В кишечнике человека выявлено более 140 000 видов бактериофагов
#бактериофаги #кишечный микробиом #метагеномика
Вирусы являются наиболее многочисленными биологическими объектами на Земле, численность популяции которых оценивается в 1031 частиц.
Бактериофаги (или фаги, вирусы, заражающие бактерии и археи) оказывают глубокое влияние на микробные сообщества, действуя в качестве векторов горизонтального переноса генов, кодируя функции, приносящие пользу видам бактериям-хозяевам, и способствуя динамическим ко-эволюционным взаимодействиям. В течение десятилетий обнаружение фагов происходило медленными темпами. Однако с появлением высокопроизводительной метагеномики стало возможным обнаружить беспрецедентное количество новых разновидностей фагов.
Удивительная вещь заключался в том, что большинство фагов, обнаруженных с помощью метагеномики, не могут быть классифицированы в соответствии с какой-либо известной вирусной таксономией, изложенной Международным комитетом по таксономии вирусов (ICTV) (например, вид, род, семейство), что побудило многих исследователей предсказывать существование тех или иных фагов на основании метагеномных данных и относить их к определенным группам исключительно на основании геномных признаков.
Исследователи Wellcome Sanger Institute и Европейского института биоинформатики EMBL выявили более 140 000 вирусных видов, живущих в кишечнике человека, о более половине из которых ничего не было известно. Статья, опубликованная в Cell, содержит анализ более 28 000 образцов микробиома кишечника, собранных в различных частях мира. Количество и разнообразие обнаруженных исследователями вирусов было удивительно высоким, а данные открывают новые возможности для понимания того, как вирусы, живущие в кишечнике, влияют на здоровье человека.
Человеческий кишечник - это невероятно биологически разнообразная среда. Помимо бактерий, в ней также обитают сотни тысяч бактериофагов. Бактериофаги стимулируют эволюционные изменения в бактериальных сообществах, создавая генные потоки, которые способствуют экологической адаптации. Однако масштабы вирусного разнообразия и его распространенность в кишечнике человека остаются в основном неизученным. Известно, что дисбаланс нашего кишечного микробиома может способствовать развитию заболеваний и таких комплексных состояний, как воспалительные заболевания кишечника, аллергия и ожирение. Но относительно мало известно о роли бактериофагов в развитии этих патологий.
Используя метагеномику, исследователи изучили и каталогизировали биологическое разнообразие вирусных видов, обнаруженных в 28 060 метагеномах кишечника человека и 2898 геномах референсных бактериальных изолятов, выделенных из кишечника человека. Эта база данных представляет собой наиболее полную и исчерпывающую на сегодняшний день коллекцию геномов кишечных фагов человека и была дополнена другими опубликованными базами данных кишечных фагов.
Был проведен также наиболее полный на сегодняшний день анализ спектра фагов кишечника человека. Хотя было установлено, что большинство фагов ограничивается одним видом бактерий, значительная доля (∼36%), по прогнозам, может инфицировать множество видов, родов, семейств, порядков и даже классов. Следствием наличия широкого круга фагов является увеличение горизонтальных событий переноса генов за счет трансдукции, что может привести к созданию генного обмена между филогенетически различными видами бактерий в кишечнике человека.
Также получено представление об эпидемиологии фагов кишечника. Исследователи смогли использовать глобальные различия в составе фагов, чтобы понять, что фагеом кишечника человека ассоциируется с образом жизни отдельных людей и групп населения. Показано, что фаги, обнаруженные в городских образцах, нацелены на Bacteroides, а не на Prevotellaceae, тогда как в сельских образцах из Перу, Танзании, Мадагаскара и Фиджи фаги нацелены на Prevotellaceae, а не на Bacteroides. Это еще один результат, который подчеркивает важность полученных данных, поскольку удалось изучить геномы фагов из нескольких неизученных регионов.
Эпидемиологический анализ выявил 280 глобально распространенных вирусных кластеров, обнаруженных, по крайней мере, на 5 континентах.
Среди десятков тысяч обнаруженных вирусов была выявлена новая высоко превалирующая группа вирусов, которые, как считалось, имели общего предка, которую авторы называют Губафагом (Gubaphage -Gut Bacteroidales phage). Это была вторая по распространенности вирусная клада в человеческом кишечнике, после crAssphage, которая была обнаружена в 2014 году. Оба этих вируса, по-видимому, инфицируют схожие типы человеческих кишечных бактерий, но без дальнейших исследований было сложно узнать точные функции вновь обнаруженного Губафага.
Было также обнаружено, что клада Губафага на самом деле состоит из 2 родов и способна инфицировать бактерии из семейства Bacteroidaceae и Porphyromonadaceae. Совокупная распространенность 2-х родов Gubaphage достигла пропорции в 10-15% в Северной Америке, Океании и Азии, в то время как в Европе было обнаружено инфицирование бактерий в ∼37% образцов. Эти результаты подчеркивают важность создания хорошо определенных подсемейств кишечных вирусов, поскольку комбинированный эффект действия высокородственных фаговых геномов может помочь выявить ассоциации определенных клад с их бактериальными хозяевами и здоровьем человека.
Результаты исследования легли в основу базы данных Gut Phage Database (GPD), базы данных, содержащей 142 809 фаговых геномов, которая станет бесценным ресурсом для тех, кто изучает бактериофаги.
Наличие обширной базы данных высококачественных фаговых геномов прокладывает путь для проведения множества анализов вирусов кишечника человека с гораздо более высоким разрешением, что позволяет ассоциировать специфические вирусные клады с различными фенотипами микроорганизмов и обеспечивает ресурс для лабораторных экспериментов по изучению коэволюции бактерий и фагов.
"Важно помнить, что не все вирусы вредны, но представляют собой неотъемлемую часть экосистемы кишечника. Во-первых, большинство обнаруженных нами вирусов имеют в качестве генетического материала ДНК, в отличии от патогенных вирусов, известных большинству людей, таких как SARS-CoV-2 или Зика, которые являются РНК-вирусами. Во-вторых, эти образцы получены в основном от здоровых людей, у которых не было специфических заболеваний. Удивительно видеть, сколько неизвестных видов живет у нас в кишечнике и пытаться разгадать связь между ними и здоровьем человека", - говорит соавтор статьи Александр Алмейда.
"Важным аспектом нашей работы было обеспечение того, чтобы реконструированные вирусные геномы были высочайшего качества. Строгий контроль качества в сочетании с машинным обучением позволил нам снизить уровень контаминации и получить полные вирусные геномы. Высококачественные вирусные геномы прокладывают путь к лучшему пониманию роли вирусов в нашем микробиоме, включая открытие новых методов лечения, таких как антимикробные препараты бактериофагового происхождения. Исследования бактериофагов в настоящее время переживают ренессанс. Этот высококачественный, крупномасштабный каталог вирусов кишечника человека будет также служить руководством по экологическому и эволюционному анализу в будущих исследованиях виромов", - отметил Алмейда.
