnjo. Pri 135 izolatih C. difficile je iLDS locirala znana področja pometanja, kot sta tcdB in kaseta S-plasti, pri čemer večina regij ni kazala nobenega signala, medtem ko so nekatera kazala na izbiro.

Identificiranih je bilo šest pregledov, vključno s tcdB in S-plastjo. iLDS je bil boljši od drugih statističnih podatkov, ker se je pogosto ujemal z znanimi virulenčnimi geni in razkril zamahe, skladne z rekombinacijskim širjenjem adaptivnih alelov. Njegova učinkovitost je bila potrjena tudi na Helicobacter pylori in Drosophila melanogaster.

iLDS, uporabljen na 32 vrstah črevesnih mikrobiomov, je identificiral 155 pregledov, ki so vplivali na 447 genov, pri čemer so bili nekateri razredi genov, kot so geni za uporabo škroba susC/susD in glikozidne hidrolaze, podvrženi ponavljajoči se selekciji. To je nakazovalo, da so bili presnova ogljikovih hidratov in transportni geni pogosto tarča selekcije.

Geni mdxE in mdxF, vključeni v transport maltodekstrina, so bili izbrani v črevesnih bakterijah, ki presnavljajo škrob, in so pokazali znake nedavne rekombinacije in horizontalnega prenosa. Prejšnje študije so pokazale, da je industrializacija povezana z zmanjšano raznolikostjo mikrobiomov in povečano hitrostjo prenosa genov. Skeniranje iLDS je pokazalo 309 pregledov v 24 populacijah in 16 vrstah, od katerih je večina prizadela samo eno populacijo, kar kaže na lokalno prilagoditev.

Petintrideset odstotkov iskanj je bilo izvedenih med različnimi populacijami, od katerih so bile nekatere globalne. Industrializirane skupine so pogosteje delile rezultate kot neindustrializirane skupine, kar kaže na skupne ekološke in prehranske pritiske izbire.

Obe skupini sta si razdelili samo tri vožnje, medtem ko jih je bilo 32 samo za industrializirano ali neindustrializirano populacijo. Lokus R. bromii mdxEF je bil izbran v vseh industrializiranih, vendar ne v neindustrializiranih skupinah, kar kaže na prilagoditev sodobnemu življenjskemu slogu. Število pregledov na populacijo je bilo med skupinami podobno, kar kaže na primerljive stopnje prilagajanja.

Sklepi

Razvoj in uporaba iLDS sta pokazala, kako selektivni pritisk oblikuje črevesni mikrobiom in kako se črevesne bakterije prilagajajo. Čeprav je bilo odkritih na stotine selektivnih pregledov, je konzervativna kalibracija iLDS verjetno zamudila nekaj resnično pozitivnih rezultatov, kar kaže na to, da je lahko pozitivna selekcija v črevesnih komenzalih bolj razširjena, kot so opazili. Potrebne so nadaljnje študije lokusov, ki jih identificira iLDS, da se pojasni, kako genetika mikrobioma vpliva na fenotipe gostitelja, pomoč pri diagnosticiranju in zdravljenju bolezni ter pomoč pri razvoju ciljno usmerjenih probiotikov.

Prenesite svojo kopijo PDF zdaj!

Viri: