RExMap раскрывает секреты микробиома кишечника
Микроорганизмы кишечника связаны с фундаментальными физиологическими процессами, такими как старение, реакция на лекарственные препараты, питание и патофизиологические состояния (например, сердечно-сосудистые, метаболические, онкологические, неврологические и аутоиммунные заболевания).
Для лучшего понимания причинно-следственных связей между кишечными микроорганизмами и исходами заболеваний необходима идентификация микробов кишечника человека с высокой разрешающей способностью, чтобы разработать эффективные меры по профилактике или лечению заболеваний. Для картирования микробных видов можно использовать метод полногеномного секвенирования (WGS). Однако этот метод требует глубокого охвата секвенирования и большой вычислительной работы, что исключает его применение на образцах популяционного масштаба, включающих десятки тысяч человек.
Микробиомы человека в различных популяциях можно изучать с помощью метода секвенирования 16S-ампликонов. Этот метод использует ПЦР для амплификации и секвенирования гипервариабельных областей бактериальных генов 16S рРНК. Данные ампликонного секвенирования обрабатываются с помощью распространенных конвейеров, таких как Mothur, QIIME2 и DADA2, в сочетании с вычислительной реконструкцией. Таксономическая классификация осуществляется путем построения филогенетического дерева с использованием таких баз данных, как Greengenes, RDP и SILVA.
Метод 16S секвенирования помогает обнаружить изменения в микробном разнообразии в зависимости от фенотипа человека. Важно отметить, что он позволяет идентифицировать жизненно важные компоненты микробиома человека на уровне семейств или родов. Однако этот метод не позволяет дифференцировать микроорганизмы на более тонком видовом уровне, поэтому его нельзя использовать для картирования микробных последовательностей на видовом уровне.
Развитие методов молекулярного секвенирования привело к экспоненциальному росту доступности полностью секвенированных изолятов микроорганизмов кишечника. В геномах нескольких отдельных микробных штаммов присутствует более одного гена 16S, что выявляет вариации числа копий гипервариабельных областей 16S. Учитывая эти данные, была выдвинута гипотеза, что эта микробная вариабельность может быть использована для более тонкой дифференциации данных 16S ампликонов. Это позволит проводить картирование на уровне штаммов, что ранее было невозможно.
В недавнем исследовании была разработана база данных Reference-based Exact Mapping (RExMap), содержащая варианты 16S гипервариабельных регионов и номера их копий. Эта база данных была получена на основе более чем 170 000 геномов штаммов микробных изолятов, полученных из базы данных NCBI Genome. В данном исследовании база данных RExMap использовалась для картирования микроорганизмов на уровне видов.
Многие микробные штаммы из базы данных RExMap имеют схожие гипервариабельные регионы 16S и номера копий. Авторы ввели термин "оперативная единица штамма" (OSU) для тех штаммов, которые невозможно дифференцировать только на основе гипервариабельных регионов 16S. Интересно, что OSU содержат не только родственные штаммы микробов, но и филогенетически отдаленные микробы, что может быть связано с горизонтальным переносом генов 16S или неправильной таксономической привязкой.
RExMap связывает последовательности из биологических образцов для точного сопоставления штаммов микроорганизмов и помогает в экспериментальной проверке. Кроме того, она может заново проанализировать существующие данные по 16S с помощью крупномасштабного мета-анализа и гомогенизации данных секвенирования. Этот подход позволил создать подробный ландшафт микробиома кишечника человека, включающий десятки тысяч уникальных микроорганизмов.
В данном исследовании RExMap использовалась для повторного анализа существующих данных 16S микробиома кишечника 29 349 человек, полученных в ходе десяти исследований, проведенных в шестнадцати различных регионах мира. Анализ данных 16S микробиома с помощью RExMap позволил выявить около 75% видов, обнаруженных с помощью WGS, при глубине секвенирования менее 1%. Этот подход позволяет избежать таксономических отнесений и сосредоточиться на точном или близком совпадении последовательностей 16S-ампликонов, присутствующих в базе данных RExMap. В ходе данного исследования было отмечено, что кишечные микроорганизмы человека различаются в разных регионах мира. Но примечательно, что некоторые микробы кишечника в изобилии обнаруживаются только в конкретных регионах.
Было обнаружено, что основной набор из пятнадцати микроорганизмов высококонсервативен у всех людей, независимо от географического региона, генетики хозяина, демографических характеристик, диеты, окружающей среды и образа жизни. Эти микробы играют жизненно важную роль в метаболическом гомеостазе хозяина. Как правило, основные микроорганизмы закладываются в кишечнике новорожденных и сохраняются на протяжении всей жизни с разной численностью. Распространенность и численность основных микробов были подтверждены с помощью подхода, основанного на индексации всего генома.
В работе было установлено, что некоторые микробы, принадлежащие к филуму Bacteroidetes, такие как Prevotella copri и виды Bacteroides, не соотносились с определёнными регионами. Eubacterium rectale и Faecalibacterium prausnitzii - два основных микроорганизма, которые ассоциировались с теми или иными конкретными патологическими состояниями. Oscillibacter sp. ER4, Fusicatenibacter saccharivorans, Blautia faecis, Romboutsia timonensis и Anerostipes hadrus являются основными микроорганизмами, которые ассоциируются с физиологией хозяина.
Анализ на основе RExMap имеет ряд ограничений, включая пониженную способность картирования микробных видов, присутствующих в нишах с небольшим количеством штаммов, таких как водные и почвенные экосистемы. Кроме того, существует ограничение в картировании микробов, у которых отсутствует полная 16S или геномная последовательность. Однако база данных RExMap постоянно обновляется пользователями путем добавления новых микробных геномов по мере их доступности.
Текущее исследование показало, что микробы кишечника человека различаются у вестернизированных (регионы с преимущественно западным типом потребления пищи - прим.ред.) и не вестернизированными регионов. Были выявлены различные виды и штаммы микроорганизмов, характерные только для определенных географических регионов. Кроме того, был обнаружен набор основных микробных организмов на уровне видов, которые являются общими для всех людей, независимо от образа жизни, окружающей среды или географических регионов. Эти микроорганизмы обычно закладываются при рождении и связаны с пищевым метаболизмом.
