Полезные бактерии микробиома кишечника используют различные способы распространения от одного человека к другому, что влияет на их численность в кишечнике и выполняемые ими функции, показало новое исследование.
Это новое исследование использовало генетическое секвенирование, чтобы пролить новый свет на эволюцию, колонизацию и передачу кишечных бактерий, которые играют большую роль в здоровье человека. Исследование, опубликованное в журнале Genome Biology, позволяет глубже понять эволюцию бактерий микробиома человека. Оно также может помочь в разработке микробиомной терапии, в которой могут быть выбраны ключевые бактерии для лечения различных заболеваний, связанных с кишечником.
Состав микробиома кишечника влияет на иммунную систему, предотвращает инфекции и поддерживает организм, расщепляя некоторые углеводы, чего человеческие клетки не могут сделать самостоятельно. Для того чтобы бактерии в кишечнике выжили, они должны иметь возможность передаваться от одного человека к другому. Кишечные бактерии в основном анаэробны и для распространения некоторые из них производят споры, которые могут находиться в спящем состоянии до тех пор, пока не встретят подходящие условия для роста.
В этом исследовании изучалась группа бактерий Firmicutes, которые доминируют в микробиоме человека и являются спорообразующими. Исследователи проанализировали геномы 1 358 Firmicutes и проследили эволюцию определенных характеристик, включая производство спор. Они обнаружили, что бактерии, образующие споры, встречались в кишечнике в меньшем количестве и имели более крупные геномы по сравнению с теми, которые утратили способность производить споры (спорулировать). В их геномах также было больше генов, связанных с углеводным обменом и биосинтезом витаминов, что говорит о том, что они выполняют важные метаболические функции.
Firmicutes, которые больше не могли образовывать споры, имели меньшие геномы, но присутствовали в кишечнике в большем количестве и имели более специализированный метаболизм, судя по анализу генома. Они также были менее распространены в общей популяции, то есть встречались у меньшего числа людей, что говорит о том, что потеря споруляции ограничивает их способность к широкой передаче.
Меньшие геномы и более специализированный метаболизм указывают на то, что бактерии, утратившие способность к споруляции, становятся более приспособленными к своему хозяину-человеку, что может позволить им колонизировать кишечник до более высокого уровня. С другой стороны, бактерии, которые все еще производят споры, судя по их более крупным геномам, менее приспособлены к человеку, что может объяснить, почему они не так многочисленны в кишечнике.
Эти различия показывают, что передача бактерий является важным процессом, который определяет эволюцию кишечных бактерий, и теперь необходимы дальнейшие исследования, чтобы узнать больше о связи между передачей кишечных бактерий и ролью, которую они играют в здоровье человека. Понимание этих процессов может помочь в разработке терапевтических средств, например, в изучении вопроса о том, можно ли назначать людям определенные бактерии в зависимости от их способности к колонизации и как различный метаболизм этих бактерий может повлиять на состояние здоровья и лечение.
Хилари Браун, первый автор статьи, говорит в интервью Science Daily: "Несмотря на то, что передача кишечных бактерий между людьми необходима для их выживания, генетические и биологические особенности бактерий, которые позволяют им это делать, все еще плохо изучены. Данное исследование начинает раскрывать некоторые из этих тайн, анализируя геномы и обнаруживая, что способность бактерий производить споры повлияла на их эволюцию и функционирование. Более глубокое понимание бактерий, населяющих нас, и того, как они приспособлены к жизни в организме человека благодаря своему метаболизму, будет важно для разработки новых терапевтических и диагностических средств для лечения заболеваний, опосредованных микробиомом".
Hilary P. Browne et al. Адаптация к хозяину у кишечных Firmicutes связана с потерей споруляции и изменением цикла передачи (аннотация).
Передача симбиотических анаэробных бактерий от человека к человеку является фундаментальной эволюционной адаптацией, необходимой для формирования микробиоты кишечника человека. Однако, несмотря на его важность, геномные и биологические адаптации, лежащие в основе передачи симбионтов, остаются малоизученными. Firmicutes - доминирующий филум в кишечной микробиоте, который способен производить устойчивые эндоспоры, сохраняющие жизнеспособность в окружающей среде и прорастающие в кишечнике для облегчения трансмиссии. Однако влияние трансмиссии на эволюционные и адаптивные процессы в кишечной микробиоте остается неизвестным.
Результаты
Мы проанализировали 1358 геномов бактерий Firmicutes, полученных из среды обитания хозяина и окружающей среды. Характеристика геномов как спорообразующих на основе присутствия генов, определяющих споруляцию, выявила множественные потери споруляции во многих различных линиях. Потеря споруляции у кишечных Firmicutes ассоциируется с особенностями адаптации к хозяину, такими как сокращение генома и специализированные метаболические возможности. В соответствии с этими данными, анализ 9966 метагеномов кишечника взрослых людей со всего мира показывает, что бактерии, не способные к споруляции, более многочисленны у отдельных людей, но менее распространены в человеческой популяции по сравнению со спорообразующими бактериями.
Выводы
Наши результаты показывают, что адаптация к хозяину у кишечных Firmicutes - это эволюционный компромисс между диапазоном трансмиссии и обилием колонизации. Мы показали, что передача от хозяина хозяину является недооцененным процессом, который формирует эволюцию, сборку и функции кишечных Firmicutes.
