Компонент кишечной флоры человека, который до сих пор был мало изучен, стал объектом нового исследования, проведенного в Германии.
Плазмиды - это небольшие внехромосомные генетические элементы, которые часто встречаются в бактериальных клетках и могут влиять на образ жизни микроорганизмов, однако их разнообразие в естественной среде обитания изучено недостаточно. Международная исследовательская группа под руководством профессор А. Мурата Эрена из Университета Ольденбурга сообщает в журнале Cell, что один вид плазмид является одним из самых многочисленных генетических элементов в кишечнике человека. Потенциально эта плазмида может служить важным биомаркером для выявления угроз здоровью, таких как фекальное загрязнение воды или таких заболевания человека, как воспалительные заболевания кишечника. Согласно проведенному анализу, эта плазмида присутствует в кишечнике более чем 90% людей в промышленно развитых странах.
Плазмиды - это внехромосомные последовательности ДНК, которые являются общими для клеток всех сфер жизни. Эрен описывает их как "обычно небольшие генетические образования, несущие дополнительные гены". Они могут обмениваться между различными бактериальными клетками и даже между различными видами бактерий. Репликация плазмид зависит от клеток-хозяев, но они компенсируют это, предоставляя своим хозяевам в некоторых случаях чрезвычайно важные фитнес-детерминанты. Например, некоторые плазмиды содержат гены, кодирующие резистентность к антибиотикам.
Существуют и другие плазмиды, которые, согласно проведенным на сегодняшний день исследованиям, не содержат генов, кодирующих очевидные полезные функции для их хозяина. Эти так называемые "криптические плазмиды" часто называют генетическими паразитами. Они остаются загадкой в микробной экологии, потому что с эволюционной точки зрения они вообще не должны существовать", - объясняет Эрен.
Идентификация плазмид до сих пор была непростой задачей. Уже некоторое время ученые могут извлекать генетический материал непосредственно из образцов окружающей среды и, например, анализировать микробное сообщество в кишечнике человека целиком, без необходимости культивирования отдельных бактериальных организмов. Однако способность уверенно различать плазмиды среди этого скопления генетического материала (метагенома), представляет собой серьезную проблему.
Чтобы решить эту проблему, Эрен и его коллеги разработали новый метод машинного обучения. Как сообщается в другой статье, недавно опубликованной в журнале Nature Microbiology, с помощью этого подхода они выявили более 68 000 плазмид в кишечной флоре человека, а также обнаружили, что в их массиве данных особенно много криптической плазмиды под названием pBI143.
В исследовании, опубликованном в журнале Cell, группа исследователей более подробно рассмотрела эту плазмиду, состоящую всего из двух генов, которые, как ни удивительно, служат только для ее репликации и мобилизации по бактериальным клеткам без какой-либо другой явной пользы. Чтобы лучше понять экологию pBI143, ученые проанализировали 60 000 метагеномов человека и 40 000 метагеномов окружающей среды, полученных из различных мест обитания.
"Мы увидели, что pBI143 обладает целым рядом очень интересных особенностей", - рассказал Эрен. Авторы обнаружили, что более 90% людей в промышленно развитых странах являются носителями этих плазмид и что в среднем она является одним из самых многочисленных генетических образований в кишечнике человека. "В среднем ее количество более чем в 10 раз превышает количество вирусных геномов, которые ранее считались самым распространенным генетическим внехромосомным элементом в кишечнике человека", - утверждает исследователь.
Дальнейший анализ показал, что плазмида встречается почти исключительно в кишечнике человека, но практически отсутствует в образцах из других сред, таких как океаны, почвы, растения, пищеварительные органы животных и их фекалии. Единственные образцы, в которых исследователям удалось обнаружить характерную для этих плазмид генную последовательность, находились в средах, подверженных влиянию человека, таких как сточные воды, больничные поверхности и лабораторные крысы.
В связи с ее многочисленностью, распространенностью среди людей и сохранностью в человеческих популяциях авторы предположили, что pBI143 может использоваться, например, в качестве биомаркера при тестировании фекального загрязнения. "Мы смогли показать, что эта плазмида является более чувствительным маркером для обнаружения фекального загрязнения в питьевой воде по сравнению с современными биомаркерами, основанными на специфических последовательностях генов кишечных бактерий человека", - говорит Эрен.
Кроме того, исследователи выявили еще одно потенциальное применение этого распространенного генетического объекта в контексте таких заболеваний человека, как воспалительные заболевания кишечника (ВЗК), которым страдают 3 миллиона человек только в Европе. Им удалось продемонстрировать, что относительное число копий этой криптической плазмиды увеличилось почти в четыре раза в кишечнике людей, страдающих от ВЗК, по сравнению с кишечником здоровых людей, что позволяет предположить, что изменения числа копий плазмиды могут служить неинвазивным методом количественной оценки прогрессирования или тяжести заболевания.
Сотрудники Эрена разрабатывают новые инструменты на стыке компьютерных наук и микробиологии для выявления и описания естественно встречающихся плазмид и других мобильных генетических элементов в бактериях. Они стремятся лучше понять экологию и эволюцию микробов, а также стратегии, позволяющие им реагировать на постоянно меняющуюся окружающую среду, чтобы найти новые биотехнологические применения, способные смягчить кризисы, с которыми мы сталкиваемся.
